辐射板辅助热泵系统理论与实验研究

论文摘要

太阳能已成为世界上发展最快的新能源之一，而太阳能与建筑的结合，更是促进了可再生能源在建筑节能领域的应用和完善。本文结合国内外研究现状，对目前尚处在研究阶段的太阳能辅助热泵技术——辐射板辅助热泵系统进行理论和实验研究，系统综合利用太阳能、空气源、太空低温辐射等多种可再生能源，可为建筑提供冷暖，同时为建筑节能和新能源的利用提出一个新的方向。首先，本文建立了辐射板二维稳态传热模型，模型综合辐射、对流和热传导三种传热方式。模型采用有限元差分将非线性微分方程离散化，通过Newton迭代法对模型进行求解；通过模型求解，对辐射板的夏季集冷、冬季集热性能的影响因素进行理论分析，并对实验结果进行深入分析。研究表明，辐射板的集热性能受辐照度、风速、环境温度以及管内流体状态的影响，其中辐射板的集热量随辐照度、环境温度升高而增大。对于集冷性能，主要受环境温度和风速的影响，当风速过大可能导致辐射板的工作状态发生变化。其次，本文对热泵系统的各个部件建立稳态数学模型，通过对模型进行求解和验证，对各部件性能进行理论分析。经过分析得到冷凝器的长度为1.67m时，系统的过冷度可以保持在3~5℃，使得系统性能较好；同时冷凝器的换热量随着进口水温的增大而降低。蒸发器模拟结果表明，蒸发器的主要换热量集中在两相区的沸腾换热，随着蒸发器的进口水温的增高，其换热量增加。最后，综合利用上述模型，对辐射板辅助热泵系统进行了深入分析，得到辐射板辅助热泵系统白天集热，其性能随辐照度变化，夜间集冷对于环境的依赖程度较小，由于源端的波动性，系统集热制冷性能的主要影响因素为末端的能量负荷，所以根据末端用户的需求设定合适的末端温度，将提高系统整体效率，实现辐射板辅助热泵系统的高效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 建筑能耗和建筑节能
• 1.1.1 国外建筑节能发展水平
• 1.1.2 国内建筑节能发展水平
• 1.2 太阳能与建筑一体化
• 1.2.1 国外现状
• 1.2.2 国内现状
• 1.3 可再生能源的集热制冷技术研究进展
• 1.3.1 太阳能集热器
• 1.3.2 太空辐射制冷
• 1.3.3 太阳能热泵技术
• 1.4 辐射板辅助热泵技术
• 1.4.1 辐射板辅助热泵技术和其优势
• 1.4.2 研究现状
• 1.5 本论文的提出
• 第二章 辐射板辅助热泵实验系统
• 2.1 辐射板辅助热泵系统
• 2.2 测试数据和测试方法
• 2.2.1 测试系统
• 2.2.2 测试点分布
• 2.2.3 测试方法
• 2.3 小结
• 第三章 辐射板的理论和实验研究
• 3.1 辐射板模型
• 3.1.1 辐射板结构
• 3.1.2 辐射板模型假设
• 3.1.3 辐射板模型控制方程和边界条件
• 3.1.4 模型的离散化处理
• 3.1.5 辐射板模型的算法
• 3.2 辐射板模型求解和性能研究
• 3.2.1 辐射板集热性能研究
• 3.2.2 辐射板集冷性能研究
• 3.3 小结
• 第四章 热泵系统模型与求解
• 4.1 压缩机模型
• 4.1.1 全封闭旋转式压缩机
• 4.1.2 压缩机模型和算法
• 4.1.3 压缩机参数确定
• 4.2 热力膨胀阀模型
• 4.2.1 内平衡热力膨胀阀的结构和工作原理
• 4.2.2 热力膨胀阀模拟算法
• 4.3 冷凝器的数学模型
• 4.3.1 多芯套管式换热器
• 4.3.2 冷凝器模型的建立
• 4.3.3 冷凝器模型的算法
• 4.3.4 冷凝器模型求解与分析
• 4.4 蒸发器的数学模型
• 4.4.1 蒸发器模型建立
• 4.4.2 蒸发器模型分析
• 4.4.3 蒸发器模型的算法
• 4.4.4 蒸发器模型求解与分析
• 4.5 辐射板辅助热泵系统性能分析
• 4.5.1 系统制热性能分析
• 4.5.2 系统制冷性能分析
• 4.6 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢
• 附录