蓄热水箱联合太阳能热泵供暖系统的应用研究

发布时间：2017-08-01 18:22

  本文关键词：蓄热水箱联合太阳能热泵供暖系统的应用研究

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【摘要】：近年来,随着我国经济的快速发展,对能源的需求量也日益增加。在所有能耗中,建筑能耗所占比例高达1/4,且有逐步增加的趋势,因此寻求一种可再生能源代替煤炭为建筑供暖成为一种必然。在所有可再生能源中,太阳能以之绿色无污染的优势成为首选。尤其是太阳能和热泵联合供暖系统,综合了两种热源的优点。但传统太阳能热泵供暖系统在我国严寒地区应用中存在各种各样的问题,且缺少针对该地区不同建筑类型间接蓄热水箱结构设计的研究。基于此,本论文提出了新的太阳能+低温热回收空气源热泵联合供暖系统,并对系统中的关键设备蓄热水箱的容积及结构设计做了详细分析计算。本文首先详细阐述了太阳能+低温热回收空气源热泵联合供暖系统的设计方法。指出空气源热泵装机容量的确定与室外逐时温度及建筑逐时负荷相关,在实际计算时应首先确定最佳平衡点温度,由最佳平衡点温度下的建筑负荷推算机组的装机容量;指出影响集热器面积计算的关键参数为太阳能保证率及集热效率,通过分析室外逐时温度、建筑逐时热负荷以及热泵的制热性能之间的耦合特性,得出太阳能保证率的计算方法及流程,通过实验测试得到该系统模式下集热侧的最佳循环流量,进而计算得到集热器的集热效率;指出蓄热水箱容积的计算方法,通过分析热泵机组的制冷+热回收性能确定了水箱的蓄热温度。通过分析居住、办公建筑运行控制策略与水箱结构设计之间的关系,指出了居住、办公建筑水箱在结构设计时的侧重点。对于居住建筑,其内置换热盘管设计应以换热效率为主,宜选择立式螺旋盘管,水箱至热泵侧的供回水管设计应考虑水箱的容积利用率,参考自然分层水蓄冷槽进出水管的设计,通过改变水箱进出水管的位置及在进水管上部加设圆形挡板提高水箱容积利用率,并通过CFD模拟找出最佳挡板规格及其与进水口的距离;同时,通过CFD模拟比较了带挡板水箱与常规水箱的温度分层现象及其容积利用率,指出改变结构后的水箱容积利用率可大大提高。对于办公建筑,其内置盘管设计应同时兼顾换热效率及释热速率。在重庆大学搭建了小型试验台。通过实验测试居住建筑不同结构水箱的出口水温及内部温度分布,验证CFD模拟结果的正确性,分析测试结果与模拟结果出现微小不同的原因。对办公建筑两种不同换热盘管的性能进行测试,结果表明平铺U型管的释热速率要远大于螺旋立管,已超过了螺旋管换热效率高的优点,即办公建筑蓄热水箱的内置换热盘管选择平铺U型管更优。同时,将该研究成果通过相似、类比法应用到严寒地区的工程中。最后,对不同结构水箱对热泵机组运行性能的影响进行了分析与预测。研究表明:对于居住建筑而言,空气源热泵联合带挡板水箱运行时的COP值可较联合常规水箱时提高3.17%;对于办公建筑,热泵联合内置平铺U型管水箱运行时的COP值可较联合内置螺旋立管水箱提高7.16%。
【关键词】：太阳能 低温热回收空气源热泵 蓄热水箱 内置换热盘管
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU832;TU18
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11
• 1.2 太阳能热泵发展现状11-13
• 1.2.1 太阳能热泵系统综合利用的特点11-12
• 1.2.2 太阳能热泵系统国外研究现状12
• 1.2.3 太阳能热泵系统国内研究现状12-13
• 1.3 蓄热水箱的发展研究现状13-14
• 1.3.1 水箱温度分层研究13
• 1.3.2 水箱结构研究13-14
• 1.4 严寒地区太阳能资源概述及应用现状14
• 1.5 课题主要研究内容14-15
• 1.6 本章小结15-16
• 2 太阳能—低温热回收型空气源热泵联合供暖的理论分析16-30
• 2.1 太阳能集热侧的热力学理论16-22
• 2.1.1 太阳能集热器的分类及特点16-19
• 2.1.2 太阳能集热器的效率分析19-21
• 2.1.3 集热器安装倾角及太阳光线入射角分析21
• 2.1.4 集热器串并联方式21-22
• 2.2 热回收型空气源热泵运行理论分析22-24
• 2.3 水箱蓄热理论分析24-25
• 2.3.1 蓄热介质24-25
• 2.3.2 蓄热水箱结构及运行原理25
• 2.4 系统运行基本原理25-28
• 2.4.1 运行原理25-27
• 2.4.2 运行工况分析27
• 2.4.3 系统特点27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 3 太阳能—低温热回收型空气源热泵联合供暖系统设计30-54
• 3.1 建筑热负荷计算30-32
• 3.1.1 拉萨室外气候特征30-31
• 3.1.2 建筑概况31
• 3.1.3 建筑热负荷模拟31-32
• 3.2 空气源热泵的选型32-34
• 3.3 太阳能集热器面积分析计算34-41
• 3.3.1 集热器面积影响因素分析34-36
• 3.3.2 集热器面积计算36-41
• 3.4 蓄热水箱容积计算41-43
• 3.4.1 蓄热量41
• 3.4.2 蓄热温度41-42
• 3.4.3 蓄热水箱容积计算42-43
• 3.5 换热盘管设计43-47
• 3.5.1 U型管及螺旋管的传热方程43-44
• 3.5.2 U型管的传热数学模型44-45
• 3.5.3 螺旋管的传热数学模型45-46
• 3.5.4 盘管换热面积计算46-47
• 3.6 自动控制系统设计47
• 3.7 技术经济性分析47-51
• 3.7.1 技术经济评价参数47
• 3.7.2 费用年值法经济性分析47-48
• 3.7.3 系统初投资48-49
• 3.7.4 运行费用49-50
• 3.7.5 费用年值比较50
• 3.7.6 环境效益分析50-51
• 3.8 本章小结51-54
• 4 蓄热水箱结构设计54-76
• 4.1 蓄热水箱结构设计分析54-56
• 4.1.1 居住建筑蓄热水箱结构设计54-55
• 4.1.2 办公建筑蓄热水箱结构设计55-56
• 4.2 数值模拟56-74
• 4.2.1 数值模拟简介56
• 4.2.2 蓄热水箱分层模型56-58
• 4.2.3 带挡板结构水箱数值模拟58-68
• 4.2.4 不同结构水箱数值模拟68-74
• 4.3 本章小结74-76
• 5 实验研究76-86
• 5.1 试验台搭建76
• 5.2 实验内容76
• 5.3 测点布置及数据采集76-77
• 5.4 测试结果及分析77-85
• 5.4.1 居住建筑两种不同结构水箱性能测试77-81
• 5.4.2 办公建筑蓄热水箱内置盘管换热性能测试81-85
• 5.5 本章小结85-86
• 6 不同结构水箱对热泵运行性能的影响预测分析86-90
• 6.1 居住建筑不同结构水箱对热泵运行性能的影响预测分析86-87
• 6.2 办公建筑不同结构水箱对热泵运行性能的影响预测分析87-89
• 6.3 本章小结89-90
• 7 结论与建议90-92
• 7.1 结论90
• 7.2 建议90-92
• 致谢92-94
• 参考文献94-98
• 附录98
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文98
• B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录98

【参考文献】

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本文编号：605582