蓄热水箱联合太阳能热泵供暖系统的应用研究

【摘要】：近年来,随着我国经济的快速发展,对能源的需求量也日益增加。在所有能耗中,建筑能耗所占比例高达1/4,且有逐步增加的趋势,因此寻求一种可再生能源代替煤炭为建筑供暖成为一种必然。在所有可再生能源中,太阳能以之绿色无污染的优势成为首选。尤其是太阳能和热泵联合供暖系统,综合了两种热源的优点。但传统太阳能热泵供暖系统在我国严寒地区应用中存在各种各样的问题,且缺少针对该地区不同建筑类型间接蓄热水箱结构设计的研究。基于此,本论文提出了新的太阳能+低温热回收空气源热泵联合供暖系统,并对系统中的关键设备蓄热水箱的容积及结构设计做了详细分析计算。本文首先详细阐述了太阳能+低温热回收空气源热泵联合供暖系统的设计方法。指出空气源热泵装机容量的确定与室外逐时温度及建筑逐时负荷相关,在实际计算时应首先确定最佳平衡点温度,由最佳平衡点温度下的建筑负荷推算机组的装机容量;指出影响集热器面积计算的关键参数为太阳能保证率及集热效率,通过分析室外逐时温度、建筑逐时热负荷以及热泵的制热性能之间的耦合特性,得出太阳能保证率的计算方法及流程,通过实验测试得到该系统模式下集热侧的最佳循环流量,进而计算得到集热器的集热效率;指出蓄热水箱容积的计算方法,通过分析热泵机组的制冷+热回收性能确定了水箱的蓄热温度。通过分析居住、办公建筑运行控制策略与水箱结构设计之间的关系,指出了居住、办公建筑水箱在结构设计时的侧重点。对于居住建筑,其内置换热盘管设计应以换热效率为主,宜选择立式螺旋盘管,水箱至热泵侧的供回水管设计应考虑水箱的容积利用率,参考自然分层水蓄冷槽进出水管的设计,通过改变水箱进出水管的位置及在进水管上部加设圆形挡板提高水箱容积利用率,并通过CFD模拟找出最佳挡板规格及其与进水口的距离;同时,通过CFD模拟比较了带挡板水箱与常规水箱的温度分层现象及其容积利用率,指出改变结构后的水箱容积利用率可大大提高。对于办公建筑,其内置盘管设计应同时兼顾换热效率及释热速率。在重庆大学搭建了小型试验台。通过实验测试居住建筑不同结构水箱的出口水温及内部温度分布,验证CFD模拟结果的正确性,分析测试结果与模拟结果出现微小不同的原因。对办公建筑两种不同换热盘管的性能进行测试,结果表明平铺U型管的释热速率要远大于螺旋立管,已超过了螺旋管换热效率高的优点,即办公建筑蓄热水箱的内置换热盘管选择平铺U型管更优。同时,将该研究成果通过相似、类比法应用到严寒地区的工程中。最后,对不同结构水箱对热泵机组运行性能的影响进行了分析与预测。研究表明:对于居住建筑而言,空气源热泵联合带挡板水箱运行时的COP值可较联合常规水箱时提高3.17%;对于办公建筑,热泵联合内置平铺U型管水箱运行时的COP值可较联合内置螺旋立管水箱提高7.16%。