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相变蓄热在太阳能热泵供热系统中的应用研究

白剑  
【摘要】:随着太阳能热泵供热技术的发展,太阳能热泵系统中蓄热技术的研究也得到了越来越多的关注。本文对太阳能相变蓄热热泵供热系统进行了各部件的理论分析、模拟计算和实验研究,主要研究了以下几个方面:相变蓄热材料的蓄/放热特性、相变蓄热装置的蓄/放热特性、太阳能相变蓄热热泵供热系统的能量转换和相变蓄热装置对热泵性能的影响等。 基于Fluent软件对圆柱形相变蓄热体的蓄/放热过程进行了模拟,探讨了恒壁温下相变蓄热体直径对相变蓄热体熔化放热时间的影响;相变蓄热体不同间距对放热的影响;相变蓄热装置的放热过程;影响相变蓄热装置放热性能的因素等。模拟结果表明:随着相变蓄热体直径的增大,恒壁温下相变蓄热体的蓄/放热时间延长。为了充分利用相变蓄热材料的相变放热量,应该尽量减小相变蓄热体的直径;随着相变蓄热体间距的增大,相变蓄热体周围热媒体的温度升高越快;相变蓄热装置中,影响装置放热性能的因素较多,但当相变材料和热媒体确定后,主要的影响因素为相变蓄热材料的形状尺寸和热媒体的流速。随着相变体直径的增大,热媒体流速的减小,相变蓄热装置的放热时间将增长,反之减小。综上所述,对于相变材料直径的确定应根据实际情况而定,在保证蓄热装置放热时间的前提下要充分利用相变蓄热体的相变放热量。 在Trnsys平台上,建立了太阳能相变蓄热热泵供热系统模型并进行了模拟分析。研究太原市典型日太阳能集热器集热量、集热器得到的有用能、相变蓄热量、电辅助加热量、热泵热源侧得热量、热泵负荷侧放热量、集热器的集热效率、热泵的COP以及整个系统的COP等。对太原市采暖期各月和整个采暖期的上述各量进行了模拟计算,并与无相变蓄热工况进行了对比。结果表明:在采暖期各月和整个采暖期,相变蓄热的使用对太阳能热泵供热系统热泵的平均COP影响较小,但可以增加太阳能集热器的平均集热效率。对于整个系统,采暖期相变材料的使用使系统的COP提高了0.38,同时存储了一定的热量。相变材料所储存的能量占太阳能集热器吸收有用能的2.64%。相变材料的使用可以节省电能11.34%。在整个采暖期,相变蓄热材料的使用具有节能减排的功能。 搭建了太阳能相变蓄热热泵供热系统实验台,对太阳能相变蓄热过程进行了实验;显热蓄热水箱和相变蓄热水箱的放热过程进行了实验对比;显热蓄热热泵系统和相变蓄热热泵系统的运行过程进行了实验对比。结果表明:相变材料的凝固放热过程可以延缓蓄热装置出口温度下降;实验过程中,分别以显热蓄热水箱和相变蓄热水箱为热源,相对于显热热泵系统,相变蓄热热泵系统热泵的COP提高了21.6%。


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