论文部分内容阅读
对于采用空气源热泵供暖形式的建筑来说，供暖期间由于室外温度低，盘管易结露，甚至结霜，导致空气源热泵效率低下。而我国大部分地区有着丰富的太阳能资源，属于太阳能资源较富地带。如果能充分利用太阳能作为建筑供暖补充能源，一方面可以解决空气源热泵效率低的问题，另一方面可以减少对电能等的消耗。但由于空气源热泵、单一太阳能供热具有不稳定性、周期性、运行费用高、能耗高、低品位以及低密度等问题，对单一系统的利用带来了较大的困难。因此，本文建立了太阳能低温热水辅助空气源热泵辐射采暖系统。利用太阳能系统提供的低温热水与空气源组成并联双热源系统，基于(火用)以及(火用)变理论，对横排真空集热和辐射放热环节不同温度阶段(火用)变曲线进行分析，对关键参数温度和流量变化对集热过程(火用)变影响进行了研究，尤其在低温集热段的优势进行了定量分析。虽然太阳能辅助热泵系统已经广泛应用，但仍然缺少低温段和组合模式的理论指导，本课题将结合(火用)以及(火用)变理论、多模式实验数据分析和数值模拟，对低品位太阳能、空气能在热交换过程中变化规律进行详细研究，给出提高集热效率、蓄热效率以及放热效率的优化设计方法，并给出不同适用条件下的节能运行策略。 首先，按照热力学第一定律，建立太阳能辅助热泵辐射采暖系统的能量平衡方程，用供热系数、换热效率以及COP对系统进行分析，能够得到关于系统运行结果优劣的定性评价，但无法给出热过程中换热温度对结果的影响规律和定量评价指标。因此，结合T-S图对系统卡诺循环和有温差的换热过程进行研究，通过对COP微分得到，影响|(e)COPh|的因素为冷源和热源的温度，且低温热源温度变化对|(e)COph|的影响更大，即蒸发侧换热过程对该系统的影响显著。由此确立了太阳能辅助蒸发器侧换热是提高系统效率的重要途径。通过建立太阳能辅助热泵系统能量品位平衡方程，得到太阳能辅助热泵系统的熵变大于空气源热泵的熵变，ΔSsyss＞ΔSsysa，而太阳能辅助热泵的熵流也大，Sfs＞Sfa，但该结论并不能说明热过程进展的深度和趋势。 其次，建立了横排真空管实验模型和物理模型，并建立横排真空管孤立系统内部换热过程(火用)平衡方程，发现集热过程(火用)损失Δexisor只与集热器出水温度TRG，集热器进水温度TRL以及太阳加热温度TS有关，通过(火用)损失方程，发现太阳能加热温度是一个难以控制的参数，提高集热器进出水温度会增大(火用)损失，也会提高(火用)，相反，会减少(火用)损失，也会降低(火用)值。依据(火用)值的大小，并不能有效评价集热过程对热泵系统的贡献。从热泵系统蒸发侧的需求来看，(火用)损失Δexisor可以有效评价集热对热泵系统的贡献，同时，对(火用)损失进行微分得到(e)(Δexisor)具体关系式，(e)(Δexisor)指出影响(火用)损失的参数主要是TRG和TS，即进出水平均温度和集热器加热温度，以及参数对(火用)损失影响的显著性程度。为了使集热过程中的(火用)损失最小，需TRG=WS，实现等温加热。 然后，设计了低温立面辐射散热末端，建立了立面辐射末端的模型，列出了3种散热模型的对比分析了传统散热、空调器与辐射散热末端3种散热方式的(火用)变规律。其中辐射散热过程的(火用)损失只与Tr和Te有关，当环境温度Te=1℃较小时，随着加热温度的升高，(火用)损失逐渐增加，但当温度超过20℃时，随着加热温度的增加，(火用)损失增加速度降低。通过对(火用)损失方程进行微分，得到(e)(Δexiso)=QTe/T2r并求解，发现为(火用)损失变化率变化曲线3-24，当加热温度越低，(火用)损失变化率越大，当加热温度超过30℃以后，(火用)损失及(火用)损失变化率都变化不明显。 最后，通过实验数据和数值模拟分析，给出了8种模式的适用条件，首先对单一模式进行分析，然后结合不同的末端和热源组合模式分析了制冷剂进出口温度、集热进出水温度、COP、负荷以及供热量变化进行了详细的对比分析，验证能量在不同品位变化过程中热量(火用)变化规律，明确了低品位能在不同温度下进行交换的基本过程。采用TRNSYS软件对于系统的运行进行模拟，对典型天气下的集热过程和辐射放热过程进行了数值模拟，验证了(火用)变理论分析结果，并对能量(火用)变化过程的规律进行了验证，指出集热和辐射放热过程在低温段的高效表现。本文还提出了充分、合理利用可再生能源的运行策略，根据前述理论分析、实验分析、数值模拟分析以及北京地区冬季太阳辐射变化规律，对集热系统、换热设备、放热系统进行了优化设计;基于双热源、双末端系统的多工况、多模式实验分析，提出了适合不同建筑类型的系统匹配方案，也为其他地区设计此类系统提供数据支撑和参考。