太阳能—空气双热源复合热泵运行模式研究

【摘要】：热泵技术作为一种新能源技术,在节能减排,环境保护方面有突出的贡献,所以近年来在全世界范围普遍受到关注。当热泵室外换热器表面温度低于0℃且低于空气露点温度时,表面会结霜,使热泵的制热性能和可靠性大大下降。对此课题组提出了太阳能-空气双热源复合热泵系统。该系统能够利用太阳能和空气两种低位能源,减少季节和室外温度对系统性能的影响,并能提高系统的稳定性。系统将太阳能热转换技术和空气源热泵技术充分结合,实现以合理成本来满足部分建筑用能的需求,因而它作为一种建筑节能技术将有广阔的市场。 本文在前人研究的基础上进一步完善和优化了此系统仿真模型,建立了系统工质(包括制冷剂、乙二醇溶液和空气)热物性参数数学模型、压缩机数学模型、毛细管数学模型,采用分布参数法建立冷凝器数学模型、蒸发器数学模型。利用数值模拟的方法对太阳能-空气双热源复合热泵系统的三种供热运行模式:单一空气源模式,太阳能-空气双热源模式,单一太阳能热水模式进行了研究。通过模拟得到了太阳能-空气双热源复合热泵系统在不同工作模式下的系统特性,从而得出了系统在不同工况下的最佳运行模式。 本文将模拟结果和课题组前人的实验结果进行了对比分析,误差在10%以内,相对于课题组前人的模拟误差减小,模拟结果为这种新型的太阳能-空气双热源复合热泵系统的优化和设计提供了理论基础。 模拟结果表明,太阳能-空气双热源复合热泵系统与室外温度、太阳能热水进水温度和太阳能热水的流量等因素密切相关。单一空气源模式系统的制热量和系统COP随着室外温度的升高而增大,单一太阳能模式系统的制热量和系统COP随太阳能热水进水温度及太阳能热水流量的增大而增大,双热源模式在“有效复合换热温差”范围内,系统的制热量和系统COP随着室外温度的升高和太阳能热水进水温度及太阳能热水流量的增大而增大。模拟工况下,在有效复合换热温差范围内,太阳能-空气双热源模式和单一太阳能模式系统制热量和系统COP都高于单一空气源模式的系统制热量和系统COP。双热源模式较单一空气源模式制热量提高2.8%～46.5%,系统COP提高1.1%～34%。单一太阳能模式较单一空气源模式制热量提高1.2%～92.8%以上,系统COP提高1.8%～62.8%以上。当室外空气温度高于-5℃时,在有效复合换热温差范围内,太阳能-空气双热源复合热泵的制热量相对于单一太阳能模式可以提高20.4%,系统COP降低1.11%～8.5%,所以当室外空气温度高于-5℃时,如果用户将制热量为第一需求时优先选用双热源模式,如果用户对制热量的需求降低时,优先选用单一太阳能模式。当室外空气温度低于-5℃时,在有效复合换热温差范围内,太阳能-空气双热源复合热泵的制热量相对于单一太阳能模式提高0.8%～17.3%,系统COP至少降低了3.2%～14.3%,所以当室外空气温度低于-5℃时,如果太阳能充足,优先选用单一太阳能模式,如果太阳能不充足,则优先选用双热源模式。在额定制冷工况下,系统制冷量为2360W,能效比为2.6,低于空调能耗标准3.2,进而提出了系统改进方案。 【关键词】：太阳能-空气源 复合热源 双热源热泵 数学模拟 运行模式
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU831.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1. 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 课题研究现状11-17
• 1.2.1 太阳能热泵的基本形式11-13
• 1.2.2 太阳能热泵国内研究现状13-16
• 1.2.3 太阳能热泵国外研究现状16-17
• 1.3 课题研究内容17-19
• 2. 工质热物性参数数学模型19-30
• 2.1 制冷剂热物性参数数学模型19-25
• 2.1.1 制冷剂饱和蒸汽压和饱和温度数学模型20
• 2.1.2 制冷剂饱和液体焓数学模型20
• 2.1.3 制冷剂饱和气体焓数学模型20-21
• 2.1.4 制冷剂过热气体焓数学模型21
• 2.1.5 制冷剂饱和气体比容数学模型21-22
• 2.1.6 制冷剂过热气体比容数学模型22
• 2.1.7 制冷剂液体密度数学模型22-23
• 2.1.8 制冷剂定压比热数学模型23-24
• 2.1.9 制冷剂动力粘度数学模型24
• 2.1.10 制冷剂导热系数数学模型24-25
• 2.2 乙二醇溶液热物性参数数学模型25-27
• 2.2.1 乙二醇溶液定压比热数学模型25-26
• 2.2.2 乙二醇溶液密度数学模型26
• 2.2.3 乙二醇溶液动力粘度数学模型26
• 2.2.4 乙二醇溶液导热系数数学模型26-27
• 2.3 空气热物性参数数学模型27-30
• 2.3.1 空气密度数学模型28
• 2.3.2 空气定压比热数学模型28
• 2.3.3 空气动力粘度数学模型28-29
• 2.3.4 空气导热系数数学模型29
• 2.3.5 空气焓数学模型29-30
• 3. 太阳能-空气双热源复合热泵数学建模30-49
• 3.1 压缩机数学模型30-32
• 3.2 冷凝器数学模型32-36
• 3.3 毛细管数学模型36-40
• 3.4 蒸发器数学模型40-47
• 3.5 系统数学模型47-49
• 4. 模拟与实验结果对比分析49-56
• 4.1 实验装置49-50
• 4.2 实验工况50-51
• 4.3 模拟结果验证51-54
• 4.3.1 单一空气源模式51
• 4.3.2 单一太阳能模式51-53
• 4.3.3 太阳能-空气双热源模式53-54
• 4.4 误差分析54-56
• 5. 太阳能-空气双热源热泵运行模式分析56-71
• 5.1 太阳能-空气双热源复合热泵的基本运行模式56
• 5.2 单一空气源运行模式分析56
• 5.3 太阳能-空气双热源运行模式分析56-60
• 5.4 单一太阳能运行模式分析60-64
• 5.5 最佳运行模式分析64-70
• 5.6 太阳能-空气双热源复合热泵性能分析70-71
• 6. 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-76
• 附录：攻读硕士学位期间取得的科研成果76-77
• 致谢77-78

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