空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统性能研究

摘要

全球能源紧张的严峻形势迫使各国关注能源的开发与有效利用。中国建筑能耗的剧增使得各种建筑节能技术得到了广泛应用；其中，利用可再生能源，研发蓄能型多热源供暖、制冷系统显得尤为重要。
　　本文提出了一种空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统。该供暖系统不仅利用了可再生能源——空气能，而且利用相变蓄能装置，使其供暖用户热源得以实现时空能效的转移，最大化获得空气能的利用时间，从而增加了系统可靠性，提高了能源利用效率，降低了建筑能耗，达到了节能目的。
　　针对常见热泵—蓄能供暖系统形式及优、缺点，本文分析了空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统的系统组成以及其优越性，并提出了该系统的运行策略。
　　以该系统中的相变蓄能装置为研究对象，本文结合相变传热理论，对相变蓄能装置蓄热\释热过程进行分析研究。通过Gambit、Fluent软件建立相变蓄能单元的物理模型与数学模型，数值计算得到了蓄热\释热过程中相变蓄能温度、液相率的变化规律；并分析了换热流体的温度、速度对蓄热\释热过程的影响。通过数值模拟计算结果得到：相变蓄能单元蓄热完成耗时3.78h，与理论计算值偏差为7.1％，释热完成耗时9.20h。同时找到了换热流体温度、速度等对相变蓄能装置蓄热\释热过程的影响参数以及影响规律：蓄热时换热流体温度升高、流速增大均能缩短蓄热完成时间，释热时换热流体温度降低、流速增大均能缩短释热完成时间，总体而言，换热流体温度对蓄热\释热过程影响更大。
　　针对该系统采用地板辐射供暖系统的末端房间，本文对地板结构层和供暖房间的温度分布进行分析研究。通过 Gambit、Fluent软件建立地板结构层和供暖房间的物理模型与数学模型，数值模拟计算得到了地板结构层与供暖房间的温度变化规律。通过数值模拟计算结果得到：地板结构层上表面传热量为119W/m2，符合相应规范要求，同时供暖房间越靠近地面层温度梯度越大。
　　以末端性能为基础，本文建立了空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统实验测试平台，对数值计算结果进行验证，并测试得到该系统的供暖性能。测试结果表明，相变蓄能装置蓄热完成耗时4.10h，与理论值、模拟值偏差分别16%、8.5%，证明了数值计算方法可以应用于实际工程。同时，对相变蓄能装置与不同类型末端的释热耦合性进行了测试，结果表明，当末端为地板辐射供暖系统时，相变蓄能装置释热完成耗时9.60h，与模拟计算值偏差为4.3%，供暖房间室内温度保持在23℃左右，存在超出设计值的情况，即相变蓄能装置释热量与供暖房间负荷未能完全匹配；当末端为一台风机盘管时，相变蓄能装置释热完成耗时10.60h，供暖房间室内温度保持在25℃左右；当末端为两台风机盘管时，相变蓄能装置释热完成耗时5.40h，供暖房间室内温度保持在25.5℃左右。
　　以实验测试平台获得的各种数据为基础，本文提出该系统实际工程使用中应注意的问题，主要分析了流量不平衡、末端温度过高的工程实际现象，提出了相应的解决方案；对比了相变蓄能装置与蓄热水箱各自优势，并针对提高系统可靠性提出了增设平板集热器利用太阳能的方法。
　　研究成果可以为该新型供暖系统在工程上的进一步推广和使用奠定前期研究基础。

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1 绪 论

1.1研究背景

1.2相变蓄热技术概述及研究现状

1.3地板辐射供暖概述及研究现状

1.4研究内容、方法、步骤及技术路线

1.5本章小结

2 常见热泵—蓄能供暖系统与新型联合供暖系统

2.1常见热源、蓄能装置及末端形式

2.2常见热泵—蓄能联合供暖系统

2.3新型空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统

2.4本章小结

3 相变蓄能装置理论分析、模型建立与数值计算

3.1相变传热理论

3.2物理模型

3.3数学模型

3.4求解过程

3.5结果分析

3.6本章小结

4地板辐射供暖模型建立与数值计算

4.1地板辐射供暖概述

4.2物理模型

4.3数学模型

4.4求解过程

4.4结果分析

4.5本章小结

5 空气源热泵—相变蓄能装置联合供暖系统设计与实验设计

5.1系统设计

5.2实验设计

5.3本章小结

6 相变蓄能装置蓄热性能实验测试

6.1相变蓄能装置蓄热测试

6.2空气源热泵性能测试

6.3本章小结

7 地板辐射供暖、风机盘管与相变蓄能装置耦合性实验测试

7.1地板辐射供暖与相变蓄能装置耦合性

7.2风机盘管与相变蓄能装置耦合性

7.3本章小结

8 工程应用分析

8.1流量不平衡

8.2末端温度过高

8.3对比蓄热水箱

8.4提高系统可靠性

8.5本章小结

9 结论与展望

9.1结论

9.2展望

致谢

参考文献

附录 A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文