河西走廊太阳能和CO2空气源热泵联合采暖系统研究

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目前河西走廊地区采暖方式以燃煤、燃气锅炉为主,这种采暖方式不仅能耗高而且污染严重,从而节能、环保的采暖方式成为该地区一个亟需解决的问题。本文从河西走廊地区的气候特征和能源结构特点综合考虑,基于改进型生命周期评价方法,建立了河西走廊地区采暖形式全生命周期评价指标体系,并利用优化算法,验证了太阳能和CO2空气源热泵联合采暖系统是可应用于该地区的最优采暖形式。采用实验和仿真计算相结合的方法对太阳能和CO2空气源热泵联合采暖系统进行了详细、系统的研究,其研究成果可以为太阳能和C02空气源热泵联合采暖系统在河西走廊及气候条件相似地区的应用提供理论依据和技术参考。本文分别开展了太阳能集热采暖系统、C02空气源热泵采暖系统的实验研究。实验结果表明:大流量造成集热器出口温度较低,温差变大,但不同流量的进出口平均温度基本一致。通过动态测试方法,可计算得出所用集热器太阳能保证率,并线性拟合得到集热器瞬时效率公式:77=0.627-0.35T*。CO2空气源热泵实验结果表明:气体冷却器水侧的进水温度、进水流量和蒸发器空气侧的室外温度、风速是影响该系统COP的主要因素,并进一步得到室外温度在-25℃--15℃时,CO2空气源热泵COP在2-3之间。基于微元法建立了太阳能和CO2空气源热泵联合采暖系统的数学模型,并应用TRNSYS软件建立了仿真计算模型,实现了系统各模型耦合求解。同时,对模拟数据和实验数据进行对比,验证了仿真模型的可靠性。分析了CO2空气源热泵中气体冷却器、蒸发器和回热器在低温条件下对机组性能的影响。气体冷却器对机组性能的影响为:随气体冷却器进水温度的升高,机组制热量不断下降。另外,气体冷却器进水流量的增大能够提高机组的性能系数,但同时也会减小出水温度,所以应该根据实际需求确定进水流量。由蒸发器空气侧室外温度和空气流量对机组性能的影响可知,机组COP随着室外温度的下降而下降,而空气流量的增加提高了机组COP,但空气流量的不断增大,对COP的影响却越来越小。因此,在实际应用中当室外温度较低时,为了使机组COP保持在较高水平,可通过调节空气流量等方法来实现。研究还表明:带回热器的机组平均COP比无回热器提高了5%。本文基于典型晴天、多云天和阴天三种工况对太阳能和C02空气源热泵联合采暖系统影响因素进行了分析。其结果表明:三种工况下均呈现出机组COP随集热器面积的增大逐渐增大的趋势,并且同一集热器面积下,机组COP随日间太阳辐射的增强逐渐增大。如,当集热器面积为600m2时,和集热器面积为Om2相比,CO2空气源热泵节能率提高了24.9%;另外,典型晴天和多云天工况相比,节能率提高了19.2%。在能耗分析中,根据能耗分析方法定义了太阳能相应产电效率ηsegp及集热器综合效率,通过综合效率对集热面积进行了优化,得出该地区最佳采暖季太阳能保证率27.7%。在此基础上给出了联合采暖系统应用于实际工程时,集热面积与C02空气源热泵机组制热量之间的关系式通过确定系统的控制目标,提出相应监测参数、探讨太阳能和CO2空气源热泵联合采暖系统的7种运行模式及各种运行模式的转换条件,从而建立了一套适用于太阳能和C02空气源热泵联合采暖系统的逻辑控制策略,并通过案例分析验证了控制策略的可靠性。
摘要第6-8页
Abstract第8-10页
目录第11-15页
第1章 绪论第15-28页
    1.1 选题背景第15-17页
        1.1.1 河西走廊采暖方式现状第15-16页
        1.1.2 研究背景和意义第16-17页
    1.2 国内外研究现状分析第17-26页
        1.2.1 太阳能集热系统和CO_2空气源热泵系统介绍第17-18页
        1.2.2 太阳能采暖研究现状第18-22页
        1.2.3 CO_2空气源热泵研究现状第22-25页
        1.2.4 存在的问题第25-26页
    1.3 论文研究内容及方法第26-28页
        1.3.1 研究内容第26-27页
        1.3.2 研究方法第27-28页
第2章 采暖系统在河西走廊的适应性分析第28-56页
    2.1 气候与能源特征调查第28-31页
        2.1.1 气候条件调查第28-30页
        2.1.2 能源结构调查第30-31页
    2.2 河西走廊采暖形式分析第31-32页
        2.2.1 热源的确定第31-32页
        2.2.2 输送系统和末端设施的确定第32页
    2.3 采暖形式指标体系的建立第32-40页
        2.3.1 全生命周期评价系统第32-33页
        2.3.2 采暖形式全生命周期评价因素分析第33-36页
        2.3.3 采暖形式全生命周期评价指标体系建立第36-40页
    2.4 采暖形式比较研究第40-55页
        2.4.1 评价方法的确定第40-41页
        2.4.2 可拓评价法第41-47页
        2.4.3 采暖形式的比较研究第47-54页
        2.4.4 结果分析第54-55页
    2.5 本章小结第55-56页
第3章 太阳能采暖系统和CO_2热泵采暖系统实验研究第56-78页
    3.1 实验目的第56页
    3.2 实验内容第56-57页
    3.3 实验系统第57-62页
        3.3.1 太阳能集热采暖系统实验第57-60页
        3.3.2 CO_2空气源热泵采暖系统实验第60-62页
    3.4 实验方法第62-63页
    3.5 实验测量原理第63-64页
    3.6 误差分析第64-65页
    3.7 实验结果与分析第65-77页
        3.7.1 集热特性分析第65-70页
        3.7.2 热泵特性分析第70-77页
    3.8 本章小结第77-78页
第4章 联合采暖系统仿真模型及模型验证第78-105页
    4.1 计算模型第78-95页
        4.1.1 集热器模型第78-80页
        4.1.2 板式换热器模型第80-81页
        4.1.3 CO_2空气源热泵模型第81-93页
        4.1.4 地板传热的数学模型第93-95页
        4.1.5 物性算法第95页
    4.2 模型求解第95-96页
        4.2.1 变量转化第95-96页
        4.2.2 数学模型求解第96页
        4.2.3 初值确定第96页
    4.3 联合采暖系统的运行原理及结构第96-99页
        4.3.1 系统运行原理第96-97页
        4.3.2 系统结构分析第97页
        4.3.3 模型耦合求解第97-99页
    4.4 联合采暖系统的仿真模型的建立第99-101页
        4.4.1 TRNSYS的介绍第99-100页
        4.4.2 新模块的建立第100页
        4.4.3 模型的建立第100-101页
    4.5 模型验证第101-104页
    4.6 本章小结第104-105页
第5章 低温环境下C02空气源热泵运行特性分析第105-116页
    5.1 气体冷却器对系统性能的影响第105-108页
        5.1.1 水侧进水温度的影响第105-107页
        5.1.2 水侧进水流量的影响第107-108页
    5.2 蒸发器对系统性能的影响第108-113页
        5.2.1 空气侧空气温度的影响第108-111页
        5.2.2 空气侧空气流量的影响第111-113页
    5.3 内部回热器对系统性能的影响第113-115页
    5.4 本章小结第115-116页
第6章 联合采暖系统影响因素及优化设计研究第116-133页
    6.1 研究工况概述第116-118页
        6.1.1 典型晴天工况第117页
        6.1.2 典型多云天工况第117-118页
        6.1.3 典型阴天工况第118页
    6.2 联合采暖系统影响因素研究第118-126页
        6.2.1 晴天工况下集热面积对CO_2热泵机组的影响第118-122页
        6.2.2 多云天工况下集热面积对CO_2热泵机组的影响第122-125页
        6.2.3 阴天工况下集热面积对CO_2热泵机组的影响第125-126页
    6.3 CO_2空气源热泵系统的能耗特点第126-130页
        6.3.1 典型日内能耗情况第126-129页
        6.3.2 典型采暖季内能耗情况第129-130页
    6.4 集热面积的优化第130-132页
    6.5 本章小结第132-133页
第7章 联合采暖系统控制策略分析第133-150页
    7.1 控制策略的分类和构成第133-134页
        7.1.1 控制策略的分类第133-134页
        7.1.2 控制策略的构成第134页
    7.2 控制目标第134-135页
    7.3 联合采暖系统的监测参数第135-136页
        7.3.1 集热系统监测参数第135页
        7.3.2 供热系统监测参数第135-136页
        7.3.3 末端系统监测参数第136页
    7.4 联合采暖系统的控制策略分析第136-147页
        7.4.1 系统各部分启停控制第136-137页
        7.4.2 系统各部分运行模式第137-144页
        7.4.3 模式运行转换控制第144-145页
        7.4.4 联合采暖系统逻辑控制策略第145-146页
        7.4.5 联合采暖系统控制策略参数设定第146-147页
    7.5 控制策略验证第147-149页
        7.5.1 基本概况第147页
        7.5.2 运行过程第147-148页
        7.5.3 运行结果第148-149页
    7.6 本章小结第149-150页
结论第150-152页
致谢第152-153页
参考文献第153-160页
附录第160-166页
攻读博士学位期间发表论文和科研成果第166-167页
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