适用于宽气候环境的太阳能辅助二氧化碳地源热泵系统性能研究

【摘要】：随着全球面对越来越严重的环境和能源危机,地源热泵脱颖而出。这是因为作为一种能够为建筑同时提供热量和冷量的空气调节系统,地源热泵在目前研究结果中已经被证明其高效率。在地源热泵的制冷剂选择方面,由于传统的制冷剂如R22,R134a和R410a等对于臭氧层的伤害,并不符合减缓环境危机的初衷,本文研究的地源热泵系统采用二氧化碳自然工质作为制冷剂。然而,地源热泵的运行也有其弊端。地源热泵年复一年接连运行的时候,地下埋管区域的土壤也会年复一年地参与换热,为建筑提供或释放热量。若地源热泵运行的区域并不具备温和的天气,系统向土壤传递的热量和土壤向系统传递的热量之间就会出现不平衡。在冬天极度寒冷的地区,由于系统需要土壤提供的热量比系统需要向土壤释放的热量多很多,土壤的温度会下降。而在夏天极度炎热的地区,情况相反,由于系统需要土壤提供的热量比系统需要向土壤释放的热量少很多,土壤的温度会上升。这种情况会影响地下埋管换热器的传热特性,由于地下埋管换热器与土壤之间的换热是地源热泵最关键的步骤之一,土壤温度的变化对地下换热器的影响会进而影响整个二氧化碳地源热泵的运行。为了解决这个问题,实现地源热泵的更好应用,我们必须找到一个新方法来改善土壤中热不平衡的现象。在本文中提出了一个可能的解决方法。通过使用辅助的太阳能集热系统和采用双冷却介质的两个气冷器,地源热泵能够更好适应非温和气候地区的使用。在冬季严寒,夏季气候温和的供热主导地区,利用太阳能辅助系统提供热量,以达到土壤热平衡,具体的方法为:冬天,太阳能集热系统充当辅助热源,地源热泵蒸发器不仅可以从土壤吸热,还可以从太阳能集热水箱吸热,太阳能为建筑补充供热,减少地下埋管换热器从土壤汲取的热量。在夏季酷热,冬季温和的供冷主导地区,利用除了地下埋管换热器的循环冷水作为散射介质外,利用空气作为另一种冷却介质帮助散热,以达到土壤的热平衡,具体的方法为:夏天,采用水冷气冷器和空气冷却气冷器辅助,将部分热量排放到空气中,减少地下埋管换热器向土壤排放的热量。如此,就能够帮助平衡土壤中被取出和被注入的热量相平衡,解决不平衡的问题。本文根据提出的解决方法,建立了一个适用于宽气候环境,合成太阳能集热器和双冷却介质气冷器二氧化碳地源热泵系统预测模型。通过建立系统中各个关键部件的数学模型,组成整个系统模型。部件模型包括建筑模型,热泵模型,地下埋管换热器模型,太阳能集热器模型,热水水箱模型和空气冷却气冷器模型等。利用现有文献中的实验和数据,本文中对使用的各个部件进行了实验验证。太阳能集热器和热水水箱的实验结果与所用模型模拟结果的偏差在1oC以内。地下埋管换热器通过实验结果和模拟结果的对比得出可靠度超过90%。热泵系统的数学模型模拟结果与实验结果也保持了高度的吻合,空气冷却气冷器的模拟结果与实验结果之间的偏差不超过10%。基于文中提出的模型,本文研究了合成太阳能集热器和双冷却介质气冷器二氧化碳地源热泵系统在不同气候地区运行以后对当地地下换热平衡的影响,以及系统在不同设计条件下,不同天气情况的城市的运行费用和初始投资费用。本文同时研究了辅助部件太阳能集热器和空气冷却气冷器的参数不同对上述问题的影响。系统模型结果显示,利用合成太阳能集热器和双冷却介质气冷器二氧化碳地源热泵系统运行一年后,能够显著缓解土壤中热不平衡的现象,冬季极端寒冷天气情况下,土壤中的热不平衡率由最初的95.1%降低为0.1%(以挪威特隆赫姆为例),夏季极端炎热天气情况下,土壤中的热不平衡率由最初的90.6%变为0.03%(以中国广州为例)。当与单独的二氧化碳地源热泵系统比较的时候,合成太阳能集热器和双冷却介质气冷器二氧化碳地源热泵系统的年能量消耗降低了41.5%(以挪威特隆赫姆为例)和23%(以中国上海为例)。对于上海,采用了空气作为冷却介质的辅助气冷器的二氧化碳地源热泵系统的投资值比单纯的二氧化碳地源热泵系统降低了20%。对于太阳能的辅助供热,本文又研究了两个利用太阳能的方法,一则单纯使用太阳能作为辅热源,二则在夏天利用太阳能集热器收集的热量注入土壤进行补充。本文经过对比发现,采用夏季补热方式的系统比单纯使用太阳能作为辅热源的系统初期投资降低了88.1%(挪威特隆赫姆)和51.7%(中国哈尔滨)。 【关键词】：二氧化碳 地源热泵 太阳能 空气冷却气冷器 不平衡率
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU83
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 课题研究背景及目的和意义11-15
• 1.1.1 课题研究背景11-14
• 1.1.2 课题研究的目的及意义14-15
• 1.2 二氧化碳的特点及其跨临界循环15-23
• 1.2.1 二氧化碳制冷剂的历史发展15-17
• 1.2.2 二氧化碳的特点17-20
• 1.2.3 二氧化碳跨临界循环20-23
• 1.3 二氧化碳热泵研究现状23-24
• 1.3.1 空气源热泵研究现状23
• 1.3.2 地源热泵研究现状23-24
• 1.3.3 热泵热水器研究现状24
• 1.4 太阳能辅助热泵研究现状24-26
• 第二章系统设计与建模26-37
• 2.1 系统设计26-30
• 2.1.1 系统概况介绍26-27
• 2.1.2 系统运行模式27-30
• 2.2 主要性能参数30-31
• 2.3 系统建模31-35
• 2.3.1 热泵模型31-32
• 2.3.2 地下埋管换热器模型32-33
• 2.3.3 太阳能集热器模型33-34
• 2.3.4 太阳能集热水箱模型34
• 2.3.5 空气冷却气冷器模型34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第三章 模型验证37-44
• 3.1 热泵模型验证37-38
• 3.2 地下埋管换热器模型验证38-40
• 3.3 太阳能集热器和集热水箱模型验证40-41
• 3.4 空气冷却气冷器模型验证41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 系统性能与经济性分析44-62
• 4.1 气象数据和运行周期规划44-45
• 4.2 独立二氧化碳地源热泵系统性能与经济性分析45-50
• 4.3 无补热太阳能辅助二氧化碳地源热泵系统性能与经济性分析50-52
• 4.3.1 哈尔滨案例分析50-51
• 4.3.2 特隆赫姆案例分析51-52
• 4.4 有补热太阳能辅助二氧化碳地源热泵系统性能与经济性分析52-55
• 4.4.1 哈尔滨案例分析52-53
• 4.4.2 特隆赫姆案例分析53-55
• 4.5 双冷却介质气冷器辅助二氧化碳地源热泵系统性能与经济性分析55-59
• 4.5.1 上海案例分析56-58
• 4.5.2 广州案例分析58-59
• 4.6 本章小结59-62
• 第五章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 工作展望63-64
• 参考文献64-71
• 致谢71-72
• 攻读学位期间的学术成果72-74

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