新型太阳能光伏—热泵复合建筑供能系统性能研究

【摘要】：随着经济的增长和生产力水平的提高,煤炭、石油、天然气等传统化石能源急剧消耗,引发世界范围内的能源危机和日趋严重的环境污染问题,而在能源消耗总量中,建筑能耗占很大比重,因此,开发利用可再生能源和可再生能源的复合利用是目前解决能源危机的主要途径。太阳能是各种可再生能源中最基本的能源,可以直接进行转化和利用,并且具有普遍性、无害性、长久性、储量巨大等优点,但是在利用太阳能的光伏发电系统中存在着能量转换效率低等问题。热泵是一种可以从自然界的空气、水源或土壤中获取低品位热能,通过电能做功,转化成可被人们利用的高品位热能的技术。空气源热泵由于设备简单、安装方便等优点被广泛使用,然而空气源热泵的性能存在着受室外环境影响较大等问题,因此将太阳能技术与热泵结合起来,用太阳能作为热泵的低位热源,将可再生能源复合利用,既可以提高热泵系统性能,又可以降低太阳能光伏系统温度,提高发电效率,还可以实现全年供电、冬季供热、夏季供冷供热水等多种建筑所需的功能。首先,总结前人研究成果的基础上,将基于平板热管的新型水冷光伏光热集热器(MHPA-PV/T)与双热源热泵组合构成复合建筑供能系统,设计并建立复合建筑供能系统实验平台,并对系统主要部件(新型水冷光伏光热系统,双热源热泵系统、散热末端及水系统,控制系统,测试系统等)进行阐述。设计了复合建筑功能系统的多种运行模式与控制策略。其次,对复合供能系统运行性能及实际节能效果进行了实验研究。对太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统几种典型的运行模式,包括新型水冷PV/T与热泵联合运行的双热源热泵制热工况、新型水冷PV/T与热泵联合运行的水源热泵制热工况、空气源热泵制热工况、新型水冷PV/T与热泵结合的空气源热泵制热水工况、夏季制冷空调工况、夏季制冷空调同时制热水等6种工况进行了实验研究。分析了包括太阳能光伏光热集热器的光电功率和光热功率以及热泵系统瞬时得热量随太阳能辐照度及运行时间变化的关系,同时对太阳能光伏光热集热器的光电效率、光热效率与综合效率、热泵COP和系统综合能效比进行了性能评价。对于PV/T集热效率,PV/T联合水源制热运行模式下比PV/T联合双热源制热运行模式提高了16.6%,两种模式的PV/T发电效率基本一致,最高发电效率都在15%左右。对于制热COP,PV/T联合水源制热运行模式比双热源模式提高了17.6%,比空气源模式提高了39.1%。实验结果表明太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统不仅能实现所有设计的工况,而且能满足建筑所需的供暖、供电、供热水、供冷等多项需求。PV/T与热泵系统在联合水源制热运行模式下是最佳匹配,能够充分利用PV/T所吸收的热量,实现可再生能源的最大化利用,减少了能源浪费。并且较低的水温有利于PV/T系统的集热和发电。该模式为系统优先采用的模式。最后,对太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统建立了数学模型,以PV/T联合水源热泵制热工况运行结果对比验证,结果表明建立的系统模型具有一定的可行性,但模型仍需进一步的完善,为以后系统的优化奠定基础。 【关键词】：光伏光热 热泵 复合系统 可再生能源
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU18;TU83
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 研究背景及研究意义10-14
• 1.1.1 能源现状10
• 1.1.2 太阳能的利用10-14
• 1.3 研究现状14-23
• 1.3.1 太阳能光伏光热技术研究现状14-16
• 1.3.2 太阳能热泵技术研究现状16-19
• 1.3.3 多功能太阳能热泵复合供能系统研究现状19-23
• 1.4 本文研究内容23-24
• 第2章 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统及实验平台24-42
• 2.1 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统组成与特点24-29
• 2.1.1 光伏光热系统24-26
• 2.1.2 热泵系统26-27
• 2.1.3 用户末端27-28
• 2.1.4 控制系统28-29
• 2.1.5 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统实验原理与特点29
• 2.2 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统实验平台29-40
• 2.2.1 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统实验平台设计及建立29-37
• 2.2.2 实验平台测试系统37-40
• 2.2.3 实验台能量平衡测试与分析40
• 2.3 本章小结40-42
• 第3章 新型光伏-热泵复合建筑供能系统性能实验研究42-74
• 3.1 系统性能评价指标42-44
• 3.1.1 热泵系统性能评价指标42-43
• 3.1.2 PV/T系统性能评价指标43-44
• 3.2 不同运行模式下系统性能实验研究44-67
• 3.2.1 冬季工况44-59
• 3.2.2 夏季工况59-67
• 3.3 不同运行模式下系统性能分析67-71
• 3.3.1 实验结果分析69-70
• 3.3.2 系统优化运行策略分析70-71
• 3.4 本章小结71-74
• 第4章 新型光伏-热泵复合建筑供能系统性能模拟研究74-84
• 4.1 TRNSYS软件介绍74-75
• 4.1.1 TRNSYS软件开发背景74
• 4.1.2 TRNSYS软件功能简介74-75
• 4.2 PV/T联合水源热泵制热系统的TRNSYS仿真模型75-78
• 4.2.1 各部件模型及模拟参数设置75-77
• 4.2.2 部件模型的连接77-78
• 4.3 系统模拟与实验验证78-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第5章 新型光伏-热泵复合建筑供能系统节能效益分析84-90
• 5.1 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统投资85
• 5.2 新型太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统年节能量评估85-86
• 5.3 寿命期限内的总节省费用86-87
• 5.4 系统增加投资动态回收期87-88
• 5.5 本章小结88-90
• 结论与展望90-91
• 参考文献91-95
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文95-97
• 致谢97-98

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