双热源式太阳能热泵及热水系统优化研究

【摘要】： 本文基于太阳能热泵系统的基本原理和应用特点,针对空气源热泵系统低温制热时的不足,研究了可切换的双热源式太阳能热泵及热水系统的优化设计以及其在实际使用中的投资经济性与节能环保性。 根据倾斜平面上的太阳能辐射模型,应用最优化理论,分析了不同地区的在不同使用周期内的累计接收太阳能辐照量最大时的集热器最佳倾角。在此基础之上,研究太阳能集热器的换热方程和热力性能,建立平板型太阳能集热器的数学模型,编写程序计算有效得热量和集热效率。 本文将电动三通调节阀应用于太阳能热泵系统,冬季供暖相当于空气源蒸发器与水源蒸发器并联。根据每天不同时刻的不同环境温度,自动切换三通阀空气侧或水源侧的启闭,实现机组在不同的环境温度下可连续供暖,保证了系统的稳定性运行。 本文分析了双热源式太阳能热泵及热水系统的原理,将水源热泵运行模式转换为空气源模式的时刻定义为切换时刻,根据切换时刻的变化,以及对系统各个组成部件换热模型的深入研究,本文建立了整个系统的能量平衡方程,计算得到不同切换温度下的太阳能集热器面积、蓄热水箱容量。选择某三层建筑,使用双热源式太阳能热泵供暖和供生活热水。应用负荷频率法计算得到在不同切换温度下建筑总能耗、热泵能耗、辅助加热能耗、总能耗量以及HSPF。从获得最大的HSPF的角度,选择最佳的切换时刻以及最佳切换温度。 最后,本文就双热源式太阳能热泵系统的投资经济性、节能型、环保性等方面做了阐述,论述了该系统的优越性。 【关键词】：双热源式太阳能热泵 最佳切换温度 电动三通调节阀 供热季节性能系数
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU831;TU822
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 我国建筑能耗现状9
• 1.2 太阳能与太阳能热利用技术9-13
• 1.2.1 太阳能热利用的形式10-12
• 1.2.2 太阳能热利用技术在国内外建筑上的应用12-13
• 1.3 太阳能热泵系统及研究现状13-16
• 1.3.1 直接膨胀式太阳能热泵系统的研究14-15
• 1.3.2 间接膨胀式太阳能热泵的研究15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 1.5 本文的组织结构17-18
• 2 太阳能辐射18-27
• 2.1 与太阳辐射相关的角度计算18-20
• 2.1.1 太阳赤纬角δ18
• 2.1.2 太阳高度角α_s、太阳天顶角θ_z及太阳方位角γ_s18-19
• 2.1.3 日出时角、日落时角ω_0及日照时间N19
• 2.1.4 倾斜面上的太阳光线入射角θ_T19-20
• 2.2 太阳能辐射强度的计算20-22
• 2.2.1 太阳常数20
• 2.2.2 大气质量20
• 2.2.3 水平面上的太阳辐射强度计算20-21
• 2.2.4 倾斜面上的太阳辐射强度计算21-22
• 2.3 太阳能辐射月平均日总量的计算22-24
• 2.3.1 水平面上月平均日总辐射量22
• 2.3.2 倾斜面上月平均日总辐射量22-24
• 2.4 太阳能集热器的最佳倾角24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 双热源式太阳能热泵及热水系统27-42
• 3.1 双热源式太阳能热泵的运行控制策略28-30
• 3.2 平板型太阳能集热器30-34
• 3.2.1 平板型集热器的能量平衡方程30-31
• 3.2.2 平板型集热器的总热损失系数31-32
• 3.2.3 平板型集热器的有效得热量方程32-33
• 3.2.4 平板型集热器的效率33-34
• 3.3 蓄热水箱34-35
• 3.4 水源蒸发器35-39
• 3.4.1 管内制冷剂侧两相区换热系数36-37
• 3.4.2 管内制冷剂侧过热区换热系数37
• 3.4.3 管外水侧换热系数37-39
• 3.4.4 总传热系数的计算39
• 3.5 蒸发器的换热方程39-40
• 3.6 本章小结40-42
• 4 双热源式太阳能热泵系统优化计算42-58
• 4.1 建筑物供热负荷计算42-43
• 4.2 双热源式太阳能热泵的切换模式43-46
• 4.3 最佳切换温度模型的建立46-57
• 4.3.1 设备容量计算47-50
• 4.3.2 设备能耗计算50-53
• 4.3.3 最佳切换温度下的系统设备的选择53-54
• 4.3.4 双热源式太阳能热泵的计算实例(南京)54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 双热源式太阳能热泵系统节能效益分析58-66
• 5.1 双热源式太阳能热泵系统的节能效益分析方法58-63
• 5.1.1 系统投资的动态回收期58-60
• 5.1.2 计算实例60-63
• 5.2 双热源式太阳能热泵系统的环保效益的评估63-65
• 5.3 本章小结65-66
• 6 计算软件66-70
• 7 总结与展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-74

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