直凝式空气源热泵地暖系统研究

【摘要】：采暖是北方居民冬季生活的基本需求,是占全国终端能耗近30%的建筑能耗中最大的能耗大户。目前的采暖方式主要包括空调制热、散热片自然对流采暖及地板辐射采暖(地暖),其中地暖被认为是热舒适性和能效最高的。近几年地暖在北方甚至在长江中下游等地迅速兴起,未来的建筑采暖方式中,据分析60%以上会采用地暖的方式。地暖系统具有舒适性高、节能和卫生条件好等优点,但常规的低温热水地暖系统在提高热源效率、保护环境、降低输配系统能耗以及降低中间能量转换损失等方面还需要进一步提高。新型地板辐射采暖系统一直凝式空气源热泵地暖系统(Direct condensing air source heat pump floor heating system, DCHP air)直接把制冷剂导入地板盘管中,代替常规热泵系统的冷凝器,减少了中间能量传递环节和传热热阻,大大降低了系统的能耗,有关研究刚开展不久。本论文围绕直凝式空气源热泵地暖系统的基本理论与性能开展理论与实验研究,期待为直凝式空气源热泵地暖系统的发展做出贡献。第一章对直凝式空气源热泵地暖系统研究意义及国内外研究现状进行了分析和综述,明确了研究目的和内容。第二章对直凝式空气源热泵地暖系统工作原理和基础问题进行分析。直凝式空气源热泵地暖系统的散热部件埋入地下,与常规采暖系统的散热器直接向空气散热,其传热的方式与条件发生了变化。同时,与水暖式地暖相比,管内媒体为制冷剂而不是水。本文为明确其对系统性能的影响,进行了直凝式空气源热泵地暖系统与风冷系统和水暖系统的传热性能比较分析。地下埋管是直凝式空气源热泵地暖系统极为特殊也是极为重要的部分。本文从物理性能、传热性能、加工性、承压能力、经济性及耐腐蚀能力六个方面出发,分析直凝式空气源热泵地暖系统地埋管的工作条件及要求,确定选取不锈钢管作为直凝式空气源热泵地暖系统的盘管管材。第三章利用ANSYS数值模拟软件,对直凝式空气源热泵地暖系统中的热能传递和地板结构层的传热影响因素进行了分析,得出不同冷凝温度、地表层材料、填充层厚度及管间距对应的地表温度及热流密度值,并绘制成表格,为实际工程建造提供参考。第四章进行直凝式空气源热泵地暖系统实验系统设计,研制出系统样机,并进行实验研究。第五章则对实验数据进行了分析整理。实验结果主要从能效与舒适性参数两个方面进行了整理。实验数据表明：直凝式空气源热泵地暖系统当室外温度为0℃,湿度为50%时,直凝式地暖机组小时能效比达到2.72以上,当室外温度上升至5℃,机组小时能效比提高到3.41以上,大大高于其他采暖形式；直凝式空气源热泵地暖系统采暖热舒适性好,。尤其是在间歇运行的情况下,其室温、地表温度波动小,满足规范GB50736—2012标准室内供暖要求。最后对全文进行了总结,并对本文的研究不足和今后的进一步研究提出了看法。 【关键词】：直凝式空气源热泵(DCHP air) 地暖 能效 管材 数值模拟 热舒适性
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 研究的意义15-17
• 1.2 国内外研究现状及综述17-23
• 1.2.1 国外的研究现状17-19
• 1.2.2 国内的研究现状19-23
• 1.3 课题来源23
• 1.4 主要研究的内容23-24
• 第二章 直凝式空气源热泵地暖系统的基础问题研究24-40
• 2.1 地板辐射采暖系统分类24
• 2.2 直凝式空气源热泵地暖系统工作原理24-25
• 2.3 直凝式空气源热泵地暖系统地埋管传热特性研究25-29
• 2.3.1 直凝式空气源热泵地暖系统地埋管换热系数25-28
• 2.3.2 低温热水地暖系统地埋管管内换热系数28-29
• 2.3.3 风冷散热器换热系数29
• 2.4 直凝式空气源热泵地暖系统地下埋管的材料特性研究29-38
• 2.4.1 直凝式空气源热泵地暖系统管材的物理性能30-32
• 2.4.2 直凝式空气源热泵地暖系统管材的传热性能32-33
• 2.4.3 直凝式空气源热泵地暖系统管材的承压能力33-34
• 2.4.4 直凝式空气能热泵地暖系统管材的经济性34-35
• 2.4.5 直凝式空气能热泵地暖系统管材的加工性35
• 2.4.6 直凝式空气能热泵地暖系统管材的耐腐蚀性35-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 直凝式空气源热泵地暖系统结构层传热数值模拟研究40-57
• 3.1 结构层物理模型40-42
• 3.2 计算模型的建立42-43
• 3.2.1 几点假设42
• 3.2.2 最小传热单元及微分方程42-43
• 3.3 边界条件43-45
• 3.3.1 管壁面边界43
• 3.3.2 左右边界43
• 3.3.3 地板上表面边界43-44
• 3.3.4 地板下表面边界44-45
• 3.4 数值模拟方法45
• 3.5 结构层温度分布模拟45-46
• 3.5.1 地板结构层内部温度的分布45-46
• 3.5.2 地板表面温度的分布46
• 3.6 地板表面温度的影响因素46-50
• 3.6.1 冷凝温度对地板表面温度的影响46-47
• 3.6.2 管间距对地板表面温度的影响47-48
• 3.6.3 填充层厚度对地板表面温度的影响48-49
• 3.6.4 地表层材料对地板表面温度的影响49-50
• 3.7 地板表面热流密度的影响因素50-55
• 3.7.1 管间距及地表材料对地表热流密度的影响50-52
• 3.7.2 冷凝温度和填充层厚度对地板表面热流密度的影响52-55
• 3.8 本章小结55-57
• 第四章 直凝式空气源热泵地暖系统设计研究57-68
• 4.1 实验目的57
• 4.2 实验场地57
• 4.3 实验房室内设计参数57-58
• 4.4 实验装置58-62
• 4.4.1 地暖管道的敷设研究58
• 4.4.2 结构层的设计研究58-59
• 4.4.3 实验房的设计研究59-60
• 4.4.4 实验房热负荷计算60-61
• 4.4.5 系统主机的选择61-62
• 4.4.6 其他部件的选择62
• 4.5 实验仪器62-63
• 4.6 实验平台的搭建63-65
• 4.7 实验步骤65
• 4.8 数据的测试与记录65-67
• 4.8.1 系统性能参数的测定65-66
• 4.8.2 热舒适性参数的测定66-67
• 4.9 本章小结67-68
• 第五章 直凝式空气源热泵地暖系统实验数据分析68-84
• 5.1 直凝式空气源热泵地暖系统能效分析68-71
• 5.1.1 系统制冷剂流量的计算69-70
• 5.1.2 不同采暖方式的热力性能比较70-71
• 5.2 测试房温度的分析71-74
• 5.2.1 实验房室内垂直方向温度的分布71-72
• 5.2.2 地板实测值与模拟值的比较72-73
• 5.2.3 实验房室内温度的分布73-74
• 5.3 系统的运行模式74-75
• 5.4 热舒适性的影响因素75
• 5.5 热舒适性的评价指标75-82
• 5.5.1 地板表面温度均匀性75-76
• 5.5.2 作用温度与室内平均辐射温度76-78
• 5.5.3 辐射不对称性78-79
• 5.5.4 PMV—PPD指标的计算79-82
• 5.6 本章小结82-84
• 结论与展望84-86
• 参考文献86-90
• 攻读学位期间发表的论文90-92
• 致谢92

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