太阳能空气源热泵热水系统

大学学士学位论文本科毕业设计论文题目太阳能辅助空气源热泵热水供应系统设计学院名称机械电子工程学院专业班级热能与动力工程学生姓名学号指导教师填表时间：2014年月日大学学士学位论文摘要目前，太阳能辅助空气源热泵热水系统已经在建筑中得到广泛推广。太阳能辅助空气源热泵系统实现了空气和太阳能两种可再生能源的综合利用和优势互补，是一种高效洁净的新型热水制备方式。本设计在简述国内外太阳能辅助空气源热泵系统研究的基础之上，设计了满足该居民楼全年供应热水要求的太阳能—空气源热泵热水供应系统运行方案，设计了平板型太阳能集热器；对热泵系统中，建立压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀数学模型，并编制了冷凝器、蒸发器的仿真程序；最后对系统进行经济性分析；其中重点是冷凝器、蒸发器的结构设计，以及仿真编程和系统的经济性分析。本设计设计的太阳能空气源热泵热水供应系统中，包括太阳能热水供应回路和空气源热泵热水供应回路；太阳能优先供应热水，当太阳能供应不足时，空气源热泵再供应热水，最大化的使用太阳能。对系统进行经济性分析，计算出传统方式和本系统的全年总费用、初投资，得出投资回收年限，表明该系统具有节能，经济的优势。关键词：太阳能；空气源热泵；蒸发器；冷凝器；性能分析大学学士学位论文ABSTRACTNowthesolarassistedairsourceheatpumphotwatersystemhasbeenwidelyspreadinthebuilding.Solar-assistedairsourceheatpumpsystemrealizedtheutilizationandcomplementaryadvantageoftworenewableenergy：airandsolar，beinganewandhighefficientpreparationmethod.Thisdesignintroducesthesolar-assistedairsourceheatpumpsystemathomeandabroadresearch.Operationschemeofsolarhotwater-airsourceheatpumphotwatersupplysystemmeettheresidentialbuildingyear-roundwater-supply.Thissubjectalsodesignedaflatsolarcollectorandestablishedmathematicalmodelofcompressor,condenser,evaporator,expansionvalve.Thispapercompilesthecondenser,evaporatorsimulationprogram.Finallythedesignmakesanalysisefficiencyofsystem,whichfocusesonthesimulationprogrammingandthestructuredesignofthecondenserandevaporator,andsystemsanalysisoftheeconomy.Solarairsourceheatpumphotwatersupplysystemdesignedinthispapercomposedofthesolarhotwatersupplyloopandairsourceheatpumphotwatersupplyloop.Solarenergysupplyhotwaterfirst.Whenthesolarenergysupplyisinsufficient,theairsourceheatpumpsupplieshotwater.Systemismaximizeusedofsolarenergy,toachievethepurposeofenergysaving.Economicanalysiscalculatestotalcostofthetraditionalwayandtheannual,thenwegetit’stheinvestmentrecoveryperiod.Aboveallresultsindicatedthatthesystemhastheenergysavingandbeingeconomical.Keywords:Solarenergy;Airsourceheatpump;Evaporator;Condenser;Performanceanalysis大学学士学位论文目录摘要.......................................2ABSTRACT.................................31绪论....................................11.1本课题的研究目的及意义.................................11.2太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状.......................21.3本设计的主要研究内容....................................42太阳能辅助空气源热泵热水系统方案................62.1太阳能辅助空气源热泵热水系统要求........................62.2热水供应系统方案设计....................................72.3本章小结.................................................93太阳能集热器数学模型及结构设计................103.1设计参数................................................103.2平板型太阳能集热器的数学模型...........................113.3平板型太阳能集热器结构.................................173.4本章小结................................................194热泵装置各部件数学模型......................194.1压缩机数学模型.........................................204.2蒸发器数学模型及仿真...................................234.3冷凝器数学模型及仿真....................................334.4膨胀阀模型..............................................404.5辅助电加热器的选取......................................42大学学士学位论文4.6本章小结...............................................425.系统节能性和经济性分析......................435.1系统的节能性分析.......................................435.2系统的经济性分析........................................455.3本章小结...............................................466总结与展望...............................47参考文献...................................49致谢......................................51附录一....................................52英文翻译...................................................52附录二....................................67蒸发器仿真程序.............................................67大学学士学位论文11绪论进入21世纪世界对能源的需求越来越大，然而化石能源（如煤炭、石油、天然气等）面临枯竭的困境，并且化石能源的燃烧也会对大气造成污染。因此开发研究新型能源和可再生能源是当前重重之重。太阳能作为最常见，最清洁的能源是首选的新能源；空气源热泵将低位能转变成高位能，节能清洁。本设计所研究的太阳能空气源热泵热水系统不仅具有节能，清洁的有点，而且还能节约费用，在以后会用更广泛的用途。1.1本课题的研究目的及意义我国主要是用煤炭、燃油、燃气、电锅炉等形式提供商业建筑热水，主要采用电热水器、燃气热水器、太阳能热水器等形式提供民用建筑热水。我国能耗利用率不高，建筑能耗约占总能耗的30%，其中商业建筑热水能耗占总能耗20%一40%，民用建筑热水能耗占20%[1]，所以，在建筑节能工作和提高社会能源使用率上，降低传统燃煤供暖所造成的大气污染，减少建筑能耗，大力推广及使用清洁能源是顺应时代的趋势，对我国缓解和解决大气污染具有重要意义[2]。从利用热能角度，采用电力、燃气、燃油等高品位热源的热水器，虽然加热效率较高，但实际加热过程中伴随着巨大的熵增损失，将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，来保证太阳能热水器的全天候工作，在我国，对于太阳能资源十分丰富的地区而言，这项课题具有一定的实用价值和现实意义。太阳能热水器具有节能及环保等优势，在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用，但常规太阳能热水器易受气候的影响，不能全天候运行。热泵作为一种高效节能装置，其应用逐渐普及，将热泵节能技术与太阳能热水系大学学士学位论文2统有机地结合起来，可弥补后者的不足，并实现其高，全天候运行，对节能、环保都有重要的意义[3]。1.2太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状太阳能—空气源热泵在建筑中的应用已经得到了广泛的推广，这符合走可持续发展道路，节约能源，环保的政策。我国地域广阔，蕴藏这丰富的太阳能资源，因地制宜的在不同的建筑采用不同形式的太阳能—热泵系统，可有效地促进建筑节能水平的提高和人民生活水平的改善，既节约的能源，有保护了环境，符合国家资源和环境战略，太阳能热泵有巨大的发展前景。太阳能集热器本身具有受环境影响大，有间歇性的特点，它与空气源热泵相结合能充分克服太阳能本身的这些缺点，而且还可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发，应用潜力。1.2.1国内外太阳能—热泵系统研究现状国外关于太阳能和热泵联合的研究，可以追溯到20世纪50年代由Jordan和Therkled提出早期太阳能热泵系统的研究主要集中在民用建筑或公共设施供热这样的大型系统[4]。太阳能热泵的结构型式多种多样，不同结构型式的系统具有不同的性能特性。Chandrasekhar[5]等人根据加拿大七个代表性城市的天气资料，对多种不同结构型式的太阳能热泵热水系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。Macarthur[6]对串联式太阳能热泵进行结构优化，并对其投资回收期进行了计算。研究结果表明，太阳能热泵储热器的容量和太阳能集热器的面积是太阳能热泵设计的重点考虑因素，储热器容量和太阳能集热器过大或过小都会极大降低太阳能热泵的经济性；同时给出当地条件下，对于90m2的供热面积，最理想太阳能集热器面积的储热器容积分别为30m2和3.5m2。在大规模应用方面，国外的研究侧重于与建筑结构及目标对象相结合大学学士学位论文3包括：以空气源热泵作为住宅的供暖(冷)机组的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖(冷)的研究，在室内或室外露天游泳池中的应用研究，在建筑物余热(排风废热)回收与利用中的应用研究，对冷凝废热回收与