隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平不斷提高,我國(guó)能源消費(fèi)量持續(xù)上升,過(guò)度消耗化石能源引起生態(tài)破壞,"以煤為主"的能源結(jié)構(gòu)造成城市大氣污染,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境壓力越來(lái)越大,能源環(huán)境問(wèn)題受到廣泛關(guān)注,成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此,提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例,探索更高效的能源利用方法,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。通過(guò)將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能利用技術(shù)結(jié)合,太陽(yáng)能熱泵技術(shù)(solar assisted heat pump,SAHP)將太陽(yáng)能作為熱泵系統(tǒng)的熱源,一方面太陽(yáng)能可以有效提高熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度,進(jìn)而提高熱泵系統(tǒng)性能,另一方面,熱泵系統(tǒng)的制冷工質(zhì)作為冷卻介質(zhì),可以及時(shí)帶走太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱量,有效提高集熱效率。根據(jù)太陽(yáng)能集熱介質(zhì),太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可以分為:直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)(DX-SAHP)和間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)(IX-SAHP)。直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照強(qiáng)度高的情況下,可以達(dá)到較高的運(yùn)行效率,但是由于太陽(yáng)輻照以及其它室外環(huán)境條件的隨機(jī)變化,導(dǎo)致直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能不穩(wěn)定。間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)利用儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)存所收集的太陽(yáng)能,可以有效解決太陽(yáng)輻射與加熱負(fù)荷之間不匹配的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,但是同時(shí)也導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,初始投資大等問(wèn)題。本文針對(duì)間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)和直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提出了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)和并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng),對(duì)其展開(kāi)了深入研究,主要研究工作包括:提出雙熱源多功能熱泵系統(tǒng),該系統(tǒng)可以利用太陽(yáng)能和空氣源實(shí)現(xiàn)制冷、制熱和制熱水,能夠在全年高效運(yùn)行。設(shè)計(jì)并搭建雙熱源多功能熱泵系統(tǒng),基于太陽(yáng)能熱泵空調(diào)性能檢測(cè)平臺(tái)提供的穩(wěn)定外界環(huán)境,針對(duì)太陽(yáng)能制熱模式和太陽(yáng)能制熱水模式在不同運(yùn)行策略下運(yùn)行時(shí),不同初始條件和邊界條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,太陽(yáng)能制熱水模式中,初始水溫越高,蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率越高,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功量和COP越高。太陽(yáng)能制熱模式中,提高初始水溫可以顯著提高蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功量和COP也隨之升高,當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和多功能熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí),太陽(yáng)輻照強(qiáng)度升高,蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱量均上升,COP也隨之升高。根據(jù)第二定律分析可知,對(duì)于雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的太陽(yáng)能制熱水模式和太陽(yáng)能制熱模式,當(dāng)蒸發(fā)側(cè)有太陽(yáng)輻照輸入時(shí),由于蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率升高,系統(tǒng)的(?)效率也隨之升高。在太陽(yáng)能制熱水模式中,當(dāng)生活用水箱水溫隨著加熱過(guò)程升高時(shí),系統(tǒng)的(?)效率升高。在太陽(yáng)能制熱模式中,低溫?zé)嵩礈囟入S著制熱過(guò)程降低,而高溫?zé)嵩礈囟缺３植蛔?因此系統(tǒng)(？)效率也隨之升高。建立了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均方根誤差小于5%。基于經(jīng)驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,對(duì)系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件的性能進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。為了充分利用太陽(yáng)能,降低系統(tǒng)能耗,滿足熱需求,分別針對(duì)供暖季節(jié)和非供暖季節(jié)制定了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的全年控制策略�；谌赀\(yùn)行的控制策略,利用所建立的雙熱源多功能熱泵理論模型,對(duì)系統(tǒng)在合肥(32° N,117° E)、北京(40° N,116° E)和西寧(37° N,102° E)的全年運(yùn)行性能進(jìn)行了模擬計(jì)算,該系統(tǒng)能夠全年在以上三個(gè)地區(qū)以較高的COP運(yùn)行。針對(duì)直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的問(wèn)題,提出了并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,PV/T蒸發(fā)器與空氣源蒸發(fā)器并聯(lián),系統(tǒng)可以同時(shí)從外界環(huán)境和太陽(yáng)輻照中獲取能量以產(chǎn)出熱水和電。通過(guò)建立并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,研究不同太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、不同環(huán)境溫度以及不同光伏電池覆蓋率對(duì)PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱性能和系統(tǒng)總體性能的影響。模擬結(jié)果表明,并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)中,PV/T蒸發(fā)器和空氣源蒸發(fā)器可以在不利的運(yùn)行條件下起到互補(bǔ)作用。當(dāng)系統(tǒng)中盤管水箱水溫升高時(shí),空氣源蒸發(fā)器換熱功率降低,PV/T蒸發(fā)器換熱功率升高,可以降低水箱水溫升高所造成的不利影響。當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度處于較低水平時(shí),PV/T蒸發(fā)器換熱功率降低,此時(shí),空氣源成為主要的熱源。隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度升高,PV/T蒸發(fā)器換熱功率增大,空氣源蒸發(fā)器換熱功率減小,冷凝側(cè)換熱功率增大,流入PV/T蒸發(fā)器的制冷工質(zhì)質(zhì)量流量增大,PV/T蒸發(fā)器的光熱效率和光伏效率降低,系統(tǒng)耗功量增大,COP增大。當(dāng)輻照強(qiáng)度分別為1OOW/m2、200W/m2和300W/m2時(shí),PV/T蒸發(fā)器的平均光熱效率分別為49.27%、45.40%和44.16%,平均光伏效率分別為15.54%、15.46%和15.36%,系統(tǒng)平均COP為2.25、2.45和2.66。環(huán)境溫度越高,空氣源蒸發(fā)器和PV/T蒸發(fā)器從環(huán)境中獲得的熱量增多,蒸發(fā)側(cè)換熱功率增大,冷凝側(cè)換熱功率隨之增大,空氣源蒸發(fā)器中制冷工質(zhì)的質(zhì)量流量增大,PV/T蒸發(fā)器的光熱效率升高,光伏效率降低,系統(tǒng)耗功量增大,COP增大。當(dāng)環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時(shí),PV/T蒸發(fā)器光熱效率從49.27%上升到78.72%,光伏效率從15.54%降低到14.81%,系統(tǒng)COP從2.26上升到3.08。并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)中,PV/T蒸發(fā)器的光伏電池覆蓋率增高時(shí),對(duì)應(yīng)的光伏效率和發(fā)電量增大,而光熱效率和換熱功率降低,空氣源蒸發(fā)器中的制冷工質(zhì)質(zhì)量流量增大,系統(tǒng)的COP和PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱綜合效率升高。當(dāng)PV/T蒸發(fā)器的光伏電池覆蓋率從0增大到1時(shí),PV/T蒸發(fā)器的光伏效率從0上升到16.29%,光熱效率從55.88%下降到44.64%,PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱綜合效率從55.88%增大到87.51%,系統(tǒng)COP從2.14增大到2.32。與采用普通太陽(yáng)能集熱器的并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)相比,采用PV/T集熱器作為蒸發(fā)器的系統(tǒng)具有更高的COP和更高的光伏光熱綜合效率。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TK51
【部分圖文】：

高設(shè)備的利用率。其中，針對(duì)具有制熱水、供暖和制冷功能的多功能熱泵的研究逡逑最為廣泛深入，該系統(tǒng)采用增設(shè)水源換熱器來(lái)收集冷凝熱，以實(shí)現(xiàn)熱泵在制冷或逡逑采暖的同時(shí)制取熱水，典型的多功能熱泵系統(tǒng)原理圖如圖１．１所示。逡逑３逡逑

我國(guó)地域遼闊，擁有豐富的太陽(yáng)能資源，全國(guó)平均太陽(yáng)能年輻照總量為逡逑５８５２ＭＪ／ｍ２。我國(guó)西部地區(qū)的太陽(yáng)能資源比東部地區(qū)豐富，低海拔地區(qū)太陽(yáng)能年逡逑輻照總量低于高海拔地區(qū)，如圖１．２所示。根據(jù)太陽(yáng)能年輻照總量的不同，可以逡逑５逡逑

為我國(guó)的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)做出了巨大貢獻(xiàn)１２４］。目前太陽(yáng)能熱水器是最為成熟、逡逑應(yīng)用最為廣泛的太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)。根據(jù)集熱工質(zhì)的循環(huán)方式，太陽(yáng)能熱水系逡逑統(tǒng)可以分為：自然循環(huán)式、強(qiáng)迫循環(huán)式、直流式以及悶曬式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１．３逡逑所示１２５］。在自然循環(huán)式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，蓄熱水箱位于集熱器上方，水在太陽(yáng)逡逑能集熱器中接受太陽(yáng)輻射的加熱，溫度上升，導(dǎo)致收集器及儲(chǔ)水箱中水溫不同而逡逑產(chǎn)生密度差，因此引起浮力，利用熱虹吸現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)水在蓄水箱及太陽(yáng)能集熱器之逡逑間自然流動(dòng)。強(qiáng)迫對(duì)流式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)利用水泵驅(qū)動(dòng)水循環(huán)，與自然循環(huán)方式逡逑相比，該方式具有可以獲得較高水溫的優(yōu)點(diǎn)，但因其必須利用水泵，因此存在需逡逑要水力和電力維護(hù)，控制裝置啟停，設(shè)備容易損壞等問(wèn)題。直流式太陽(yáng)能熱水系逡逑統(tǒng)中，傳熱工質(zhì)一次流過(guò)集熱器加熱后便進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱。在悶曬式太陽(yáng)能熱水系逡逑統(tǒng)中

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本文編號(hào)：2829701