太阳能融冰蓄热供热热泵系统研究

摘要

随着社会经济的快速发展，开发利用清洁能源一直是重要的研究课题。太阳能是一种较理想的热源，但是太阳能具有不稳定性，因此太阳能利用要采用蓄热装置来增加系统的实用性，当太阳能强度低时可启用蓄热水箱供热。　　本文研究了一种供热末端为热风的太阳能融冰蓄热供热热泵系统，以冰作为蓄热介质，太阳能充足时利用冰转化成水储存太阳能，太阳能不足时利用水转化成冰释放储存的太阳热能为热泵提供热源。系统主要由热泵机组，热水式太阳能集热器及蓄热水箱组成。本文采用实验与数值模拟相结合的方法，对系统关键部件蓄热水箱的蓄放热性能进行研究，对比冰蓄热与水蓄热系统的蓄放热能力。　　研究结果表明，冰蓄热系统中蓄热水箱的蓄热量和太阳能利用率均高于水蓄热系统。冰蓄热系统中一天的太阳能蓄热量可供热泵运行6小时，而相同工况下水蓄热系统的太阳热能储存仅能维持热泵连续运行2小时。研究发现，在午后随着太阳辐射降低以及气温的降低，太阳能集热器的集热效果大幅下降，而冰蓄热系统中循环的乙二醇水溶液温度较水蓄热系统低，因此能够在太阳能不足时吸收更多的热量。此外，冰蓄热系统中蓄热水箱内的水温较低，不仅增加了换热温差，提高了太阳能利用率，还减少了水箱向周围环境的散热，减少了热损失。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 太阳能相变蓄热研究

1.3 水相变热泵供热研究

1.4 太阳能融冰蓄热热泵系统研究

1.5 课题的研究目的及研究内容

1.5.1 课题的研究目的

1.5.2 主要研究内容

第2章 太阳能融冰蓄热供热热泵实验

2.1 系统介绍

2.2 设计计算

2.2.1 太阳能板吸热量计算

2.2.2 蓄热水箱容积计算

2.2.3 管路参数的计算

2.2.4 太阳能热水循环泵

2.2.5 热泵机组

2.2.6 各组件规格简介

2.3实验参数的测量

2.3.1自动采集部分

2.3.2 其他部分

2.3.3 测量仪器精度及测量范围

2.4 实验的运行工况

2.5 实验结果及数据分析

2.5.1 太阳辐射密度及气象参数

2.5.2 实验结果及讨论

2.5.3 实验数据分析

2.5.4 蓄放热过程中机组的耗电

2.5.5 太阳能集热器性能影响

2.5.6 太阳能集热器效率

2.5.7 实验结果对比

2.6 本章小结

第3章 蓄热水箱蓄放热过程数值建模

3.1 传热问题分析

3.2 数值模拟

3.2.1 相变问题的融化/凝固模型简介

3.2.2 数学模型的建立

3.2.2 RNG k-ε模型的两方程

3.2.3 物理模型的建立

3.3 创建三维模型

3.3.1 创建三维立体模型

3.3.2 网格划分

3.3.3 网格文件输出

3.4 求解模型

3.4.1 网格检查

3.4.2 选择求解器

3.4.3 定义材料属性

3.4.4 边界条件和初始条件

3.4.5 求解器控制参数设定

3.4.6 设置监视器

3.4.7 初始化及时间步长设定

3.4.8 收敛性和稳定性

3.5 本章小结

第4章 蓄热水箱蓄热过程模拟结果及分析

4.1 水蓄热工况

4.2 相变放热工况

4.2.1 水蓄热后的放热工况

4.2.2 融冰蓄热后的放热工况

4.3 放热后的融冰蓄热工况

4.4 连续运行工况

4.5 本章小结

第5章 基于模拟结果的实际供热工况设计计算

5.1 热负荷计算

5.1.1秦皇岛室外气候特征

5.1.2 建筑介绍

5.2 设备选型计算

5.2.1太阳能集热器面积确定

5.2.2 水箱容积确定

5.2.3 各管路参数的确定

5.2.4 水泵选型

5.2.5 辅助热源的选择

5.3 实际供热系统介绍

5.4 自动控制系统设计

5.5 实际工况的模拟

5.5.1 蓄热工况模拟

5.5.2 放热工况模拟

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢