长沙地区太阳能—土壤源热泵热水系统运行模拟研究

【摘要】：太阳能和地热能都是地球上广泛分布的清洁可再生能源，如何对它们进行更有效的开发利用已成为全球的研究热点，建筑中是重要的应用领域之一。由于生活热水能耗在民用建筑能耗中占据较大的比重，采用可再生能源制取生活热水成为一个值得研究的课题。 本文通过分析单一热源热泵制取生活热水的优缺点，针对长沙地区的气候特征，提出了太阳能-土壤源热泵热水系统稳定高效制取生活热水的系统设计和运行方式，并对它进行了运行模拟研究。 首先，以长沙地区某学生宿舍的热水系统为例，对电辅助加热太阳能热水系统与土壤源热泵热水系统设计过程进行了介绍，主要包括热水需求量的确定和主要设备选型的计算过程，接着简要介绍了用于本文系统仿真的软件，并建立了该两种热水系统的仿真模型，对它们进行了长期运行模拟研究，得出了该两种热水系统的优化设计参数和不适合于大中型热水工程长期节能稳定高效运行的结论。 其次，提出了太阳能-土壤源复合式热泵热水系统，对该系统的构成、特点、工作原理、运行工况与控制方式进行了描述，建立了该系统的仿真模型，针对太阳能集热器面积与热泵机组容量的匹配优化这一影响该复合式系统运行性能的关键问题，采用计算费用法进行分析，同时进行了系统匹配模拟研究，得到了优化匹配方案，并进行了在暑假期间利用埋地换热器进行太阳能蓄热的优化设计研究，得出了较优的蓄热温度条件。 最后，对提出的太阳能-土壤源复合式热泵热水系统与土壤源热泵热水系统和电辅助加热的太阳能热水系统进行了节能、环保与经济效益的比较分析。计算得到了不同热水系统方案的初投资与年运行费用，采用费用年值这一综合评价指标对三种方案的经济效益进行了评价，得出了太阳能-土壤源复合式热泵热水系统是经济性最优的方案，并计算得到了采用该方案的动态投资回收期。 【关键词】：太阳能-土壤源热泵 热水系统 匹配优化 太阳能蓄热 费用年值
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题的研究背景和意义11-13
• 1.2 国内外应用发展及研究现状13-16
• 1.2.1 国外研究现状13-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 本文研究目的与内容16-17
• 1.3.1 研究目的16
• 1.3.2 研究内容16-17
• 第2章 热水系统分析模型建立17-28
• 2.1 热水需求量的确定17-18
• 2.1.1 全天热水供应系统的设计小时耗热量17
• 2.1.2 定时热水供应系统的设计小时耗热量17-18
• 2.1.3 设计小时热水量18
• 2.2 热水使用的时间分配18
• 2.3 太阳能热水系统设备的选型计算18-20
• 2.3.1 太阳能集热器的选型计算18-19
• 2.3.2 太阳能贮热水箱的容积计算19
• 2.3.3 太阳能集热系统循环水泵计算19-20
• 2.4 土壤源热泵热水系统设备的选型计算20-21
• 2.4.1 热泵机组的选型计算20
• 2.4.2 热泵机组贮热水箱的容积计算20
• 2.4.3 埋地换热器的长度计算20-21
• 2.5 生活热水项目工程概况21-22
• 2.5.1 工程概况21
• 2.5.2 自来水温度21-22
• 2.5.3 气象参数22
• 2.6 分析模型设计计算22-27
• 2.6.1 设计小时耗热量与热水量22-24
• 2.6.2 太阳能集热器的面积24
• 2.6.3 太阳能贮热水箱的容积24
• 2.6.4 太阳能集热系统循环水泵流量24
• 2.6.5 热泵机组的设计小时供热量24-25
• 2.6.6 热泵机组贮热水箱的容积25
• 2.6.7 埋地换热器的总长度25
• 2.6.8 分析模型各项计算结果的汇总25-26
• 2.6.9 分析模型热水需求的模式26-27
• 2.7 本章小结27-28
• 第3章 系统动态仿真平台介绍28-32
• 3.1 TRNSYS 软件简介28-29
• 3.2 仿真模型部件介绍29-31
• 3.3 本章小结31-32
• 第4章 土壤源热泵热水系统特性模拟分析32-41
• 4.1 土壤源热泵热水系统的基本情况32-33
• 4.2 各主要因素对于系统能效的影响分析33-39
• 4.2.1 贮热水箱容积对于系统能效的影响分析33-35
• 4.2.2 埋管总长度对于系统能效的影响分析35-36
• 4.2.3 设计用水定额对于系统能效的影响分析36-38
• 4.2.4 设计供水温度对于系统能效的影响分析38-39
• 4.3 系统长期运行分析39
• 4.4 本章小结39-41
• 第5章 太阳能热水系统特性模拟分析41-50
• 5.1 太阳能热水系统的分类41-42
• 5.2 太阳能热水系统的基本情况42-43
• 5.3 各主要因素对于系统能效的影响分析43-47
• 5.3.1 集热器面积对于系统能效的影响分析43-45
• 5.3.2 贮热水箱容积对于系统能效的影响分析45-46
• 5.3.3 设计用水定额对于系统能效的影响分析46
• 5.3.4 设计供水温度对于系统能效的影响分析46-47
• 5.4 系统长期运行分析47-48
• 5.5 本章小结48-50
• 第6章 太阳能-土壤源热泵系统研究及优化50-73
• 6.1 太阳能-土壤源热泵热水系统的分类50-51
• 6.2 太阳能-土壤源热泵热水系统的基本情况51-53
• 6.2.1 系统原理51
• 6.2.2 运行工况分析51-52
• 6.2.3 系统控制方式52
• 6.2.4 系统技术特点52-53
• 6.3 系统最佳匹配研究53-61
• 6.3.1 长沙地区日总辐射量和月总辐射量54
• 6.3.2 长沙地区集热器面积与机组容量的最佳匹配54-61
• 6.4 系统跨季节储热的优化研究61-64
• 6.5 系统效益分析64-71
• 6.5.1 节能效益分析64-65
• 6.5.2 环保效益分析65-66
• 6.5.3 经济效益分析66-71
• 6.6 本章小结71-73
• 总结与展望73-76
• 论文总结73-74
• 工作展望74-76
• 参考文献76-81
• 致谢81-82
• 附录 A (攻读硕士学位期间所参与科研项目)82

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