太阳能辅助多功能热泵系统的理论与实验研究

论文摘要

本文提出了一种新颖的太阳能辅助多功能热泵系统(SAMHPS),是基于热泵热消耗领域多向利用的思想,通过创新性设计,融合太阳能的利用,以较高设备利用率和工作效率实现生活热消耗领域的空气调节和制取热水功能,非常适合于家用和商业空调热水领域。本文综述了热泵应用技术的发展历史和热泵研究领域的重点方向,结合课题研究的社会背景和行业情况,探讨了SAMHPS系统的应用前景。本文所设计的SAMHPS系统,仅使用三台换热器、一套节流装置和一台压缩机,巧妙的系统设计能够提供七种功能模式下的空气调节和制取热水,即太阳能辅助室内制热,室内单制热,热泵热水器,室内单制冷,室内制冷同时制热水,制取冷水功能和太阳能热水器功能等。其中“太阳能辅助制热”功能和“热泵热水器”功能是SAMHPS系统最具有节能优势的两大核心功能。本文对SAMHPS系统的核心功能进行了理论仿真计算,建立了系统稳态仿真模型,从理论上分析了SAMHPS核心功能所具有的高效节能效果。在理论模拟计算的基础上,我们搭建了SAMHPS系统实验台功能系统和测试系统。实验台功能系统是实现各功能的基础。实验台测试系统是基于计算机自动数据采集技术的一套自编软件程序,它是在Visual Basic平台上开发的,应用虚拟仪器技术和串口通讯技术,能够实现定时自动采集实验数据参数(温度,压力,流量和功率),并融合了数据存储,处理和实时分析等高级功能。对SAMHPS系统的太阳能辅助室内制热,室内单制热,热泵热水器,室内制冷同时制热水和冬季融霜等功能进行了实验和分析。通过对系统各个功能下的多组详细实验,证实了SAMHPS理论模拟计算所预示的高效节能。通过实验对比研究,揭示了在不同功能下,影响SAMHPS系统设率提高的各个关键因素。同时从实际应用出发,指出了对于大多数中东部地区而言,丰富的太阳能源能够以较低的代价在本系统中得到应用。最后,本文对SAMHPS系统的研究进行了总结,并展望了未来的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究的社会背景
• 1.1.2 课题研究的应用环境
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 热泵应用的起源和发展
• 1.3 多功能热泵的技术基础
• 1.4 多功能热泵研究与应用现状
• 1.4.1 空调热水器一体机方面的研究
• 1.4.2 太阳能与热泵的利用方面的研究
• 1.4.3 国内外太阳能热泵的研究进展
• 1.4.4 废热余热的利用
• 1.4.5 适用于热泵系统的工质研究
• 1.4.6 除霜及极其寒冷条件下热泵运行问题
• 1.5 多功能热泵系统研究和应用中存在的问题
• 1.5.1 研究中存在的问题
• 1.5.2 应用中存在的问题
• 1.6 本课题提出的多功能热泵系统
• 1.7 本文研究工作及内容
• 第二章 SAMHPS结构与功能介绍
• 2.1 基本SAMHPS原型
• 2.2 改进SAMHPS系统
• 2.3 SAMHPS的优点及应用前景
• 2.3.1 SAMHPS的优点
• 2.3.2 SAMHPS系统的应用前景
• 第三章 SAMHPS系统稳态模拟计算
• 3.1 系统模拟的算法
• 3.2 压缩机部件模拟
• 3.2.1 压缩机模拟的目标函数
• 3.2.2 压缩机的质量流量模型
• 3.2.3 压缩机功率模型
• 3.2.4 压缩机模拟仿真流程
• 3.3 冷凝器部件模拟
• 3.3.1 冷凝器模拟的目标函数
• 3.3.2 冷凝器仿真的基本模型
• 3.3.3 翅片式冷凝器部件模拟
• 3.3.4 板式冷凝器部件模拟
• 3.3.5 冷凝器模拟仿真流程
• 3.4 蒸发器部件模拟
• 3.4.1 蒸发器模拟的目标函数
• 3.4.2 蒸发器仿真的基本模型
• 3.4.3 翅片式蒸发器部件模拟
• 3.4.4 板式蒸发器部件模拟
• 3.4.5 蒸发器模拟仿真流程
• 3.5 节流阀部件模拟
• 3.5.1 节流阀模拟的目标函数
• 3.5.2 节流阀模拟的模型
• 3.6 模拟计算结果分析
• 3.6.1 模拟太阳能辅助室内加热工况
• 3.6.2 模拟热泵热水器工况
• 3.7 结论
• 第四章 实验系统的搭建
• 4.1 系统结构图
• 4.2 实验部件的选型设计
• 4.3 参数测量的一次仪器
• 4.3.1 温度的测量
• 4.3.2 压力的测量
• 4.3.3 功率的测量
• 4.3.4 流量的测量
• 4.4 实验方案设计
• 4.4.1 太阳能辅助室内制热（有太阳能）
• 4.4.2 室内单制热
• 4.4.3 热泵热水器功能
• 4.4.4 室内制冷同时制热水
• 4.4.5 室内单制冷
• 4.5 实验过程
• 4.5.1 实验准备及步骤
• 4.5.2 环境温度控制
• 4.5.3 水温及水流量的控制
• 第五章 一体化实时数据采集及分析软件的开发
• 5.1 开发实时数据采集软件的必要性
• 5.2 开发实时数据采集软件的框架
• 5.2.1 虚拟仪器技术及应用
• 5.2.2 串口通讯技术及应用
• 5.2.3 数据实时存储与处理技术
• 5.3 各类参数的采集方式
• 5.3.1 温度参数的采集
• 5.3.2 压力参数的采集
• 5.3.3 流量参数的采集
• 5.3.4 功率参数的采集
• 5.4 软件中数据的实时分析
• 5.5 软件实物展示
• 第六章 实验测试和结果分析
• 6.1 “室内单制热”功能实验及分析
• 6.2 “太阳能辅助室内制热”功能实验及分析
• 6.2.1 制冷剂充注量及室内温度参数对性能的影响
• 6.2.2 模拟太阳能辐射条件下的实验
• 6.2.3 “太阳能辅助室内制热”功能结论
• 6.3 “热泵热水器”功能实验及分析
• 6.3.1 制冷剂充注量3.222kg时的热泵热水器功能
• 6.3.2 典型热泵热水器工况下的实验分析
• 6.3.3 “热泵热水器”功能结论
• 6.4 “室内制冷同时制热水”功能实验及分析
• 6.5 冬季除霜工况
• 6.6 结论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 致谢