太陽能熱泵潛熱蓄熱供暖系統(tǒng)性能研究.pdf

1、近20多年來，太陽能熱泵系統(tǒng)的研究工作在國際上已成為可再生能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且已取得了很大的進(jìn)步。在我國，有將近70％的地區(qū)需要供暖，而這些地區(qū)絕大部分都以煤為主要燃料，這無疑加劇了化石能源的消耗和對環(huán)境的污染。太陽能熱泵潛熱蓄熱(Solar Assisted Heat Pump with Latent Thermal Energy Storage，簡稱SAHPLTES)供暖系統(tǒng)是一種新型的節(jié)能、環(huán)保系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以太陽能作為主

2、要熱源的熱泵系統(tǒng)，是利用太陽熱進(jìn)行供暖一種非常有效的形式。
　　本文在總結(jié)了國內(nèi)外太陽能熱泵技術(shù)與潛熱蓄熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，將二者有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了 SAHPLTES供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是由太陽能集熱系統(tǒng)、潛熱蓄熱裝置(Latent Thermal Energy Storage Tank，簡稱LTEST)、熱泵機(jī)組、供暖末端裝置以及輔助熱源組成。在本文研究中，以CaCl2·6H2O作為潛熱蓄熱材料，土壤源熱泵作為輔助熱源。本文以

3、SAHPLTES供暖系統(tǒng)為研究對象，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了一些研究：
　　首先，介紹了系統(tǒng)在不同的供暖階段系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式及運(yùn)行原理。并利用有限時(shí)間熱力學(xué)理論建立了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析模型，并通過優(yōu)化分析，得出了在給定的熱負(fù)荷以及氣象參數(shù)條件下，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)(系統(tǒng)運(yùn)行年限內(nèi)總費(fèi)用)最優(yōu)時(shí)，系統(tǒng)各部分的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如最佳集熱器面積、最佳集熱器出口溫度等。同時(shí)還考察了系統(tǒng)各部分主要性能參數(shù)對系統(tǒng)優(yōu)化特性的影響，在此基礎(chǔ)上，對 LTE

4、ST的蓄熱容量進(jìn)行了相應(yīng)的匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。該部分工作可以為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能評價(jià)提供理論支持。
　　其次，建立了系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型，其中著重建立了 LTEST內(nèi)部傳熱的數(shù)學(xué)模型，該模型主要由換熱器、水以及 PCM數(shù)學(xué)模型聯(lián)立組成，其中PCM采用等溫相變焓法模型，該模型具有無須對 PCM分區(qū)建立模型，且不用跟蹤相變邊界的優(yōu)點(diǎn)。并在上述模型基礎(chǔ)上，制定了SAHPLTES供暖系統(tǒng)各部分的開啟/關(guān)閉條件，進(jìn)而得出了運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換

5、條件，為模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性奠定基礎(chǔ)。
　　再次，在所建立的系統(tǒng)數(shù)理模型及模式轉(zhuǎn)換控制條件基礎(chǔ)上，模擬了在哈爾濱地區(qū)整個(gè)供暖期內(nèi)，當(dāng)供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷為10kW時(shí)，SAHPLTES供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，考察了系統(tǒng)在不同供暖階段的主要運(yùn)行模式、供暖效果以及系統(tǒng)各部分狀態(tài)參數(shù)的變化。同時(shí)改變供暖地區(qū)的地理參數(shù)與氣象參數(shù)，模擬預(yù)測了該系統(tǒng)在全國幾個(gè)不同緯度典型地區(qū)的供暖效果，通過分析比較得出了該系統(tǒng)應(yīng)用效果比較好的地區(qū)。
　　另外，在

6、本文的研究中，還對系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，包括集熱器面積、PCM膠囊的封裝尺寸、LTEST內(nèi) PCM質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，對系統(tǒng)在整個(gè)供暖期內(nèi)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，在哈爾濱地區(qū)對應(yīng)10kW建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷來說，SAHPLTES供暖系統(tǒng)集熱器面積選取在60m2左右是比較合理的，LTEST內(nèi)PCM質(zhì)量百分?jǐn)?shù)宜選取在70%。
　　最后，為了考察 SAHPLTES供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性，同時(shí)驗(yàn)證本文所建數(shù)學(xué)模型的正確性，建立了 SAH

7、PLTES供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在2007年11月15日至2008年3月31日選擇典型天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在相同的條件下，應(yīng)用本文所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，通過比較發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文建立數(shù)學(xué)模型的正確性和可靠性。
　　SAHPLTES供暖系統(tǒng)是一種新型的供暖系統(tǒng)，由于經(jīng)濟(jì)性等原因，目前該系統(tǒng)在實(shí)際中還不可能得到廣泛的應(yīng)用，但是隨著常規(guī)能源的日益枯竭、能源價(jià)格的逐漸上漲、環(huán)保壓力的不斷增加，同時(shí)還由于太陽能供暖、空調(diào)技術(shù)的