太阳能—双热源热泵供暖系统优化研究

发布时间：2017-07-21 01:19

  本文关键词：太阳能—双热源热泵供暖系统优化研究

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【摘要】：在能源日趋紧张匮乏,环境问题突出的背景下,太阳能以其节能、环保的特点越来越多的受到人们的关注,尤其是在冬季需要采暖的严寒及寒冷地区。太阳能-双热源热泵联合供暖系统是一种综合利用太阳能和空气能的复合能源供暖方式,本文结合实际工程分别从系统结构参数与系统控制策略两个角度入手对系统展开优化研究。研究成果对于提高太阳能-双热源热泵联合供暖系统效率、减少能源消耗、提高系统经济性具有重要的工程意义,可为今后同类供暖工程设计提供理论参考。首先,依据某铁路站房实际工程,利用TRNSYS建立太阳能-双热源热泵联合供暖系统仿真模型,依据室外太阳辐射强度及室内热需求状况,针对不同工况详细制定系统运行模式；运用综合效率方法完成对系统集热面积、蓄热水箱容积等系统部件的设计计算,在此基础上,采用正交试验方法模拟分析集热面积、集热器方位角、集热器倾角、单位集热面积循环流量、单位集热面积蓄热水箱体积对系统性能的影响规律,结果表明所选因素在一定范围内,对系统性能影响大小的顺序依次为：集热面积集热器方位角集热器倾角单位集热面积蓄热水箱体积单位集热面积循环流量。其次,建立系统结构参数最优化计算模型,采用粒子群算法,搭建系统最优化计算平台,实现系统结构参数的最优化,使供暖系统满足室内热需求的同时最大限度收集利用太阳能。以某实际工程中太阳能-双热源热泵供暖系统为例进行同步优化计算,结果表明,系统供暖季太阳能总供热量最大时系统设计参数组合是：集热器方位角为南偏西14。,集热器倾角为53。,单位集热面积循环流量为0.0149m3/(hr·m2),单位集热面积蓄热水箱体积为0.146m3/m2,同步优化计算后,系统供暖季水箱供热量与初始设计相比增加了7.9%。最后,在系统设计参数最优化基础上,基于典型天太阳辐射与室外空气温度变化规律,提出“最大限度利用太阳能策略(策略一)”及“综合利用太阳能和空气能策略(策略二)”,通过系统供暖季运行性能对比实现控制策略优化。研究表明：采取策略二时,系统供暖季能耗随双热源热泵模式切换温度Tq的增大而逐渐减小,Tq=10℃时,系统能耗最低,对比研究表明策略一是系统最佳节能运行控制策略,其供暖季系统COPs可达4.35；系统在最佳系统控制策略下典型天运行结果表明：系统可根据室内外条件准确地实现各种运行模式自动切换,验证了控制策略的可靠性。典型天模拟数据表明,系统采取“最大限度利用太阳能策略”,全天蓄热水箱供热量占建筑热负荷总量的81%,系统COPs达4.76。
【关键词】：太阳能 双热源热泵 同步优化 控制策略
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU832;TU18
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 课题背景12-14
• 1.1.1 我国能源现状与建筑节能12-13
• 1.1.2 我国太阳能资源13
• 1.1.3 太阳能-热泵联合采暖技术13-14
• 1.2 课题研究现状14-18
• 1.2.1 国外研究现状15-16
• 1.2.2 国内研究现状16-18
• 1.3 存在的问题18-19
• 1.4 研究内容及技术路线19-21
• 1.4.1 研究内容19
• 1.4.2 技术路线19-21
• 第2章 太阳能-双热源热泵供暖系统数理模型21-33
• 2.1 物理模型21-25
• 2.1.1 系统构成与运行原理21-22
• 2.1.2 系统运行模式22-25
• 2.2 数学模型25-31
• 2.2.1 平板集热器数学模型26
• 2.2.2 板式换热器数学模型26-27
• 2.2.3 蓄热水箱数学模型27-28
• 2.2.4 双热源热泵数学模型28-30
• 2.2.5 水泵及控制组件数学模型30-31
• 2.3 本章小结31-33
• 第3章 系统设计及系统性能影响因素分析33-52
• 3.1 工程概况33-36
• 3.1.1 当地气象参数33-34
• 3.1.2 建筑负荷计算34-36
• 3.2 系统初始设计36-40
• 3.2.1 集热器36-39
• 3.2.2 板式换热器39-40
• 3.2.3 蓄热水箱40
• 3.2.4 双热源热泵40
• 3.2.5 采暖末端40
• 3.3 系统仿真模型40-42
• 3.4 系统运行性能影响因素分析42-51
• 3.4.1 正交试验方法简介42-43
• 3.4.2 正交试验及模拟结果43-47
• 3.4.3 集热面积对系统性能的影响47-48
• 3.4.4 集热器方位角对系统性能的影响48
• 3.4.5 集热器倾角对系统性能的影响48-49
• 3.4.6 单位集热面积循环流量对系统性能的影响49
• 3.4.7 单位集热面积水箱体积对系统性能的影响49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 基于粒子群算法的系统优化模拟模型52-65
• 4.1 最优化模型52-53
• 4.2 粒子群算法数学模型及计算流程53-57
• 4.2.1 粒子群优化算法基础理论53-55
• 4.2.2 粒子群算法计算流程55-57
• 4.3 优化变量的选取、约束条件及目标函数57-58
• 4.3.1 优化变量57
• 4.3.2 约束条件57
• 4.3.3 优化目标函数57-58
• 4.4 优化模拟平台的搭建58-61
• 4.4.1 自变量的设置59-60
• 4.4.2 目标函数设置60
• 4.4.3 寻优算法的设置60-61
• 4.5 系统优化设计方法的应用61-64
• 4.5.1 优化算法参数设置61-62
• 4.5.2 优化模拟结果62-64
• 4.5.3 优化前后太阳能总供热量对比64
• 4.6 本章小结64-65
• 第5章 系统控制策略优化65-79
• 5.1 系统控制策略的构成65-66
• 5.2 集热循环控制策略优化66-68
• 5.2.1 定温控制策略66-67
• 5.2.2 温差控制策略67-68
• 5.2.3 集热循环控制策略效果对比68
• 5.3 双热源热泵运行控制策略优化68-78
• 5.3.1 最大限度利用太阳能策略70-72
• 5.3.2 综合利用空气能与太阳能策略72-75
• 5.3.3 控制策略验证75-78
• 5.4 本章小结78-79
• 结论79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目86

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本文编号：570862