太阳能潜热蓄热装置参数优化及热泵系统TRNSYS模拟

摘要

随着国家经济技术的日益发展，太阳能热泵技术得到了快速的发展，相变蓄热技术也受到越来越多的关注。本文主要对太阳能热泵系统进行了理论分析、模拟计算及实验研究，主要研究了以下几个方面:对潜热蓄热装置的进口温度、进口流速、蓄热体间距等的优化;蓄热装置的使用对太阳能热泵系统性能的影响;蓄热材料对集热器进出口温度、蒸发器侧进出口温度及热泵COP的影响。
　　 利用Fluent软件对潜热蓄热装置的蓄/放热性能进行模拟分析，探讨了影响蓄热装置蓄热性能的主要因素并对其进行了优化;根据优化的结果对相变蓄热装置的放热情况进行了模拟，探讨了蓄热体直径变化对蓄热过程的影响。模拟的结果表明:蓄热装置的进口温度、进口流速、蓄热体的间距等都是影响蓄热装置蓄/放热性能的主要因素。在实际的工程应用中，建议对相变蓄热装置的进口温度设定不能低于40℃;当传热介质的流速从0.04m/s增大到0.08m/s时，蓄热材料的融化过程并没有明显加快;但是，当流速为0.03m/s时，12000s之前石蜡基本没有融化，其融化过程太过于缓慢，不能充分发挥相变蓄热的作用。因此，建议蓄热装置的进口流速为0.04m/s;当蓄热体间距小于55mm或者大于65mm时，液相分数的变化较大并且都有很大程度的降低;但是，当蓄热体的间距在55mm～65mm之间变化时，液相分数随着模拟过程的进行变化很小;因此，为了充分利用相变材料的潜热蓄热量，减少蓄热材料的蓄热时间，蓄热体的间距为55mm～65mm时蓄热性能较好。
　　 利用TRNSYS软件对太阳能潜热蓄热热泵系统建立仿真模型。依据中国建筑热环境典型年的气象数据对典型日、典型月、典型年的太阳能集热器集热量、集热器获得的有用能、集热器的平均效率，系统供热性能COP的变化等进行分析。仿真结果表明:对整个采暖季来说，集热器获得的有用能增加了5.52％，有相变时热泵的COP略低于无相变时;蓄热装置的使用可以提高系统的COP，3月份最大为3.41，1月份最小为3.01。
　　 建立了太阳能热泵系统实验平台，进行了实验研究。探讨了蓄热材料的使用对集热器进出口温度的、热泵蒸发侧进出水温度及热泵COP的影响。
　　 结果表明:有相变蓄热时，热泵的COP较低，最大差值为0.43，最小为0.24。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．2．1 传统能源利用现状

1．2．2 我国的太阳能资源

1．2．2 太阳能热泵技术

1．2．3 太阳能蓄热技术

1．3 课题研究现状

1．3．1 太阳能热泵研究现状

1．3．2 蓄热技术研究现状

1．4 目前研究存在的问题

1．5 本文的主要研究内容

第二章 太阳能热泵系统各部件模型选择

2．1 TRNSYS软件简介

2．2 太阳能集热器模型

2．3 相变蓄热系统模型

2．3．1 相变材料及其特点

2．3．2 相变传热过程计算模型

2．3．3 蓄热量计算

2．4 水源热泵计算模型

2．5 房间负荷数学模型

2．6 辅助热源的选择

2．7 小结

第三章 潜热蓄热装置传热性能数值模拟分析

3．1 相变传热问题数值求解方法

3．2 FLUENT软件及凝固融化模型

3．2．1 Fluent的求解步骤

3．2．2 solidification／melting模型

3．3 数学模型的建立

3．3．1 Fluent软件的参数设置

3．3．2 相变材料融化过程模拟分析

3．4 蓄热系统运行参数对相变蓄热过程的影响

3．4．1 传热介质的温度对相变材料特性的影响

3．4．2 进口流速对蓄热装置蓄热特性的影响

3．4．3 蓄热体间距对蓄热特性的影响

3．4．4 相变蓄热装置放热时的凝固过程分析

3．5 本章小结

第四章 热泵系统TRNSYS模拟分析

4．1 TRNSYS系统仿真模型的建立

4．1．1 太阳能相变蓄热热泵系统的TRNSYS各组件

4．1．2 各组件的信息流程图

4．1．3 软件瞬态模拟

4．1．4 软件微分方程的求解

4．1．5 系统仿真程序的调试

4．2 TRNSYS仿真标准部件

4．3 设计工况

4．3．1 仿真部件参数

4．3．2 仿真模拟气象参数

4．3．3 仿真系统模型图

4．3．4 仿真系统控制策略

4．4 太阳能潜热蓄热热泵系统仿真模拟

4．4．1 典型日的系统仿真模拟结果

4．4．2 最冷月的系统仿真模拟结果

4．4．3 典型年的能量消耗分析

4．5 系统运行的经济性分析

4．6 小结

第五章 太阳能相变蓄热热泵系统的实验分析

5．1 实验系统介绍

5．1．1 实验原理图

5．1．2 实验设备

5．2 实验研究内容

5．3 实验数据分析

5．3．1 蓄热材料对集热器进出口温度的影响

5．3．2 蓄热材料对热泵蒸发侧温度的影响

5．3．3 蓄热材料对热泵COP的影响

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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