太阳能—空气复合热源热泵系统性能研究

【摘要】： 根据单一空气源热泵、单一太阳能热泵及多换热器切换式太阳能-空气双热源热泵的优缺点,提出了一种新型的太阳能-空气复合热源热泵系统(Solar-Air Composite Heat Source Heat Pump System, SACHP),实现了对空气、太阳能两种可再生能源的综合利用和优势互补,尤其适合我国寒冷地区城镇别墅住宅和乡村独立住宅空调采暖及卫生热水需求,对改善城市生态环境,引领新农村住宅环境建设,提供了一种可行的技术方法。本文对该SACHP工作原理进行了理论分析,建立了SACHP数学模型,设计并搭建了SACHP性能综合测试平台,对其制热特性进行了全面、深入地模拟与实验研究,揭示了SACHP主要特性参数的基本影响规律,为下一步开发实用型SACHP奠定了基础。本文研究成果包括以下几个方面： (1)提出并设计了SACHP,该系统可实现单一空气、太阳能-空气、单一太阳能三种热源工作模式,较好地解决单一热泵源热泵及多换热器切换式热泵的突出问题,为最大限度地满足不同地区和不同用户的需求,实现热泵对多种低温热源的复合有效利用提供了可靠的系统保证。SACHP已获得国家发明专利授权。 (2)提出并设计了太阳能-空气双热源复合换热器,该换热器具有管翅式和套管式换热器的双重功能,突破了传统换热器中热泵工质只能与单一气态或液态热源进行换热的模式,可实现热泵工质在同一换热器中与空气和太阳能热媒两种热源进行同步耦合换热,为实现对太阳能、空气两种热源的同步复合利用奠定了技术设备基础。该换热器已获国家实用新型专利授权,发明专利已通过初审,进入公开阶段。 (3)依据复合换热器中复合热源的耦合换热特性,提出了“复合热源有效温差”和“复合热源最大有效温差”的概念。根据实验结果,拟合出了最大有效复合换热温差关联式,可用作复合热源有效温差范围的预测计算。“复合热源有效温差”的研究对SACHP热源工作模式和控制策略的确定、系统优化设计以及适用范围界定具有重要的意义。 (4)建立了复合热源热泵系统数学模型。采用集中参数法建立了SACHP模型,对太阳能-空气双热源工作模式下系统的制热特性进行了模拟计算,分析了空气热源温度,太阳能热媒流量及温度,以及双热源有效温差对太阳能-空气复合热源热泵系统运行特性的影响。并将模拟结果与实验结果进行对比分析,二者变化趋势相同,能够较好吻合。 (5)设计并搭建了SACHP性能实验平台,分别完成了复合热源热泵在三种热源工作模式下系统的性能实验。实验研究结果表明：在0℃以上环境温度工况范围,SACHP按单一空气热源模式运行,在0℃-10℃低温环境温度工况范围内,SACHP按太阳能-空气双热源模式运行,在-10℃以下的超低温环境温度工况下,SACHP按单一太阳能热源模式运行能较好地满足用户供热需求。 (6)初步确立了SACHP的气候适用区域和各区域的热源工作模式。依据国家建筑热工设计分区标准、太阳能资源分布及实验研究结果,提出SACHP更适合于在寒冷地区和严寒地区推广应用。 【关键词】：太阳能 空气 复合热源 换热器 热泵 系统性能
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU831.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 课题背景12-17
• 1.1.1 城镇居住环境亟待改善的问题12
• 1.1.2 我国太阳能资源分布及热利用状况12-14
• 1.1.3 太阳能空气源复合利用特点14-17
• 1.2 课题研究现状17-23
• 1.2.1 空气源热泵17-18
• 1.2.2 太阳能热泵18-21
• 1.2.3 复合热源热泵21-23
• 1.3 本课题主要研究内容23-25
• 2 太阳能-空气复合热源热泵技术及理论分析25-31
• 2.1 太阳能-空气复合热源热泵技术相关概念25-26
• 2.2 太阳能-空气复合热源热泵系统构成、工作原理及特点26-28
• 2.2.1 太阳能-空气复合热源热泵系统组成及工作原理26-28
• 2.2.2 太阳能-空气复合热源热泵系统特点28
• 2.3 太阳能-空气复合热源热泵系统关键技术分析28-31
• 2.3.1 复合换热技术方法28-29
• 2.3.2 热源工作模式及区域适应性29
• 2.3.3 复合热源有效温差的研究29-31
• 3 太阳能-空气复合热源热泵系统模拟31-54
• 3.1 太阳能-空气复合热源热泵模型31-46
• 3.1.1 太阳能-空气双热源复合换热器(蒸发器)模型31-37
• 3.1.2 压缩机模型37-38
• 3.1.3 冷凝器模型38-44
• 3.1.4 毛细管模型44-46
• 3.2 太阳能-空气复合热源热泵系统模型46-47
• 3.3 计算结果与分析47-53
• 3.3.1 太阳能热媒对系统性能的影响48-52
• 3.3.2 复合换热温差对系统性能的影响52-53
• 3.4 本章小结53-54
• 4 太阳能-空气复合热源热泵系统实验研究54-73
• 4.1 太阳能-空气复合热源热泵系统实验平台设计54-60
• 4.1.1 太阳能-空气复合热源热泵系统装置设计与选型54-56
• 4.1.2 循环工质56-58
• 4.1.3 太阳能-空气双热源复合换热器58-60
• 4.2 实验条件及测量装置60-63
• 4.3 实验方案设计63-67
• 4.4 实验数据处理67-69
• 4.5 实验结果不确定度分析69-73
• 5 实验结果分析与讨论73-97
• 5.1 单一空气热源工作模式SACHP性能73-74
• 5.2 太阳能-空气双热源工作模式SACHP性能74-84
• 5.2.1 复合热源温差对系统性能的影响74-79
• 5.2.2 太阳能热媒对系统性能的影响79-84
• 5.3 单一太阳能热源工作模式SACHP性能84-89
• 5.4 不同热源模式对比分析89-94
• 5.5 太阳能-空气复合热源热泵系统气候适应性分析94-95
• 5.6 计算模型验证95-97
• 6 结论与展望97-101
• 6.1 主要研究成果97-99
• 6.2 研究展望99-101
• 致谢101-102
• 参考文献102-109
• 博士期间发表的论文及参与的科研工作109-111

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