太阳能相变蓄热与地源热泵联合系统的研究

【摘要】： 地源热泵可以利用少量电能将大地中的地热能提升为高品位热能,以供室内空调供热。在白天利用太阳能作为地源热泵(GSHP,Ground Source Heat Pump)的辅助热源,既可以提高热泵机组蒸发器的蒸发温度,同时也可以缓解地埋管周围土壤的温降,可以有效的提高热泵供热系统的效率。而以相变材料(PCM,Phase Change Material)为蓄热介质的相变蓄热装置的使用,既可以克服太阳能的间隙性及因多云、阴雨而造成的不稳定性等缺点,其蓄热密度大的优点也可以使蓄热装置在有限的建筑空间内得以安置。 本文分析了影响太阳辐射强度的主要因素,介绍了一种常用的太阳辐射模型,并对平板集热器和真空管集热器在晴天条件下的集热效率进行模拟。平板集热器顶部损失系数Ut与环境温度Ta、玻璃透明盖板温度Tc与环境温度Ta均成线性关系,并且随着环境温度Ta的升高而升高;而这两种集热器的热损系数Uc(或UL)与管内对流换热系数hfi对集热器效率因子F′的影响相同,效率因子F'随热损系数Uc(或UL)增大会变小,管内对流换热系数hfi增大却使F'变大;同时这两种集热器的集热效率η在白天也会随室外温度的升高(降低)而升高(降低),集热器的运行时间最好控制在9点到15点之间。 对常用的相变传热问题的数学模型进行了介绍,并利用FLUENT软件模拟了在自然对流换热条件下20#蓄热专用石蜡在螺旋盘管换热器内的等壁温熔化和凝固过程,模拟结果显示:对于结构参数相同的螺旋盘管换热器,盘管匝数越多的蓄热体,其熔化时的Fo数越大;而对于结构参数不相同的螺旋盘管换热器,但盘管匝数相同的蓄热,即使蓄热体体积不同,但其Fo却基本相同;对于螺旋盘管换热器来说,自然对流换热对PCM的熔化过程影响很大,但PCM的凝固过程影响很小,基本可以忽略。 以太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验为平台,进行以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热及蓄热装置通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验。实验结果表明,蓄热装置的使用对蒸发器的出水水温影响较大;而对蒸发器的进水水温的影响相对于出水水温的影响较小;在热泵机组运行稳态阶段,蓄热装置对冷凝器进、出水水温影响不明显,但其平均温升也可以达0.6℃;蓄热装置的使用对供暖系统的运行效率也有所提高,系统的平均制热系数COPhs增大了0.16。 【关键词】：地源热泵 太阳能 相变蓄热 供热实验
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 能源及建筑能耗10-11
• 1.1.1 能源及其可持续性10-11
• 1.1.2 建筑能耗状况11
• 1.2 太阳能—地源热泵简介11-14
• 1.2.1 太阳能11-12
• 1.2.2 热能的贮存12-13
• 1.2.3 地源热泵13
• 1.2.4 太阳能相变蓄热与地源热泵联合供暖系统13-14
• 1.3 太阳能-地源热泵国内外研究现状14-16
• 1.3.1 太阳能-热泵的研究现状14-15
• 1.3.2 相变贮热15
• 1.3.3 太阳能相变蓄热联合地源热泵系统研究现状15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-17
• 第2章 太阳能利用、热泵机组性能的理论分析17-38
• 2.1 我国太阳能资源的分布及太阳辐射17-22
• 2.1.1 有关角度的定义18-19
• 2.1.2 太阳辐射模型19-22
• 2.2 太阳能的光热利用22-36
• 2.2.1 平板集热器22-32
• 2.2.2 真空管型集热器32-36
• 2.3 热泵机组性能分析理论36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 相变传热问题理论分析和螺旋盘管相变蓄热换热器数值模拟38-58
• 3.1 相变材料的选择38
• 3.2 相变传热理论38-40
• 3.2.1 引言38-39
• 3.2.2 相变传热的数学模型39-40
• 3.3 自然对流条件下相变传热的数值模拟研究40-57
• 3.3.1 CFD 方法及FLUENT 简介41
• 3.3.2 螺旋盘管换热器模型的建立41-45
• 3.3.3 计算过程参数的设置45-47
• 3.3.4 模拟结果及分析47-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 太阳能相变蓄热联合地源热泵供暖系统实验研究58-74
• 4.1 实验系统介绍58-62
• 4.2 实验方案62-63
• 4.3 实验数据分析63-72
• 4.3.1 蓄热装置的蓄、放热过程分析63-66
• 4.3.2 对蒸发器进、出口水温的影响66-68
• 4.3.3 对冷凝器进、出口温度的影响68-69
• 4.3.4 对地埋管壁温的影响69-71
• 4.3.5 对系统制热系数COP_(hs) 的影响71-72
• 4.4 本章小结72-74
• 第5章 结论与展望74-77
• 5.1 结论74-75
• 5.2 展望75-77
• 参考文献77-80
• 致谢80-81
• 作者简介81
• 发表论文和参加科研情况说明81

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