太阳能热水和热泵复合热源的辐射供暖系统的优化设计研究

【摘要】：为满足我国生态文明建设的发展需求,本文研究了一种采用太阳能和热泵作为热源的建筑辐射供暖系统,以南京地区的一栋供暖面积为335.740m2的三层别墅型住宅建筑为研究对象,通过系统建模和模拟分析的方法展开研究工作,主要研究成果包括以下五个方面：1、利用DeST软件模拟建筑逐时负荷,得到供暖期的建筑总能耗为65047.869MJ。设计采用舒适、节能环保的太阳能热水和热泵复合热源的辐射供暖系统,对系统中的太阳能集热器、蓄热水箱和空气源热泵进行理论分析和数学模型建立,并对部分设备进行了选型。2、根据理论计算模型得出7组典型设计参数,以蓄热水箱体积与集热面积的比值(VAR)表示分别为0.027m,0.033m,0.041m,0.053m,0.073m,0.115m和0.235m。3、利用TRNSYS软件建立系统模型,根据以上7组参数进行系统模拟研究,结果显示：VAR在0.027-0.235m范围内变化时,平均集热效率在0.373～0.488之间,日平均有效集热量在278.996-295.506MJ之间,供暖期热泵的耗电量在2718～2905kWh之间。4、根据TRNSYS软件模拟结果,优化研究太阳能集热系统的集热面积、蓄热水箱体积和集热温度。从系统投资(费用年值法)、蓄热水箱中水温的变化情况以及太阳能保证率方面研究,结果表明：VAR在0.053～0.073m范围内时,系统费用年值较低,此时集热过程中蓄热水箱内的平均水温可达42y47℃,能够满足辐射末端供水温度的要求,供暖期太阳能保证率在53.258%左右,VAR的变化对系统的太阳能保证率影响小于5.750%。设计研究以VAR=0.053m为例,Ac=64m2,Vw=3.403m3,建筑供暖面积与集热面积的比值为5.2：1,供暖期的太阳能保证率为53.104%。5、根据优化后的设计参数从经济效益、节能环保效益方面,对太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统与燃油锅炉、燃气锅炉、电辅助太阳能供暖系统进行对比分析。结果显示：太阳能热水和热泵复合热源的供暖方案的费用年值最低,为10246元／年,且该系统每年可节省标准煤为2.555吨,二氧化碳减排量为6.801吨。本文模拟研究了太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统的运行和应用特性,对南京地区太阳能供暖系统设计和设备选型具有借鉴作用。 【关键词】：太阳能 供暖系统 优化 经济性 节能环保
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 主要符号表8-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景与意义9-12
• 1.1.1 我国供暖能耗现状9
• 1.1.2 太阳能的利用特点9-10
• 1.1.3 太阳能与热泵的复合方式10-11
• 1.1.4 毛细管辐射空调系统的特点11-12
• 1.2 课题国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 存在的问题与解决方案14
• 1.3 本课题研究内容和方法14-16
• 第二章 建筑全年逐时能耗模拟16-21
• 2.1 建筑概况及模型建立16-18
• 2.1.1 建筑概况介绍16-18
• 2.1.2 建筑模型建立18
• 2.2 建筑全年能耗模拟18-21
• 2.2.1 相关参数设定18-19
• 2.2.2 模拟结果分析19-21
• 第三章 太阳能热水和热泵复合热源的辐射供暖系统系统设计21-34
• 3.1 太阳能热水和热泵复合热源的辐射供暖系统系统介绍21-22
• 3.1.1 系统工作方式21-22
• 3.1.2 系统控制方法22
• 3.2 太阳能集热系统数学模型22-29
• 3.2.1 太阳辐射量计算模型22-24
• 3.2.2 集热器数学模型24-26
• 3.2.3 集热效率计算方法26-28
• 3.2.4 集热面积计算方法28
• 3.2.5 集热器的安装倾角28-29
• 3.3 蓄热水箱设计计算29-30
• 3.3.1 蓄热水箱数学模型29-30
• 3.3.2 蓄热水箱体积计算30
• 3.4 空气源热泵设计选型30-32
• 3.4.1 空气源热泵工作原理31
• 3.4.2 空气源热泵性能系数31-32
• 3.4.3 空气源热泵的选型32
• 3.5 集热系统循环泵的选型32-34
• 第四章 太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统的模拟优化34-54
• 4.1 太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统模型建立34-35
• 4.2 设计参数理论计算35-38
• 4.2.1 太阳辐射强度模拟35-36
• 4.2.2 设计参数范围确定36-38
• 4.3 太阳能集热系统模拟与分析38-44
• 4.3.1 集热效率与有效集热量模拟39-43
• 4.3.2 模拟结果总结与分析43-44
• 4.4 空气源热泵能耗模拟与分析44-46
• 4.4.1 空气源热泵供热量模拟44-45
• 4.4.2 空气源热泵能耗分析45-46
• 4.5 太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统优化分析46-51
• 4.5.1 系统投资对比与分析46-48
• 4.5.2 水箱水温变化情况分析48-49
• 4.5.3 太阳能保证率分析49-50
• 4.5.4 设计参数优化结果50-51
• 4.6 太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统特性研究51-54
• 4.6.1 特性参数模拟与研究51-53
• 4.6.2 模拟结果总结53-54
• 第五章 太阳能热水和热泵复合热源的供暖系统效益分析54-59
• 5.1 经济效益分析54-57
• 5.1.1 经济效益评价方法54
• 5.1.2 经济效益对比分析54-57
• 5.2 节能环保效益分析57-59
• 5.2.1 节能效益分析57
• 5.2.2 环保效益分析57-59
• 第六章 结论与展望59-61
• 6.1 结论59-60
• 6.2 不足与展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利情况65

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