双热源多功能热泵系统的理论和实验研究

发布时间：2020-09-29 12:00

　　 随着经济快速发展和人民生活水平不断提高,我国能源消费量持续上升,过度消耗化石能源引起生态破坏,"以煤为主"的能源结构造成城市大气污染,导致生态环境压力越来越大,能源环境问题受到广泛关注,成为亟待解决的关键问题。因此,提高可再生能源在能源结构中的比例,探索更高效的能源利用方法,是实现我国社会可持续发展的重要保障。通过将热泵技术与太阳能利用技术结合,太阳能热泵技术(solar assisted heat pump,SAHP)将太阳能作为热泵系统的热源,一方面太阳能可以有效提高热泵系统蒸发温度,进而提高热泵系统性能,另一方面,热泵系统的制冷工质作为冷却介质,可以及时带走太阳能集热系统的热量,有效提高集热效率。根据太阳能集热介质,太阳能热泵系统可以分为:直接膨胀式太阳能热泵系统(DX-SAHP)和间接膨胀式太阳能热泵系统(IX-SAHP)。直接膨胀式太阳能热泵系统在太阳辐照强度高的情况下,可以达到较高的运行效率,但是由于太阳辐照以及其它室外环境条件的随机变化,导致直接膨胀式太阳能热泵系统的运行性能不稳定。间接膨胀式太阳能热泵系统利用储热水箱储存所收集的太阳能,可以有效解决太阳辐射与加热负荷之间不匹配的问题,实现系统稳定运行,但是同时也导致了系统结构复杂,初始投资大等问题。本文针对间接膨胀式太阳能热泵系统和直接膨胀式太阳能热泵系统在应用中存在的问题,提出了双热源多功能热泵系统和并联式双热源热泵系统,对其展开了深入研究,主要研究工作包括:提出双热源多功能热泵系统,该系统可以利用太阳能和空气源实现制冷、制热和制热水,能够在全年高效运行。设计并搭建双热源多功能热泵系统,基于太阳能热泵空调性能检测平台提供的稳定外界环境,针对太阳能制热模式和太阳能制热水模式在不同运行策略下运行时,不同初始条件和边界条件对系统性能的影响进行了实验研究。结果表明,太阳能制热水模式中,初始水温越高,蒸发侧和冷凝侧换热功率越高,对应的系统耗功量和COP越高。太阳能制热模式中,提高初始水温可以显著提高蒸发侧和冷凝侧换热功率,对应的系统耗功量和COP也随之升高,当太阳能集热系统和多功能热泵系统同时运行时,太阳辐照强度升高,蒸发侧和冷凝侧换热量均上升,COP也随之升高。根据第二定律分析可知,对于双热源多功能热泵系统的太阳能制热水模式和太阳能制热模式,当蒸发侧有太阳辐照输入时,由于蒸发侧和冷凝侧换热功率升高,系统的(?)效率也随之升高。在太阳能制热水模式中,当生活用水箱水温随着加热过程升高时,系统的(?)效率升高。在太阳能制热模式中,低温热源温度随着制热过程降低,而高温热源温度保持不变,因此系统(？)效率也随之升高。建立了双热源多功能热泵系统的动态数学模型,并利用实验数据验证模型的准确性,模拟结果与实验结果的均方根误差小于5%。基于经验证的动态数学模型,对系统在不同运行条件的性能进行了模拟预测。为了充分利用太阳能,降低系统能耗,满足热需求,分别针对供暖季节和非供暖季节制定了双热源多功能热泵系统的全年控制策略。基于全年运行的控制策略,利用所建立的双热源多功能热泵理论模型,对系统在合肥(32° N,117° E)、北京(40° N,116° E)和西宁(37° N,102° E)的全年运行性能进行了模拟计算,该系统能够全年在以上三个地区以较高的COP运行。针对直接膨胀式太阳能热泵系统和传统空气源热泵热水系统在运行中存在的问题,提出了并联式双热源热泵系统。在该系统中,PV/T蒸发器与空气源蒸发器并联,系统可以同时从外界环境和太阳辐照中获取能量以产出热水和电。通过建立并联式双热源热泵系统动态模型,研究不同太阳辐照强度、不同环境温度以及不同光伏电池覆盖率对PV/T蒸发器的光伏光热性能和系统总体性能的影响。模拟结果表明,并联式双热源热泵系统中,PV/T蒸发器和空气源蒸发器可以在不利的运行条件下起到互补作用。当系统中盘管水箱水温升高时,空气源蒸发器换热功率降低,PV/T蒸发器换热功率升高,可以降低水箱水温升高所造成的不利影响。当太阳辐照强度处于较低水平时,PV/T蒸发器换热功率降低,此时,空气源成为主要的热源。随着太阳辐照强度升高,PV/T蒸发器换热功率增大,空气源蒸发器换热功率减小,冷凝侧换热功率增大,流入PV/T蒸发器的制冷工质质量流量增大,PV/T蒸发器的光热效率和光伏效率降低,系统耗功量增大,COP增大。当辐照强度分别为1OOW/m2、200W/m2和300W/m2时,PV/T蒸发器的平均光热效率分别为49.27%、45.40%和44.16%,平均光伏效率分别为15.54%、15.46%和15.36%,系统平均COP为2.25、2.45和2.66。环境温度越高,空气源蒸发器和PV/T蒸发器从环境中获得的热量增多,蒸发侧换热功率增大,冷凝侧换热功率随之增大,空气源蒸发器中制冷工质的质量流量增大,PV/T蒸发器的光热效率升高,光伏效率降低,系统耗功量增大,COP增大。当环境温度从10℃上升到30℃时,PV/T蒸发器光热效率从49.27%上升到78.72%,光伏效率从15.54%降低到14.81%,系统COP从2.26上升到3.08。并联式双热源热泵系统中,PV/T蒸发器的光伏电池覆盖率增高时,对应的光伏效率和发电量增大,而光热效率和换热功率降低,空气源蒸发器中的制冷工质质量流量增大,系统的COP和PV/T蒸发器的光伏光热综合效率升高。当PV/T蒸发器的光伏电池覆盖率从0增大到1时,PV/T蒸发器的光伏效率从0上升到16.29%,光热效率从55.88%下降到44.64%,PV/T蒸发器的光伏光热综合效率从55.88%增大到87.51%,系统COP从2.14增大到2.32。与采用普通太阳能集热器的并联式双热源热泵系统相比,采用PV/T集热器作为蒸发器的系统具有更高的COP和更高的光伏光热综合效率。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK51
【部分图文】：

高设备的利用率。其中，针对具有制热水、供暖和制冷功能的多功能热泵的研究逡逑最为广泛深入，该系统采用增设水源换热器来收集冷凝热，以实现热泵在制冷或逡逑采暖的同时制取热水，典型的多功能热泵系统原理图如图１．１所示。逡逑３逡逑

我国地域辽阔，拥有丰富的太阳能资源，全国平均太阳能年辐照总量为逡逑５８５２ＭＪ／ｍ２。我国西部地区的太阳能资源比东部地区丰富，低海拔地区太阳能年逡逑辐照总量低于高海拔地区，如图１．２所示。根据太阳能年辐照总量的不同，可以逡逑５逡逑

为我国的节能减排、环境保护做出了巨大贡献１２４］。目前太阳能热水器是最为成熟、逡逑应用最为广泛的太阳能光热利用技术。根据集热工质的循环方式，太阳能热水系逡逑统可以分为：自然循环式、强迫循环式、直流式以及闷晒式，系统结构如图１．３逡逑所示１２５］。在自然循环式太阳能热水系统中，蓄热水箱位于集热器上方，水在太阳逡逑能集热器中接受太阳辐射的加热，温度上升，导致收集器及储水箱中水温不同而逡逑产生密度差，因此引起浮力，利用热虹吸现象驱动水在蓄水箱及太阳能集热器之逡逑间自然流动。强迫对流式太阳能热水系统利用水泵驱动水循环，与自然循环方式逡逑相比，该方式具有可以获得较高水温的优点，但因其必须利用水泵，因此存在需逡逑要水力和电力维护，控制装置启停，设备容易损坏等问题。直流式太阳能热水系逡逑统中，传热工质一次流过集热器加热后便进入储热水箱。在闷晒式太阳能热水系逡逑统中

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 梁伟;全国热泵技术交流会[J];暖通空调;2001年02期

2 ;第十届全国冷(热)水机组与热泵技术研讨会在合肥召开[J];制冷技术;2001年04期

3 王艮;第十届全国冷(热)水机组与热泵技术研讨会在合肥举行[J];制冷;2001年04期

4 ;第十一届全国冷(热)水机组与热泵技术研讨会征文通知[J];流体机械;2003年02期

5 王艮;第11届全国冷(热)水机组与热泵技术研讨会召开[J];制冷;2003年03期

6 高新宇;;热泵系统在推广中应注意的问题[J];工程建设与设计;2007年07期

7 赵巍;;热泵技术的发展现状与其展望[J];黑龙江科技信息;2008年28期

8 朱建国;段惠娟;尹世广;陈杰;;推动水(地)源热泵技术应用[J];建设科技;2008年17期

9 王艳;;热泵发展历史[J];节能;2009年06期

10 佐々木;京子;郭廷杰;;日本大力推广热泵、蓄热系统应用情况简介(二)——从空气中回收能源的热泵[J];节能;2009年07期

相关会议论文 前10条

1 李常瑜;;浅析热泵的应用[A];中国工程建设标准化协会建筑给水排水专业委员会、中国土木工程学会水工业分会建筑给水排水委员会20周年庆典论文集[C];2007年

2 孙晓军;;热泵·控制概述[A];2007年山东省制冷空调学术年会论文集[C];2007年

3 允川;尚会建;蒋梁鹤;王亮;杨立彦;郑学明;;环保节能的热泵技术[A];中国化学会第27届学术年会第05分会场摘要集[C];2010年

4 郑爱平;华舟萍;康彦青;马乐;;热泵技术的特点及其在国内的应用与发展[A];第一届中国（西安）采暖通风、制冷空调节能减排技术研讨会论文集[C];2009年

5 朱瑞琪;吴业正;;对我国热泵产品发展的看法[A];第十届全国冷（热）水机组与热泵技术研讨会论文集[C];2002年

6 谢栋辉;李文伟;;污水热泵在城市建筑供热、供冷中的应用[A];中国地热资源开发与保护——全国地热资源开发利用与保护考察研讨会论文集[C];2007年

7 郑爱平;孔帅;杨刚;;热泵技术及其在国内的应用分析[A];07’中国西安能源动力科技创新研讨会及展示会论文集[C];2007年

8 黄焕璋;;新能源的开发与热泵技术的应用[A];可再生能源开发利用研讨会论文集[C];2008年

9 王平;董敬宇;董际鼎;;地能热泵与空气能热泵技术实用价值与节能效果探讨[A];中国制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年

10 徐文忠;冯永华;;火电厂循环冷却水废热热泵回收利用问题研究[A];2007年山东省制冷空调学术年会论文集[C];2007年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 段金平;北京鼓励利用热泵系统供热制冷[N];地质勘查导报;2006年

2 本报记者 房菲;热泵：为何十年才做出十个亿[N];中国能源报;2009年

3 记者 操秀英;新型热泵技术将工业废水变暖流[N];科技日报;2011年

4 李涛涛;凌天科技与中南大学“联姻”[N];湘潭日报;2007年

5 邓未未;热泵 绿色供暖新技术[N];北京日报;2008年

6 姜雨新;济南召开节能热泵技术交流会[N];中国环境报;2007年

7 本报记者 段金平　本报通讯员 赵瑛 王希强;为“低碳中国”添彩[N];地质勘查导报;2010年

8 刘存瑞;节能热泵技术受重视[N];经济日报;2007年

9 本报记者 李霞;大连冰轮友联在节能环保领域创新发展铸辉煌[N];中国高新技术产业导报;2007年

10 本报记者 姚蓉;热泵技术离我们有多远[N];中国花卉报;2010年

相关博士学位论文 前10条

1 蔡靖雍;双热源多功能热泵系统的理论和实验研究[D];中国科学技术大学;2017年

2 钱剑峰;采集凝固热热泵系统的形式与工况分析[D];哈尔滨工业大学;2008年

3 陈轶光;内燃机热泵独立供能系统的理论模拟与实验研究[D];天津大学;2010年

4 牛福新;三套管蓄能型热泵集成系统运行特性研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

5 赖海明;氯化钙—甲醇化学热泵的研究[D];北京化工大学;1992年

6 王潇;季节性蓄热太阳能—土壤耦合热泵系统运行特性及优化[D];哈尔滨工业大学;2011年

7 赵海波;空气源燃气机热泵的仿真优化及实验验证[D];天津大学;2007年

8 周湘江;HFC125临界热泵特性研究[D];上海交通大学;2006年

9 齐子姝;地能利用热泵系统能量多样化机制及其效能[D];吉林大学;2012年

10 杨福胜;基于数值模拟的升温型金属氢化物热泵系统优化研究[D];西安交通大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 严瑞东;基于部件优化的电动汽车热泵系统性能提升研究[D];上海交通大学;2015年

2 冀佳蓉;热泵技术及其在空冷热电厂的应用研究[D];华北电力大学;2015年

3 徐鹏;新型太阳能光伏—热泵复合建筑供能系统性能研究[D];北京工业大学;2015年

4 唐景立;余热回收式水源热泵的实验研究[D];湖南科技大学;2015年

5 郜骅;热源塔热泵系统性能与优化运行研究[D];东南大学;2015年

6 彭旭;烟气源热泵系统开发及绕管式冷凝器研究[D];郑州大学;2016年

7 姚志敏;开式吸附热泵生成蒸汽的实验研究及系统分析[D];郑州大学;2016年

8 汤玲玲;矿井回风源热泵系统的设计与性能分析[D];合肥工业大学;2016年

9 贺志明;闭式热源塔制热工况运行性能分析[D];湖南大学;2015年

10 林涛;全年工况下热源塔热泵系统性能分析与运行优化研究[D];东南大学;2016年

本文编号：2829701