集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统的性能研究

摘要

本文针对普通太阳能热泵系统不能全天候高效、稳定运行的缺陷，提出了一种新型集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统，该系统将太阳能集热器、蓄能容器以及热泵系统的蒸发器集于一体，减少了系统的中间换热损失，降低了制造成本。利用相变材料的固-液相变潜热对太阳能进行储存，有效解决了太阳能间歇性带来的系统运行不稳定的问题。
　　首先，本文对集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器工作原理进行了理论分析，设计并搭建了该蓄能型太阳能热泵热水系统综合测试平台。根据系统的工作温度，结合相变材料的使用环境和理想相变材料的特点，选择合适的蓄能材料。对考虑分别使用癸酸和石蜡两种蓄能材料时系统的制热特性进行了全面、深入的实验研究。通过实验数据拟合出该集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器得热效率随太阳辐射强度、环境温度、真空管外壁温度的变化关系。并研究分析了真空管内相变材料温度随太阳辐射强度的逐时变化规律，以及系统启动前后相变材料在蓄热、释能过程中温度的变化曲线，从理论和实验的角度分析并验证了相变材料的蓄热量能满足系统正常运行的热负荷需求。
　　其次，在集热/蓄能/蒸发器中充灌癸酸作为蓄热材料的情况下，采集并整理实验装置在过渡季节和冬季不同工况不同运行模式时的实验数据。研究了系统在晴天、阴雨天和夜晚三种工况下系统性能随太阳辐射能的变化，以及影响系统性能和稳定性的因素。研究结果表明：集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统的年平均得热效率为4.20，远远大于普通太阳能热泵系统的得热效率；集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统的年平均性能系数为5.26，即使在全年最恶劣的工况下运行，系统的性能系数仍可达到4.03，明显高于普通太阳能，空气混合源热泵热水器系统；太阳辐射强度的不稳定波动对集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统得热效率的影响要比其对普通直膨式太阳能热泵热水器系统的影响小的多。
　　最后，通过在集热/蓄能/蒸发器内充灌石蜡作为蓄能材料时系统的运行特性与之前的系统特性进行对比分析，结果表明在相同的天气条件下，石蜡系统的加热时间较癸酸系统缩短了11.11%，能效比提高了11.41%。由此可见，以石蜡作为蓄能材料使系统具有更高、更稳定的制热性能和得热效率及更快的加热速度，相变材料的更换使之与系统更加匹配。

目录

文摘

英文文摘

主要字符表

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 课题意义

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 太阳能热泵系统的研究现状

1.2.2 太阳能与相变蓄热技术的耦合

1.3 本课题研究的内容和意义

第2章 蓄能材料的选择及其物理性质

2.1 常见的蓄热方式

2.2 相变材料的选择

2.2.1 固-液相变材料

2.2.2 相变材料的选择

2.3 癸酸和石蜡的基本性质和物性参数

2.3.1 癸酸的基本性质和物性参数

2.3.2 石蜡的基本性质和物性参数

2.4 癸酸和石蜡相变过程中体积膨胀率的测定

2.5 本章小结

第3章 集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器的工作原理

3.1 SHPWHICSE系统的基本结构及工作原理

3.1.1 基本结构

3.1.2 工作原理

3.1.3 蒸发温度对系统性能的影响

3.2 SHPWHICSE系统的工作模式

3.3 SHPWHICSE系统的创新

3.4 本章小结

第4章 集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器系统的实验装置

4.1 系统实验样机

4.1.1 系统实验样机基本结构

4.1.2 太阳能有效集热器面积及相变材料使用量的确定

4.2 测试系统

4.2.1 测试装置

4.2.2 测点布置

4.2.3 实验操作过程

4.3 SHPWHICSE系统特点

4.4 本章小结

第5章 集热/蓄能/蒸发一体化太阳能热泵热水器的实验研究

5.1 实验目的与方法

5.2 评价指标

5.2.1 系统的供热性能

5.2.2 系统的得热效率

5.3 集热/蓄能/蒸发器性能曲线

5.4 相变材料蓄能实验研究

5.4.1 相变材料蓄能特性

5.4.2 石蜡的吸热、放热过程

5.5 癸酸系统实验结果的分析及讨论

5.5.1 系统的整体性能

5.5.2 过渡季节实验数据分析

5.5.3 冬季实验数据分析

5.6 石蜡系统的实验分析及讨论

5.6.1 系统的总体性能

5.6.2 晴天时的运行特性

5.6.3 阴雨天时的运行工况

5.6.4 夜晚时的运行工况

5.7 不同蓄能介质下系统实验性能的对比分析

5.7.1 实验对比综述

5.7.2 实验对比瞬态分析

5.8 本章小结

第6章 结论及展望

6.1 主要结论

6.2 本文的不足与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

致谢