本文選題：太陽能熱泵　切入點(diǎn)：直接膨脹式　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：建筑能耗在社會總能耗中約占三分之一,包括制冷、制熱和制熱水等。有效利用太陽能,減少建筑能耗,是解決能源問題的有效手段之一。太陽能熱泵作為一種將太陽能與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)結(jié)合的系統(tǒng),能夠利用清潔可再生的太陽能,且提高了傳統(tǒng)熱泵的效率。直接膨脹式太陽能熱泵(DX-SAHP)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的優(yōu)點(diǎn),還可以防止普通集熱器夜晚結(jié)凍問題。已有研究證實(shí)相較于傳統(tǒng)熱泵,DX-SAHP系統(tǒng)制熱性能明顯提升。然而DX-SAHP系統(tǒng)尚存在諸多方面需要研究。其一,DX-SAHP系統(tǒng)有制熱和制熱水兩種應(yīng)用形式。受限于實(shí)驗(yàn)條件,大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究集中在DX-SAHP系統(tǒng)的制熱水應(yīng)用。而在制熱應(yīng)用中,系統(tǒng)使用空氣換熱器,與制熱水時(shí)的水冷換熱器性能不同。作為一種DX-SAHP重要的應(yīng)用形式,DX-SAHP系統(tǒng)在制熱應(yīng)用中的性能仍需進(jìn)一步研究。其二,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究主要在室外環(huán)境中進(jìn)行,系統(tǒng)測試工況受限于天氣條件,無法定量反映環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。因此需要在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,定量分析系統(tǒng)性能,研究標(biāo)準(zhǔn)工況下的系統(tǒng)性能。其三,熱泵系統(tǒng)冬季應(yīng)用中的重要問題——結(jié)霜問題是熱泵研究的熱點(diǎn)。在結(jié)霜工況下DX-SAHP系統(tǒng)的熱性能和結(jié)霜特性,是考慮DX-SAHP系統(tǒng)的冬季應(yīng)用中必須探討的問題。但目前在此方面幾乎未有研究探討。其四,DX-SAHP系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中不可避免地存在夏季應(yīng)用情況。因此DX-SAHP系統(tǒng)的應(yīng)用除了制熱,還有夏季的制冷運(yùn)行。但是系統(tǒng)的制冷性能少有研究涉及。為了研究這些DX-SAHP系統(tǒng)的重要問題,本文在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)在多種穩(wěn)態(tài)工況下的性能,并建立理論模型對系統(tǒng)進(jìn)行了模擬預(yù)測,還將該系統(tǒng)與使用管翅式換熱器的DX-SAHP系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1、在多種穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)驗(yàn)測試了 DX-SAHP系統(tǒng)的制熱性能。環(huán)境溫度的提高可增加系統(tǒng)制熱量和COP。室外側(cè)輻照強(qiáng)度300 W/m2,相對濕度50%,環(huán)境溫度分別為5.0℃,10.0℃和15.0℃時(shí)COP分別為2.12,2.18和2.26。相對濕度從70%增加到90%時(shí)系統(tǒng)蒸發(fā)換熱功率提高了 35.0%,COP從1.78提高到2.07。室外側(cè)環(huán)境溫度15.0 ℃,相對濕度50%,輻照強(qiáng)度分別為0W/m2,100 W/m2,200W/m2,300W/m2 和 500W/m2 時(shí) COP 則分別 2.07,2.09,2.14,2.26和2.36。輻照的增強(qiáng)對系統(tǒng)制熱性能的提升顯著。2、實(shí)驗(yàn)探討了 DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜條件。無太陽輻照時(shí),結(jié)霜發(fā)生的臨界相對濕度在50%到70%之間,臨界環(huán)境溫度在7.0℃到6.0℃之間。輻照強(qiáng)度是100 W/m2,環(huán)境溫度高于-3.0℃,相對濕度低于90%時(shí)結(jié)霜可以被完全防止。3、實(shí)驗(yàn)研究了 DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過程。360分鐘連續(xù)實(shí)驗(yàn)的測試工況為環(huán)境溫度1.0℃,相對濕度70%,輻照強(qiáng)度0W/m2。對比傳統(tǒng)空氣源熱泵,使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過程更為緩慢。在連續(xù)運(yùn)行的360分鐘內(nèi)系統(tǒng)的熱性能未被結(jié)霜影響,反而得到了促進(jìn)。4、實(shí)驗(yàn)分析了結(jié)霜工況下環(huán)境參數(shù)對DX-SAHP系統(tǒng)的影響。太陽輻照可以有效緩解甚至防止DX-SAHP系統(tǒng)結(jié)霜,并且明顯提高系統(tǒng)的熱性能;環(huán)境溫度的降低導(dǎo)致DX-SAHP系統(tǒng)熱性能下降;相對濕度增加時(shí)系統(tǒng)的結(jié)霜更為嚴(yán)重,結(jié)霜過程的促進(jìn)作用更明顯,系統(tǒng)的熱性能提高。而當(dāng)環(huán)境溫度較低,相對濕度也較低時(shí),由于空氣含濕量過低,蒸發(fā)溫度低于冰點(diǎn)也不會出現(xiàn)結(jié)霜問題。5、本文建立了使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)的數(shù)理模型,并基于MATLAB平臺進(jìn)行計(jì)算求解。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對照,驗(yàn)證了正確性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析了 DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過程中霜層厚度和結(jié)霜速率的變化。相對濕度70%,輻照強(qiáng)度0 W/m2時(shí),環(huán)境溫度為-1℃時(shí)結(jié)霜速率和霜層厚度最大。輻照強(qiáng)度可以減輕甚至完全防止結(jié)霜,同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的制熱量。輻照強(qiáng)度從0 W/m2增加到100 W/m2時(shí)可以完全防止結(jié)霜,但COP從1.97減小到1.89;從100 W/m2增加到500 W/m2時(shí),制熱量從1082W增加到1610 W,COP從1.89增加到2.21。雖然環(huán)境溫度的下降降低系統(tǒng)的熱性能,但結(jié)霜過程會促進(jìn)集熱/蒸發(fā)器的換熱。當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí),集熱/蒸發(fā)器表面沒有霜形成。相對濕度對系統(tǒng)熱性能的影響主要通過影響結(jié)霜情況來實(shí)現(xiàn)。6、實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)的制冷性能,分析了環(huán)境因素的影響。環(huán)境溫度從25.0℃上升到30.0 ℃時(shí)制冷量下降了 14.9%。當(dāng)風(fēng)速由4 m/s提高到5 m/s時(shí)COP提升了 3.4%,而風(fēng)速繼續(xù)提高到6 m/s時(shí)系統(tǒng)制冷量和COP則變化較小。輻照強(qiáng)度從0 W/m2增加到800 W/m2時(shí),制冷量下降了 34.9%,COP從1.22減小為0.65。輻照強(qiáng)度對系統(tǒng)制冷性能的影響顯著。建立了 DX-SAHP系統(tǒng)制冷模式的理論模型。在考慮DX-SAHP系統(tǒng)的制冷應(yīng)用時(shí),應(yīng)考慮對系統(tǒng)進(jìn)行一定的改進(jìn),盡量避免其接收太陽輻照。作為優(yōu)化,可以將集熱器面積從4 m2增加到8 m2。7、實(shí)驗(yàn)測試了使用太陽能管翅式換熱器的DX-SAHP系統(tǒng),并與使用裸板集熱器的系統(tǒng)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。在名義制熱工況下,無太陽輻照時(shí)管翅式換熱器的霜層厚度大于裸板集熱器,但兩者皆小于傳統(tǒng)空氣源換熱器。結(jié)霜過程對系統(tǒng)的制熱性能不產(chǎn)生負(fù)面影響。無輻照時(shí)管翅式換熱器吸收空氣能能力更強(qiáng),系統(tǒng)制熱性能優(yōu)于使用裸板集熱器的系統(tǒng)。輻照強(qiáng)度逐漸增大時(shí)裸板集熱器更具優(yōu)勢,系統(tǒng)制熱性能提高程度大于前者。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK51;TU83

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本文編號：1612402