太陽能—空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)性能研究

【摘要】： 根據(jù)單一空氣源熱泵、單一太陽能熱泵及多換熱器切換式太陽能-空氣雙熱源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種新型的太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)(Solar-Air Composite Heat Source Heat Pump System, SACHP),實(shí)現(xiàn)了對空氣、太陽能兩種可再生能源的綜合利用和優(yōu)勢互補(bǔ),尤其適合我國寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)別墅住宅和鄉(xiāng)村獨(dú)立住宅空調(diào)采暖及衛(wèi)生熱水需求,對改善城市生態(tài)環(huán)境,引領(lǐng)新農(nóng)村住宅環(huán)境建設(shè),提供了一種可行的技術(shù)方法。本文對該SACHP工作原理進(jìn)行了理論分析,建立了SACHP數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)并搭建了SACHP性能綜合測試平臺,對其制熱特性進(jìn)行了全面、深入地模擬與實(shí)驗(yàn)研究,揭示了SACHP主要特性參數(shù)的基本影響規(guī)律,為下一步開發(fā)實(shí)用型SACHP奠定了基礎(chǔ)。本文研究成果包括以下幾個(gè)方面： (1)提出并設(shè)計(jì)了SACHP,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單一空氣、太陽能-空氣、單一太陽能三種熱源工作模式,較好地解決單一熱泵源熱泵及多換熱器切換式熱泵的突出問題,為最大限度地滿足不同地區(qū)和不同用戶的需求,實(shí)現(xiàn)熱泵對多種低溫?zé)嵩吹膹?fù)合有效利用提供了可靠的系統(tǒng)保證。SACHP已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。 (2)提出并設(shè)計(jì)了太陽能-空氣雙熱源復(fù)合換熱器,該換熱器具有管翅式和套管式換熱器的雙重功能,突破了傳統(tǒng)換熱器中熱泵工質(zhì)只能與單一氣態(tài)或液態(tài)熱源進(jìn)行換熱的模式,可實(shí)現(xiàn)熱泵工質(zhì)在同一換熱器中與空氣和太陽能熱媒兩種熱源進(jìn)行同步耦合換熱,為實(shí)現(xiàn)對太陽能、空氣兩種熱源的同步復(fù)合利用奠定了技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)。該換熱器已獲國家實(shí)用新型專利授權(quán),發(fā)明專利已通過初審,進(jìn)入公開階段。 (3)依據(jù)復(fù)合換熱器中復(fù)合熱源的耦合換熱特性,提出了“復(fù)合熱源有效溫差”和“復(fù)合熱源最大有效溫差”的概念。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,擬合出了最大有效復(fù)合換熱溫差關(guān)聯(lián)式,可用作復(fù)合熱源有效溫差范圍的預(yù)測計(jì)算?！皬?fù)合熱源有效溫差”的研究對SACHP熱源工作模式和控制策略的確定、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及適用范圍界定具有重要的意義。 (4)建立了復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。采用集中參數(shù)法建立了SACHP模型,對太陽能-空氣雙熱源工作模式下系統(tǒng)的制熱特性進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了空氣熱源溫度,太陽能熱媒流量及溫度,以及雙熱源有效溫差對太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,二者變化趨勢相同,能夠較好吻合。 (5)設(shè)計(jì)并搭建了SACHP性能實(shí)驗(yàn)平臺,分別完成了復(fù)合熱源熱泵在三種熱源工作模式下系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在0℃以上環(huán)境溫度工況范圍,SACHP按單一空氣熱源模式運(yùn)行,在0℃-10℃低溫環(huán)境溫度工況范圍內(nèi),SACHP按太陽能-空氣雙熱源模式運(yùn)行,在-10℃以下的超低溫環(huán)境溫度工況下,SACHP按單一太陽能熱源模式運(yùn)行能較好地滿足用戶供熱需求。 (6)初步確立了SACHP的氣候適用區(qū)域和各區(qū)域的熱源工作模式。依據(jù)國家建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、太陽能資源分布及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,提出SACHP更適合于在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)推廣應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 空氣 復(fù)合熱源 換熱器 熱泵 系統(tǒng)性能
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TU831.3
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 緒論12-25
• 1.1 課題背景12-17
• 1.1.1 城鎮(zhèn)居住環(huán)境亟待改善的問題12
• 1.1.2 我國太陽能資源分布及熱利用狀況12-14
• 1.1.3 太陽能空氣源復(fù)合利用特點(diǎn)14-17
• 1.2 課題研究現(xiàn)狀17-23
• 1.2.1 空氣源熱泵17-18
• 1.2.2 太陽能熱泵18-21
• 1.2.3 復(fù)合熱源熱泵21-23
• 1.3 本課題主要研究內(nèi)容23-25
• 2 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵技術(shù)及理論分析25-31
• 2.1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵技術(shù)相關(guān)概念25-26
• 2.2 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理及特點(diǎn)26-28
• 2.2.1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)組成及工作原理26-28
• 2.2.2 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)28
• 2.3 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析28-31
• 2.3.1 復(fù)合換熱技術(shù)方法28-29
• 2.3.2 熱源工作模式及區(qū)域適應(yīng)性29
• 2.3.3 復(fù)合熱源有效溫差的研究29-31
• 3 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)模擬31-54
• 3.1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵模型31-46
• 3.1.1 太陽能-空氣雙熱源復(fù)合換熱器(蒸發(fā)器)模型31-37
• 3.1.2 壓縮機(jī)模型37-38
• 3.1.3 冷凝器模型38-44
• 3.1.4 毛細(xì)管模型44-46
• 3.2 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)模型46-47
• 3.3 計(jì)算結(jié)果與分析47-53
• 3.3.1 太陽能熱媒對系統(tǒng)性能的影響48-52
• 3.3.2 復(fù)合換熱溫差對系統(tǒng)性能的影響52-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 4 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究54-73
• 4.1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)54-60
• 4.1.1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)與選型54-56
• 4.1.2 循環(huán)工質(zhì)56-58
• 4.1.3 太陽能-空氣雙熱源復(fù)合換熱器58-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)條件及測量裝置60-63
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)63-67
• 4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理67-69
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定度分析69-73
• 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論73-97
• 5.1 單一空氣熱源工作模式SACHP性能73-74
• 5.2 太陽能-空氣雙熱源工作模式SACHP性能74-84
• 5.2.1 復(fù)合熱源溫差對系統(tǒng)性能的影響74-79
• 5.2.2 太陽能熱媒對系統(tǒng)性能的影響79-84
• 5.3 單一太陽能熱源工作模式SACHP性能84-89
• 5.4 不同熱源模式對比分析89-94
• 5.5 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)氣候適應(yīng)性分析94-95
• 5.6 計(jì)算模型驗(yàn)證95-97
• 6 結(jié)論與展望97-101
• 6.1 主要研究成果97-99
• 6.2 研究展望99-101
• 致謝101-102
• 參考文獻(xiàn)102-109
• 博士期間發(fā)表的論文及參與的科研工作109-111

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