太阳能—地源热泵复合系统的模拟优化

【摘要】：本文以实验为基础对螺杆地源热泵机组理论模型中的多变指数进行了修正,建立了螺杆地源热泵机组的灰箱模型,编写了以此灰箱模型为基础的螺杆地源热泵机组FORTRAN模拟程序。模拟了R22为制冷剂螺杆地源热泵机组的运行特性。分析夏季制冷、冬季制热两种运行工况下不同蒸发器入口水温、冷凝器入口水温及压缩机输气量对机组的制冷量、制热量、压缩机功耗及COP的影响。 通过对热泵机组的模拟获得不同输气量条件下热泵机组随蒸发器入口水温和冷凝器入口水温变化的运行数据,以此数据为基础,结合地源热泵机组的实际控制方式在TRNSYS环境中搭建热泵机组模拟模块,此方法避免了热泵机组程序的重复计算加快了模拟速度,同时比简单的满负荷的启停控制策略增加了模拟精度,更加符合热泵机组的实际运行状况。使系统小步长的长时间模拟更加准确快速。 对利用太阳能在5月1日到10月1日期间为地源热器蓄热的方法进行了模拟,验证了利用太阳能资源比较丰富的时间进行蓄热的可行性。确定了不同集热器面积下的太阳能蓄热水泵的流量的计算方法。 提出了太阳能交替蓄热-地源热泵系统,以沈阳地区某建筑为具体研究对象,建立包括太阳能集热器、地源热泵机组、地源换热器、控制系统、气象参数、水泵和建筑负荷在内的复合系统的TRNSYS动态模型。对常规地源热泵系统和不同集热器面积的太阳能交替蓄热-地源热泵系统进行了长达9年的模拟。 对常规地源热泵和不同面积太阳能集热器面积的太阳能交替蓄热-地源热泵系统的瞬时制热能力、制冷能力、制热能耗、制冷能耗进行了模拟,并进行了逐年积分,对于制热能力不足的系统引入冬季制热辅助热源(燃煤锅炉),把耗电折合成燃煤,得出了不同系统的综合能耗、能效、燃煤量,CO2、SO2、NO2的排放量。 沈阳地区存在冷热负荷不平衡的问题,如果采用常规方式的地源热泵系统,这种冷热负荷的不平衡将造成地温均值的下降,从而引起冬季地源热泵机组的保护性停机,无法满足用户的冬季供热需求,而采用太阳能冬季补热的形式由于沈阳地区冬季太阳能集热效果差,需要较大集热器面积和集热效果更好的真空管热管集热器,极大的提高了初投资。而利用太阳能资源丰富的时间进行蓄热可以使用价格相对较低的平板型太阳能集热器即可达到较好的集热效果。 得出了太阳能交替蓄热-地源热泵系统可以在不使用冬季辅助热源的情况下,实现地下温度场的动态稳定,既能改善地源热泵冬季供热能力不足又不会引起夏季制冷能力的下降,在所研究的建筑中平板型太阳能集热器面积达到400m2时,太阳能交替蓄热-地源热泵系统既可以为用户提供满足舒适度要求的冷热量,又具有较高的能效比和环境效益,是最优配置。 【关键词】：地源热泵 交替蓄热 冷热负荷不平衡 TRNSYS
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU831
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太阳能-地源热泵系统11-16
• 1.2.1 太阳能-地源热泵系统简介11-14
• 1.2.3 制冷模式14-15
• 1.2.4 蓄热模式的优点15-16
• 1.3 太阳能和地源热泵复合系统的研究现状16-18
• 1.3.1 国外16-17
• 1.3.2 国内17-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-19
• 第2章 螺杆地源热泵机组的模拟、实验及分析析19-39
• 2.1 地源热泵机组的数学模型19-28
• 2.1.1 蒸发器模型20-23
• 2.1.2 冷凝器模型23-25
• 2.1.3 螺杆压缩机模型25-27
• 2.1.4 节流阀27
• 2.1.5 制冷剂27
• 2.1.6 压缩机电机效率27-28
• 2.2 地源热泵机组模拟程序28-30
• 2.2.1 机组技术数据28-29
• 2.2.2 仿真算法29-30
• 2.3 地源热泵机组满负荷运行时的模拟、实验及分析30-34
• 2.3.1 制冷工况下制冷量及功耗的模拟与验证30-31
• 2.3.2 制热工况下制热量及功耗的模拟与验证31-32
• 2.3.3 制冷和制热工况下热泵机组性能系数的模拟32-34
• 2.4 地源热泵机组全工况运行时的模拟、实验及分析34-37
• 2.4.1 机组全工况蒸发温度、冷凝器温度的模拟与分析34-35
• 2.4.2 机组全工况制冷量、制热量和指示功的模拟与分析35-36
• 2.4.3 机组全工况能效比的模拟与分析36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第3章 太阳能为地源换热器蓄热效果分析39-59
• 3.1 太阳能系统39-48
• 3.1.1 平板型太阳能集热器简介39-40
• 3.1.2 太阳能集热器数学模型40-42
• 3.1.3 太阳能朝向及倾斜角度42-43
• 3.1.4 太阳能蓄热水泵43-48
• 3.2 地源换热器48-54
• 3.2.1 蓄热体简介48-49
• 3.2.2 蓄热体数值模型49-54
• 3.3 蓄热的模拟与分析54-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 系统运行及控制59-74
• 4.1 系统运行59-60
• 4.2 系统模拟设计60-63
• 4.3 热泵机组控制63-72
• 4.3.1 热泵制热时压缩机加卸载控制64-68
• 4.3.2 热泵制冷时机组的加卸载控制68-72
• 4.4 水泵运行及控制72-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 系统的模拟与分析74-88
• 5.0 建筑负荷分析74-75
• 5.1 地温均值分析75-76
• 5.2 制热量制冷量分析76-78
• 5.3 能耗分析78-82
• 5.4 能效分析82-85
• 5.5 环境效益评价85-86
• 5.6 本章小结86-88
• 第6章 总结与展望88-90
• 6.1 研究结论88-89
• 6.2 课题展望89-90
• 参考文献90-95
• 致谢95
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况95

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