空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的运行模拟和应用研究

摘要

近年来，太阳能热水器的应用日益普及，但常规太阳能热水器易受气候的影响，不能全天候运行。空气源热泵热水机组作为一种高效节能装置，其开发利用得到了越来越广泛的重视，但当室外温度降低时，空气源热泵机组的供热量及效率也随之下降，尤其当冬季室外温度降到0℃以下时机组存在结霜除霜的问题。鉴于二者各自的特点，提出将这两个系统进行有机结合，组成空气源热泵辅助太阳能热水系统，可最大程度的克服两者的缺点、发挥两者的优点，从而保证全天侯高效地制取生活热水。
　　本文采用集总参数法建立了空气源热泵辅助太阳能热水系统的数学模型和模拟流程，利用MATLAB语言编写了该系统太阳能集热器倾斜角、太阳能单元制热量、热泵单元性能参数等模拟计算程序。研究了重庆地区太阳能集热面积与压缩机功率的最佳匹配情况以及太阳能集热器的最佳安装倾斜角度；以重庆地区的气象资料为基础，模拟研究了在全年不同工况下，太阳能单元单独运行对水箱水温的影响和热泵单元的运行时间、制热量、轴功率和热泵COP等性能参数，总结了这些参数随时间、蒸发温度和冷凝温度等因素的变化规律并分析了太阳能集热单元和热泵单元其余的性能影响因素。在此基础上模拟研究了全年每月热泵单元功耗最低时热泵的最佳开启时间，并对比分析了优化运行模式（最佳开启时间）和常规运行模式（14:00开启热泵）下热泵机组COP和系统COP，优化运行模式热泵机组COP均高于常规运行模式，优化运行模式系统COP为6.71，表明该系统具有很好的节能效果。
　　在以上研究的基础上，针对某一实际工程案例，测试了四季典型气象日该系统的运行性能，并将实测值和模拟值进行对比，验证了所建立数学模型的正确性和可靠性，同时得出了四季空气源热泵的性能变化曲线和拟合多项式。将空气源热泵辅助太阳能热水系统与其他几种常规热水系统在节能效益、经济效益和环保效益三个方面进行了对比分析，其中经济比较采用动态费用年值法，并分析了资金贷款利率和能源价格变化对各方案动态费用年值的影响。结果表明，在重庆地区气候特点下，与其他几种热水方案相比，空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行能耗最低，经济、环保效益最好，适宜在该地区推广应用。

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1 绪 论

1.1 课题的提出

1.2 空气源热泵与太阳能热水系统结合形式

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容和意义

2 空气源热泵辅助太阳能热水系统数学模型

2.1 空气源热泵辅助太阳能热水系统基本原理

2.2 太阳能集热单元数学模型

2.3 空气源热泵单元数学模型

2.4 系统数学模型

2.5 本章小结

3 空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行性能模拟研究

3.1 系统最佳匹配研究

3.2 太阳能集热单元性能研究

3.3 空气源热泵单元性能研究

3.4 本章小结

4 系统优化运行模式研究

4.1 重庆地区热泵开启时间研究

4.2 优化运行模式与常规运行模式对比

4.3 优化运行模式系统性能系数

4.4 本章小结

5 系统的实际应用和模拟验证

5.1 工程概况

5.2 测试方案

5.3 四季典型气候日系统性能测试结果与分析

5.4 空气源热泵性能拟合公式

5.5 实测系统存在的问题和建议

5.6 本章小结

6 空气源热泵辅助太阳能热水系统效益分析

6.1 系统节能效益分析

6.2 系统经济效益分析

6.3 系统环保效益分析

6.4 本章小结

7 结论和展望

7.1 主要工作和结论

7.2 展望

致谢

参考文献