太阳能—地源热泵复合系统的应用分析与实验研究

【摘要】：随着科技的发展和经济全球化，能源和环境问题已成为人们关注的焦点，节能与环保已成为当今世界的主题。地源热泵技术作为可再生能源利用的暖通空调新技术受到了广泛的重视。地源热泵的优势在于其节能性，但是一些地域冬夏季冷热负荷的不平衡造成了地温度变化从而导致了系统能效比下降，这种不平衡已成为制约地源热泵新技术推广应用的主要“瓶颈”。目前，地源与其他冷热源复合式热泵系统已成为国内外研究的热门课题之一。为拓展地源热泵系统的应用，本文采用太阳能与地热源相结合的方式，建立复合型热泵系统，对其相关性能进行研究。 本文采用TRNSYS软件分别建立了太阳能系统和地源热泵系统仿真模型，以搭建的太阳能系统实验台和天津某地源热泵系统为实验基础，应用实际测试数据分别验证了仿真模型的准确性。同时利用TRNSYS软件对该建筑全年逐时负荷进行了模拟分析，得出该建筑的热负荷瞬时最大值出现每年的一月份的中下旬。冷负荷瞬时最大值出现在每年的七月份的中上旬。 在前述实验研究的基础上，建立了太阳能-地源热泵复合系统的仿真模型，分析复合系统串联模式和并联模式机组的性能。当复合系统采用串联连接时，太阳能集热器和地埋管两种不同连接方式的串联模式机组COP平均值分别为4.29和4.35；当复合系统并联连接时，Pr对系统性能有所影响，Pr为0.6时，机组的COP值为4.27。复合系统串联时的两种模式的COP值比单一热泵系统机组COP值4.17分别提高了2.88％和4.31％，并联复合系统COP值比单一热泵系统机组提高了1.91％。结果表明，地源侧循环水先流经地埋管，后经过集热器的串联模式，其COP值可达到4.35，比单一热泵系统COP值提高了4.31％，这种方式是复合系统的最佳连接方案。 最后，得出该复合系统在北方寒冷地区应用的优势很明显，可以有效的弥补土壤温度场不平衡现象，克服太阳辐射受昼夜、季节等自然条件的限制，同时对系统的性能有较大的提升，这种复合系统在北方寒冷地区值得推广应用。 【关键词】：地源热泵系统 太阳能 仿真模型 串 并联系统 COP
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU83;TK519
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 论文研究的背景9-10
• 1.2 太阳能和浅层地能利用概述10-13
• 1.2.1 太阳能和浅层地能资源储量10-12
• 1.2.2 太阳能和浅层地能的利用12-13
• 1.3 太阳能-地源热泵复合系统的国外研究现状13-15
• 1.3.1 国外研究现状13-14
• 1.3.2 国内研究现状14-15
• 1.4 课题研究的内容15-16
• 1.5 课题研究的目的和意义16-17
• 第二章 太阳能集热系统和地源热泵系统的实验研究17-37
• 2.1 热管真空管集热器的实验研究17-20
• 2.1.1 太阳能集热器介绍17-18
• 2.1.2 热管真空管集热器实验研究18-20
• 2.2 地源热泵系统的实验研究20-25
• 2.2.1 测试内容20
• 2.2.2 实验测试系统20-23
• 2.2.3 测试仪器及方法23-25
• 2.3 实验测试结果与分析25-34
• 2.3.1 实验误差分析25-27
• 2.3.2 实验测试与数据分析27-34
• 2.4 地源热泵系统问题分析34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 太阳能与地源热泵复合系统的数学模型37-44
• 3.1 太阳能系统数学模型37
• 3.1.1 热管真空管集热器数学模型37
• 3.2 地埋管数学模型37-42
• 3.2.1 线热源理论模型38-39
• 3.2.2 圆柱热源理论模型39-40
• 3.2.3 实验系统土壤导热系数测量40-42
• 3.3 地源热泵机组数学模型42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 太阳能和地源热泵系统的仿真模型44-56
• 4.1 TRNSYS 软件介绍44-45
• 4.1.1 软件功能44-45
• 4.1.2 软件适应性45
• 4.2 建筑负荷模拟45-49
• 4.2.1 围护结构及物性参数的确定45-46
• 4.2.2 内扰设定及热区域划分46-47
• 4.2.3 建筑负荷模拟及计算结果47-49
• 4.3 复合式系统模型的建立49-55
• 4.3.1 太阳能系统仿真模型的建立49-50
• 4.3.2 地源热泵系统仿真模型的建立50-53
• 4.3.3 太阳能与地源热泵复合系统仿真模型的建立53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 复合热泵系统仿真分析56-62
• 5.1 复合热泵系统串联形式仿真分析56-58
• 5.2 复合热泵系统并联形式仿真分析58-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 攻读硕士期间发表的论文和参与的科研项目69-70
• 致谢70

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