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三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统实验与模拟

杨灵艳  
【摘要】: 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统是一个采用新型的三套管相变换热器,将太阳能热泵、空气源热泵和相变蓄能技术有机地集成在一起的系统。该系统可以充分利用清洁的可再生能源太阳能、空气能,利用空气源热泵和太阳能热泵互为补充,缓解了常规空调系统能耗大和环境污染等问题,表现出用能的合理性,推广了科学用能、生态供热的理念,具有明显的环境效益和社会效益。 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统结构设计巧妙,可以根据气候条件、用户需求的不同,通过简单有效地控制策略,来实现多种运行模式,即夏季空气源热泵供冷及太阳能供生活热水模式;夏季夜间蓄冷模式;夏季用户侧取冷及太阳能供生活热水模式;夏季供冷/蓄冷模式;夏季空气源热泵和蓄冷联合供冷及太阳能供生活热水模式;冬季供热模式;冬季蓄热模式;冬季蓄能热泵供热模式;冬季空气源热泵供热模式;冬季空气源和蓄热联合供热模式;冬季空气源和太阳能联合供热模式。基于三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的运行模式,可知该系统是一个可全年应用的多源热泵系统,具有调节灵活、适用范围广等特点。 为了验证三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的可行性,本文通过对系统特点的分析,在现有的商用相变材料中筛选出了符合要求的相变材料。然后,针对系统核心部件—三套管相变蓄能换热器,设计建立了实验台。在典型运行模式下,测得了实验制冷系统的压缩机入出口压力、压缩比、能量变化曲线,用实验数据验证了新系统的可行性。 为了研究三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的稳态运行特性和三套管相变蓄能换热器的换热特性,本文利用分布参数法建立了三套管相变蓄能换热器的数学模型,对相变过程采用焓法模型建模。利用稳态分布参数法分别建立了螺旋套管冷凝换热器的数学模型,采用图形法和力平衡法分别建立了压缩机和热力膨胀阀的集总参数计算数学模型,并基于能量守恒定律等约束条件,建立了三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的稳态仿真模型。这些模型的建立为研究三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的运行特性提供了有力的工具。 利用系统仿真数学模型,模拟了实验台制冷系统在蓄冷模式、蓄能热泵供热模式、和同时蓄、释的供热模式下,压缩机吸排气压力、冷凝温度、蒸发温度、制热量、蓄能量、COP等性能参数的变化情况,分析了在运行过程中引起系统各性能参数变化的各种因素。研究了三套管相变蓄能换热器在蓄冷模式、取冷模式、蓄热模式、蓄能供热模式和同时蓄、释的供热模式下的相变材料的相变导热过程和换热器的热力特性,并将数值模拟的结果与实验数据进行了对比分析,二者吻合较好,从而验证了本文所建模型的可行性、可靠性和正确性。 通过对三套管相变蓄能换热器的数值求解和实验验证,分析了三套管相变换热器换热特性。对相变材料层在三个典型运行模式下的温度场变化进行了分析,并与实验值进行了对比,验证了三套管相变换热器数学模型的正确性,为三套管蓄能换热器具有更好的性能,更好的适应不同类型系统,提供了理论基础,也为其进一步产品化提供重要的指导作用。


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