太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究

摘要

近20多年来，太阳能热泵系统的研究工作在国际上已成为可再生能源利用领域的研究热点，并且已取得了很大的进步。在我国，有将近70％的地区需要供暖，而这些地区绝大部分都以煤为主要燃料，这无疑加剧了化石能源的消耗和对环境的污染。太阳能热泵潜热蓄热(Solar Assisted Heat Pump with Latent Thermal Energy Storage，简称SAHPLTES)供暖系统是一种新型的节能、环保系统。该系统是以太阳能作为主要热源的热泵系统，是利用太阳热进行供暖一种非常有效的形式。
　　本文在总结了国内外太阳能热泵技术与潜热蓄热技术的基础上，将二者有机地结合在一起，设计了 SAHPLTES供暖系统，该系统主要是由太阳能集热系统、潜热蓄热装置(Latent Thermal Energy Storage Tank，简称LTEST)、热泵机组、供暖末端装置以及辅助热源组成。在本文研究中，以CaCl2·6H2O作为潜热蓄热材料，土壤源热泵作为辅助热源。本文以SAHPLTES供暖系统为研究对象，主要从以下几个方面进行了一些研究：
　　首先，介绍了系统在不同的供暖阶段系统的主要运行模式及运行原理。并利用有限时间热力学理论建立了系统的热经济性分析模型，并通过优化分析，得出了在给定的热负荷以及气象参数条件下，当目标函数(系统运行年限内总费用)最优时，系统各部分的主要设计参数，如最佳集热器面积、最佳集热器出口温度等。同时还考察了系统各部分主要性能参数对系统优化特性的影响，在此基础上，对 LTEST的蓄热容量进行了相应的匹配设计计算。该部分工作可以为整个系统的设计与性能评价提供理论支持。
　　其次，建立了系统各组成部分的数学模型，其中着重建立了 LTEST内部传热的数学模型，该模型主要由换热器、水以及 PCM数学模型联立组成，其中PCM采用等温相变焓法模型，该模型具有无须对 PCM分区建立模型，且不用跟踪相变边界的优点。并在上述模型基础上，制定了SAHPLTES供暖系统各部分的开启/关闭条件，进而得出了运行模式之间的转换条件，为模拟系统的动态运行特性奠定基础。
　　再次，在所建立的系统数理模型及模式转换控制条件基础上，模拟了在哈尔滨地区整个供暖期内，当供暖设计负荷为10kW时，SAHPLTES供暖系统动态运行特性，考察了系统在不同供暖阶段的主要运行模式、供暖效果以及系统各部分状态参数的变化。同时改变供暖地区的地理参数与气象参数，模拟预测了该系统在全国几个不同纬度典型地区的供暖效果，通过分析比较得出了该系统应用效果比较好的地区。
　　另外，在本文的研究中，还对系统的主要设计参数，包括集热器面积、PCM胶囊的封装尺寸、LTEST内 PCM质量百分数，对系统在整个供暖期内的动态运行特性的影响进行了研究。通过研究发现，在哈尔滨地区对应10kW建筑设计热负荷来说，SAHPLTES供暖系统集热器面积选取在60m2左右是比较合理的，LTEST内PCM质量百分数宜选取在70%。
　　最后，为了考察 SAHPLTES供暖系统的运行特性，同时验证本文所建数学模型的正确性，建立了 SAHPLTES供暖实验系统，并在2007年11月15日至2008年3月31日选择典型天气进行实验，并在相同的条件下，应用本文所建立的数学模型进行模拟，通过比较发现实验和模拟结果吻合较好，验证了本文建立数学模型的正确性和可靠性。
　　SAHPLTES供暖系统是一种新型的供暖系统，由于经济性等原因，目前该系统在实际中还不可能得到广泛的应用，但是随着常规能源的日益枯竭、能源价格的逐渐上涨、环保压力的不断增加，同时还由于太阳能供暖、空调技术的不断完善，集热器价格的下降，SAHPLTES供暖系统将成为一种非常有竞争力的供暖方式。本文的工作可以为今后 SAHPLTES供暖系统的应用提供理论基础和技术支持。

目录

太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究

RESEARCH ON THE PERFORMANCEOF SOLAR ASSISTED HEAT PUMPWITH LATENT THERMAL ENERGYSTORAGE HEATING SYSTEM

摘 要

Abstract

物理量名称及符号表

目 录

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 太阳能热泵供暖系统的研究现状

1.2.2 潜热蓄热的研究现状

1.2.3 应用有限时间热力学理论进行系统优化设计的研究现状

1.2.4 国内外在研究太阳能热泵与潜热蓄热技术现状的总结

1.3 本文的主要工作

第2章 SAHPLTES 供暖系统运行模式及优化设计

2.1 SAHPLTES 供暖系统的运行模式

2.2 太阳能热泵系统热力学模型的建立

2.3 太阳能热泵系统优化设计参数的确定

2.4 太阳能热泵系统优化特性的影响因素分析

2.4.1 传热系数对系统运行性能的影响

2.4.2 热源热容量对系统运行性能的影响

2.4.3 不可逆因子对系统运行性能的影响

2.4.4 集热器性能参数对系统运行性能的影响

2.4.5 经济性参数对系统优化结果的影响

2.5 潜热蓄热系统的设计

2.5.1 相变材料的选择

2.5.2 潜热蓄热装置的结构设计

2.5.3 潜热蓄热装置蓄热容量的确定

2.6 辅助热源的选择

2.7 本章小结

第3章 SAHPLTES 供暖系统数理模型的建立与求解

3.1 系统各部件数理模型的建立

3.1.1 集热器表面太阳辐射计算模型

3.1.2 太阳能集热器数学模型

3.1.3 潜热蓄热装置数学模型

3.1.4 水/水热泵数学模型

3.1.5 风机盘管数学模型

3.1.6 U 型管土壤换热器数学模型

3.1.7 供暖房间热力计算模型

3.2 系统运行模式间的转换控制

3.2.1 风机盘管的启停控制

3.2.2 太阳能集热器的启停控制

3.2.3 潜热蓄热装置的启停控制

3.2.4 热泵的启停控制

3.2.5 系统各运行模式的运行条件

3.3 本章小结

第4章 SAHPLTES 供暖系统模拟运行特性分析

4.1 系统模拟框图

4.2 系统模拟参数

4.3 SAHPLTES 供暖系统动态模拟运行特性分析

4.4 SAHPLTES 供暖系统在其它地区运行性能预测

4.5 本章小结

第5章 SAHPLTES 供暖系统参数影响分析

5.1 集热器面积对系统运行特性的影响

5.2 PCM 封装尺寸对系统运行特性的影响

5.3 PCM 质量百分数β对系统运行特性的影响

5.4 本章小结

第6章 SAHPLTES 供暖系统实验与分析

6.1 实验目的

6.2 实验系统的构成

6.2.1 太阳能集热系统

6.2.2 潜热蓄热装置

6.2.3 热泵机组

6.2.4 垂直U 型管土壤换热器

6.2.5 供暖房间及末端供暖装置

6.3 测试仪器仪表的选择、标定

6.4 系统动态特性的实验验证与分析

6.5 本章小结

结论与展望

结论

课题展望

参考文献

附 表

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历