严寒地区多热源耦合热泵系统特性与参数优化研究

摘要

公共建筑和住宅的供暖及空调已成为普遍的需求，需要消耗大量的电能及燃料，我国的建筑能耗已占社会总能耗的30％左右，严寒地区由于占地面积大、供暖期长，使得其供暖空调所占建筑能耗比例最大。将热泵技术与可再生能源利用相结合是暖通空调领域的研究热点，考虑到严寒地区冷热负荷不匹配，季节性蓄热作为一种实现可再生能源转移利用的有效手段，可以保证系统稳定、可靠地运行。 本文全面查阅了国内外复合热源热泵系统特性以及优化分析的研究现状，提出了综合利用太阳能、空气能和地热能的多热源耦合热泵供暖空调系统，该系统可以保证严寒地区居民的供暖空调需求，从以下几个方面对本文研究内容进行论述: 首先，介绍了系统的主要运行模式和运行原理，并对系统内的主要部件:集热/蒸发器、水冷冷凝器和埋管换热器进行设计计算; 其次，建立了系统主要组成部分的数学模型，其中集热/蒸发器、水冷冷凝器采用分区集中参数模型，压缩机、节流装置等采用集中参数模型，同时构建了垂直U型埋管土壤换热器换热的数理模型。在上述部件建模的基础上，根据六种运行模式下各主要部件相关参数的耦合关系进行联立，并对各个模式的仿真流程和整个系统运行仿真流程进行了设计，为系统下一步的系统运行特性分析和设计参数和运行参数优化分析奠定基础; 再次，在模型建立以及设计流程的基础上，以哈尔滨地区某典型住宅为对象，在保证土壤热平衡的基础上，在运行年限内以经济性最优为目标，对系统内两个运行参数:双热源复合热泵机组热泵工况关闭温度、分离式热管工况开启温差，一个设计参数:双热源复合热泵容量进行选择和优化，从而得到系统的最佳运行参数和设计参数，保证系统在最有利的情况下运行; 最后，在优化分析的基础上，模拟分析了多热源耦合热泵供暖空调系统的动态特性，得出了系统在不同运行模式下的运行效果以及土壤温度场的变化情况。选取我国严寒地区哈尔滨、长春、沈阳为对象进行计算，得出系统在不同地区的运行性能，并对多热源耦合热泵系统与传统供暖空调系统的经济性和节能性进行比较分析。 本文提出的多热源耦合热泵供暖空调系统，在充分考虑严寒地区建筑负荷特性和可再生资源输出特性的基础上，实现了能量的高效利用、转移利用和互补利用;在保证系统运行可靠性的基础上，维持了土壤换热器周围土壤的热平衡。模拟研究表明，多热源耦合热泵供暖空调系统在我国严寒地区应用具有良好的的节能效果和可行性。

目录

声明

摘要

缩略字、符号、单位表

第1章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．1．1课题背景

1．1．2课题研究目的和意义

1．2严寒地区热泵系统国内外研究现状

1．2．1严寒地区复合热源热泵系统特性研究现状

1．2．2严寒地区热泵系统优化分析研究现状

1．2．3严寒地区热泵系统研究现状总结

1．3本文主要研究内容

第2章多源耦合热泵系统构建与设计

2．1多热源耦合热泵系统构建

2．2多热源耦合热泵系统工作原理及运行控制策略

2．2．1双热源复合热泵供暖模式

2．2．2地源热泵供暖模式

2．2．3双热源复合热泵与地源热泵联合供暖模式

2．2．4分离式热管土壤蓄热模式

2．2．5供冷系列土壤直接供冷-分离式热管土壤蓄热模式

2．2．6供冷系列地源热泵供冷-分离式热管土壤蓄热模式

2．3多热源耦合热泵系统的设计

2．3．1集热／蒸发器的选定

2．3．2水冷冷凝器的选定

2．3．3埋管换热器的选定

2．4本章小结

第3章多热源耦合热泵系统模型建立与仿真

3．1多热源耦合热泵系统主要部件模型建立

3．1．1水冷冷凝器模型建立

3．1．2集热／蒸发器模型建立

3．1．3压缩机模型建立

3．1．4节流装置模型建立

3．1．5土壤换热器模型建立

3．2制冷剂充注量模型建立

3．3多热源耦合热泵系统各种模式仿真设计

3．3．1双热源复合热泵供暖模式仿真设计

3．3．2分离式热管蓄热模式仿真设计

3．3．3地源热泵供暖系统仿真设计

3．3．4地源热泵空调系统仿真设计

3．3．5土壤直接供冷系统仿真设计

3．4多热源耦合热泵系统仿真流程

3．5本章小结

第4章多热源耦合热泵系统参数优化与特性分析

4．1多热源耦合热泵系统参数优化分析

4．1．1双热源复合热泵系统最佳关闭温度的选择

4．1．2分离式热管模式最佳开启温度差的优化

4．2多热源耦合热泵系统运行特性分析

4．2．1多热源耦合热泵系统运行特性结果分析

4．2．2多热源耦合热泵系统在不同地区应用的可行性分析

4．2．3多热源耦合热泵系统经济性节能性分析

4．3本章小结

5．1结论

5．2建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果