（工程热物理专业论文）沿海地区太阳池热泵技术的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在能源短缺的今天，可再生能源的开发、利用已成为我国乃至全球的战略性措施。 太阳能作为一种清洁而又持久的新能源，越来越受到人们的青睐。太阳池可以用来收集 和储存太阳能，为各种低温用热提供可靠稳定的热源，近年来引起了世界各国的广泛重 视和研究。 沿海地区太阳池热泵是以海水和卤水为主体建造的盐梯度太阳池提供的低温热源 和空气作为热泵的低位热源的热泵，它是一种可切换的双热源热泵系统：环境温度较高 时，热泵空气源运行；环境温度低于7 时，切换为水源运行，低温热源的热量来自太 阳池提取的热量。 本文针对非对流型海水太阳池热泵系统主要做了如下工作： 1 本文将太阳池内的传热过程作为一维、非定常、具有内热源的热传导问题，应 用有限差分方法，对太阳池的热性能进行了数值模拟计算。 2 完成了太阳池瞬态行为的一维数值模拟工作，模拟了1 0 0 0 0m 2 盐梯度太阳池提 取2 0 w m 2 池底的温度变化，说明太阳池可为热泵提供稳定可靠的低温热源。 3 讨论了对太阳池热性能影响的主要因素，主要讨论非对流层对太阳池提热的影 响。 4 建立了双热源太阳池热泵系统，并提出了沿海地区系统的运行策略，以及针对 大连地区实际使用面积为3 0 0 m 2 的建筑物双热源热泵的模拟计算。 5 阐述了太阳池热泵系统运行稳定性、节能性、环保性，并与平板型集热器和燃 煤锅炉进行经济性对比，更突出了太阳池热泵的优越性。 关键词：海水太阳池；双热源热泵；太阳池热利用；系统运行策略；经济性 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 a p p l i e ds t u d y o nc o a s t a ls o l a rp o n dh e a tp u m pt e c h n o l o g y a b s t r a c t d u et ol a c ko fe n e r g yr e s o u c r e ，t h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yh a v e b e e ns t r a t e g i cm e a s u r e si na l la r o u n dt h ew o r l d a sac l e a na n dp e r m a n e n te n e r g yr e s o u r c e ， t h es o l a re n e r g yh a sb e e ng e n e r a l l yr e c o g n i z e d s o l a rp o n d ，a k i n do fu n i q u es a l i n ep o n d ，h a s a b a i l i yt oc o l l e c ta n ds t o r es o l a re n e r g y ，w i t hp r o v i d e st h er e l i a b l el o wt e m p e r a t u r eh e a t s o u l c eh o t l yf o re a c hk i n d ，i nr e c e n ty e a r sc a u s e dv a r i o u sc o u n t r i e sw i d e l yt ot a k es e r i o u s l y a n dt os t u d y t h ec o a s t a ls u np o n dh e a tp u m pt e c h n o l o g yi sp r o v i d e sf o rp u m pt e c h n o l o g yf r o mt h e a i ra n dw h i c hs a l t yg r a d i e n t 吼mp o n dt a k e sl o wp o s i t i o nh e a ts o u r c ea st h el o wt e m p e r a t u r e 1 1 e a ts o u r c e i t so n ek i n dm a ys w i t c hd o u b l eh e a ts o u r c es u np o n dh e a tp u m pp a t t e r n ：w h e n t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei sh i g h ，h e a tp u m pa i rs o u r c em o v e m e n t ；w h e nt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r er e d u c e st o u n d e r7 ，t h es w i t c hi st h ew a t e rs o u r c em o v e m e n t ，t h el o w t e m p e r a t u r eh o tw a t e ri sf r o mt h es o l a rp o n de x t r a c t i o nt h eq u a n t i t yo f h e a t t h i sa r t i c l em a d e t h ef o l l o 谢n gw o r kt ot h en o n - c o n v e c t i o ns e aw a t e rs u np o n dh e a tp u m ps y s t e m ： 1 t h i sa r t i c l er e g a r do nt h es u np o n d sh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa so n e d i m e n s i o n a l ，u n s t e a d y ， w i t l lah e a ts o u r c ew i t h i nt h eh e a tt r a n s f e rp r o b l e m ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o do fa p p l i c a t i o n ， s i m u l a t es o l a rp o n dt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h en u m e r i c a l 2 h a sc o m p l e t e dt h es o l a rp o n dt r a n s i e n ts t a t eb e h a v i o ro n e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nw o r k ，s i m u l a t e d10 0 0 0 m 2s a l tg r a d i e n ts u np o n dt ow i t h d r a wt h e2 0 w m 二p o n d b o t t o mt h et e m p e r a t u r ec h a n g e e x p l a n a t i o nc a np r o v i d eas t a b l ea n dr e l i a b l el o w - t e m p e r a t u r e h e a ts o u r c et oh e a tp u m p 3 d i s c u s s ei n f l u e n c eo nt h es u np o n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h em a i nf a c t o r s ， f o c u s e do nt h en o n t r o p o s p h e r eo ft h es u np o n dt ow i t h d r a wh e a t 4 h a se s t a b l i s h e dt h ed o u b l eh e a ts o u r c es u np o n dh e a tp u m ps y s t e m ，a n dp r o p o s e dt h e c o a s t a la r e as y s t e m sm o v e m e n ts t r a t e g y ，a sw e l la si nv i e wo fd a l i a nc i t ya c t u a lu s a b l ea r e a i s3 0 0mb u i l d i n gd o u b l eh e a ts o u r c eh e a tp u m p sa n a l o gc o m p u t a t i o n 5 a n a l y s i s o nt h es t a b i l i t yo ft h es o l a rp o n dh e a tp u m ps y s t e m ，e n e r g y s a v i n g ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dc o m p a r ef i a t - t y p ec o l l e c t o ra n dc o a l f i r e db o i l e r st oe c o n o m y ， d e m o n s t r a t et h eh i g h l i g h t st h es u p e r i o r i t yo fs u np o n dh e a tp u m p k e yw o r d s ：s e aw a t e rs u np o n d ；d o u b l eh e a ts o u r c eh e a tp u m p ； s u np o n dh e a t u t i l i z a t i o n ； s y s t e m so p e r a t i o ns t r a t e g y ；e c o n o m y i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塑连些匿态堕池热丞垫盔盟座周盈窒 作者签名：递! 丛厶日期：坦型年么月笙日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：鲨连地区态圈池热丞垫盔鲍座用珏究 作者签名：麴丞壶日期：里塑年上月j 二日 导师签名： 墨4 ：是番 日期： 丝翌年厶月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 太阳池热泵技术概述及应用价值 太阳池是一种简单价格低廉的收集太阳能和储存太阳能并作为热源来利用的盐水 池。 典型的盐梯度太阳池主要包括上部对流层( u pc n v e c t i o nl a y e r ，u c z ) 、梯度层 ( n o n c o n v e c t i o nl a y e r ，n c z ) 和下对流层( 1 0 w e rc o n v e c t i o nl a y e r ，l c z ) 。其顶部由 于水分蒸发以及受到风、雨等外界扰动的影响，形成上对流区；下部由于热量提取及向 池底和四壁传热，会形成下对流区；池的中部则由于盐水溶液的浓度梯度所形成的密度 梯度大于由于温度梯度所形成的负密度梯度，形成非对流区。其原理就是利用中部非对 流层盐浓度呈稳定状态而抑制对流热损失，从而将吸收的太阳辐射热隔绝在下对流层。 就所起的作用而言，非对流区主要是隔热层，而下对流区则主要是贮热层。于是中部非 对流层水实际上是下对流层的透明保温层。如此太阳不断辐射，下对流层水不断储热， 水温越积越高。人们将太阳池底部的热量取出，即可用于供热和其他应用。 由于太阳池结构比较简单，造价比较低廉，特别是在具有丰富盐资源的地区更是如 此所以宜于大规模应用。尤其是它能长时期( 跨季度) 蓄热，可以在全年内提供性能稳定 的低温热源，因此近年来日益受到世界各国的重视。在发电、采暖和空调、工农业生产 过程用热等方面，太阳池都已经得到了实际的应用，并取得了较好的效果。在采暖空调 方面，冬季人们可以将太阳池底部的热量抽出，用于热泵的低位热源，再利用热泵驱动， 就可以把低位的能源转化成高品位的能源，供人们利用其热能；夏季可单独提供生活热 水。太阳池热泵可用太阳池作为辅助低位热源，克服了目前广泛应用的空气源热泵在低 温下性能和结霜问题。 在对太阳池热泵的研究中，由于建造一个上规模的太阳池需要耗费很多的人力和物 力，浪费大量的研究经费，而采用数值模拟方法不但可以提供热量的数值，而且还能反 映出系统的性能情况，这些信息可为建造大型的太阳能热泵系统提供重要的理论依据及 设计资料。用所获得的资料再用以实际的开发设计，缩短了开发周期，而且也有利于太 阳能热泵系统的优化设计，设计中提供重要的理论依据，防止盲目性。 1 2 国外的研究状况 国外还没有针对太阳池热泵具体的研究工作，只有对太阳池为室内供暖有一定的描 述，针对太阳池理论研究较多。 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 太阳池技术在国外研究较早，经过近5 0 年的完善和发展，该技术已经取得了长足 的进展。由于其结构简单，价格低廉和宜于大规模使用，日益引起世界各国的重视，使 得太阳池技术得到了快速的发展。 太阳池的历史可以追溯到2 0 世纪初。当时，匈牙利物理学家凯莱辛斯基在做资源 考察时发现在一些天然湖泊底部积盐，湖顶由于经常有新流入的淡水，湖水在竖直方向 上形成了一定的浓度梯度，抑制了自然对流，底部的热量只能通过热传导向上部传递， 由于水的导热系数比较低，所吸收的太阳辐射逐渐在底部积累，形成了水温的下高上低 的现象。受这一现象的启示，1 9 4 8 年，罗道夫布洛赫向以色列国家研究委员会提出了 可用分层的盐水池作为太阳能收集器来收集太阳能的设想。在十年之后，首先由哈里泰 伯领导的以色列国家物理实验室实现了。在六十年代初，他们在死海海岸建成了第一座 太阳池。水池面积6 2 5 m 2 ，在水深o 8 m 处可获得9 0 以上的热水。以后，又先后建立了 三座类似的太阳池，并围绕太阳池开展了各项理论研究。泰伯的工作发表后，不少国家 开展了对太阳池的研究。美国成为继以色列之后，大规模开发和应用太阳池技术的国家。 此外，西欧、美国、苏联、加拿大、澳大利亚、印度、伊朗、日本等国家也广泛地开展 了太阳池的研究工作。 1 9 6 4 年，h w e i n b e r g e r 在s o l a re n e r n g 上发表了经典著作“t h ep h y s i c so ft h e s o l a rp o n d 。该文论述了非对流型太阳池的起源，发展简史，并给出有关太阳辐射 和池水吸收、太阳池热物性和周围环境的关系、能量的回收和池子的效率、平均温升和 池子的稳定性的经典理论分析，从理论上论述了太阳池的作用机理、传热机理、传热特 性、温度和浓度分布特性等重要问题，是有关太阳池技术的奠基之作，对太阳池的发展 起到了指导性作用。 美国l p a 实验室的c f k o o i 乜1 以一个简单的三层太阳池模型为研究对象，计算了池 中的温度分布和能量通量，并且提出了有关效率计算的方程。在该模型中，假定每一层 的边界稳定并可以调节直至合适位置，并且热量的提取不会破坏池子的稳定性。分层边 界的位置进行了精确调整以达到最大的效率，并且与常规平板集热器作了比较。该文提 出的是一个理论模型，对于稳态情况的分析有一定的理论意义。1 9 8 0 年，新墨西哥州立 大学的f z a n g r a n d o 口1 提出了一种建立盐梯度太阳池的简单方法，引起了广大研究者的 关注。文中指出用传统水平扩散器进行逐级梯度分层的方法过于复杂，提出了不用预混 合池、直接分层灌注的梯度建立方法，对太阳池的建造和维护提供了简单可行的依据。 就在此时，美国衣阿华州立大学的j o h nr h u l l h l 提出了薄膜分层太阳池的概念，采用 适当的薄膜材料对太阳池进行人工分层，并且讨论了几种可能的液体介质选择和薄膜材 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 料选择。对于水平薄膜分层还进行了热效率的计算。文中指出该类太阳池与传统盐梯度 太阳池相比，热力性质相似，但却可以具有更深的储热层，这样就增大了太阳池的储热 能力。 芬兰赫尔辛基大学的p d l u n d 哺1 等也对盐梯度太阳池进行了研究，论述了用太阳池 在北方寒冷地区实施供暖的可行性。他布门根据芬兰南部( 北纬6 0 。) 的气象资料进行了 计算机模拟，得到了太阳池空间供热的可行方法，并且提出用热泵来减少太阳池建池尺 寸的观点。南亚的一些国家针对自身的气候条件和资源状况，也开展了太阳池的研究工 作。印度海洋化学研究所的v v n k i s h o r e 砸3 等人也对非对流型太阳池提出了实用的热 效率方程，并且将结果与k o o i 乜3 的工作做了比较，指出效率方程仅仅与地面条件有关， 因此热效率有可能较大地偏离k o o i 乜1 方程所得到的结果。泰国的t a r e d d y h l 等人进行 了有关太阳日平均有效位置的计算，并且提出了计算模型。 美国t e a x sa & mu n v i e r s i t y 的j w a n g 和j s e y e d y a g o o b i 眵1 用一维理论模型研 究盐水浊度对盐梯度太阳池热性的影响。这一理论模型利用了一个经验公式，考虑了盐 水浊度对太阳辐射在水中穿透的影响。这一关系式首先假设水中的浊度均匀一致，然后 又将它应用于不同深度，不同浊度的实验模型中去。其结果表明水的清澈度对盐梯度太 阳池的热物性起着非常重要的作用。意大利的c a n g e l i 和e l e o n a r d i 1 用一维瞬态数 学模型研究盐扩散和太阳池内盐梯度的稳定性。在考虑太阳辐射和太阳池温度的条件下 通过计算盐梯度的最佳厚度和它的瞬态特性预测太阳池的稳定性和和特性。 日本的x i a n g y i l i 、k i m i o k a n a y a m a n 等人在考虑了太阳光线在池水表面的反射，水 层中的折射及水中盐粒的散射后，对盐梯度太阳池的热平衡机理进行了理论研究，并用 氙气和卤素灯作为光源模拟实验，证实了由于辐射光线的不同，在太阳池中温度分布也 会有所不同。 美国圣地亚哥州大学的r s c h a e f e r n 等人于1 9 9 2 年又进行了带有漂浮透明蜂窝的 淡水太阳池的优化设计，并且与传统的盐梯度太阳池作了比较分析。文中阐述了该类太 阳池抑制自然对流的原理，并给出了蜂窝覆盖层的优化尺寸，最后指出其与传统盐梯度 太阳池比较的优越性。 美国德州理工的m a k l d h l d n 2 1 将太阳池的理论研究与美国南部平原地区的地理条 件相结合。由于此地区分布着数量众多的碱水池，并有数以千计的油井，其中有储量丰 富的盐水。利用碱性湖盆地作为太阳池的选址，并利用油井中的盐水建立太阳池，这一 方法将对这一地区的供热及电力供应有所帮助。突尼斯东南部是一个日照充足的地区， 并且这一地区同时有众多的未开发的矿质盐水池，m h a s s a i r in 3 3 等人利用这_ 地理条 件开展了太阳池的实验研究。 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 用盐梯度太阳池热力脱盐是最有前景的太阳能脱盐技术之一。美国的h u a n m i nl u n 钔 等人在长期对e lp a s os o l a rp o n dp o r j e c t 、e ip a s o 、t e x a s 项目进行研究后致力于 太阳池的长期可行性的评估，太阳池热力脱盐效率及经济性方面的提高。并测试了具有 多效多级闪蒸脱盐单元、隔脱盐单元、盐水浓缩及回收系统。盐水的浓缩和回收利用系 统是发展盐梯度太阳池复合脱盐与盐水浓缩技术目标的一部分。这一系统方法，也叫零 损耗脱盐，拟浓缩废弃盐溶液接近于饱和的氯化钠溶液。 英国的h a l h u s s a i n i n 5 1 等人对太阳池给温室供暖上进行了一系列的理论研究。太 阳池可作为温室整体建设的一部分，用于对太阳能的收集和存储，其提供的热量用于白 天和夜间的温室供暖。同时，他们还调查了不同气候条件地区的太阳池的热性，发现太 阳池可在三月和九月间对温室提供全部的热量，而无须采用其他的供热手段。因此，太 阳池在节能方面，将会有巨大的潜力。 与此同时，意大利的s e r g i of o l c h i t t o n 6 1 发表了以海水作为盐源和水源的太阳池技 术论文。该文以一个2 5 0 0 0 平的太阳池实验为背景，分析了太阳池的经济性，池水蒸发 特性以及一些实用且关键的技术。 美国j s h is j k l e i s n 力n 阳等人针对海水渔业养殖中的太阳池应用，进行了一系列 理论研究。文献口7 1 分析了漂浮式海水太阳池中的梯度破坏，以及遏制梯度破坏的一些措 施。文献n 踟则介绍了一些梯度保持技术，提出了用持续灌注的技术来保持海水太阳池中 的梯度。 最近的关于太阳池的研究有多篇报道。伊朗费尔德斯大学的m r j a e f a r z a d e h n 们建 立了非对流层的热传导模型。把上下对流层作为边界条件并用数值方法解决，以研究小 型盐梯度太阳池的热稳定性。论述了一年中太阳辐射的变化和它随池深的衰减，详细阐 述了垂直壁面方型太阳池的壁面阴影区和它对于模型中包含的照射区域的衰减作用。利 比亚太阳能研究中心的k r a g h a 啪3 等人做了盐梯度太阳池维护措施的研究，并与蒸发池 做了对比。提出了不同天气条件下对于太阳池及蒸发池的维护措施。苏丹的b a j u b r a n e ta l 口妇用三维有限体积法研究了太阳池四周的对流区，采用不同的内部条件和边界条 件对由太阳池壁面引起的对流区进行了预测。并且研究了各个参数对于对流区特性的影 响。ka i - j a m a l 乜2 1 等人提出了一种数值模型来决定影响盐梯度太阳池的各种参数，结果 表明非对流区厚度对储热区的温度有重要影响。f b a l a g o 口3 1 提出了闭式盐梯度太阳池 的一维瞬态模型，采用有限差分法，提供了三种盐循环的模型。r k a y a l i 堙钔等人提出了 一种新颖的理论模型，在无绝热层的矩形太阳池内部或外部，能够给出任意点任何时刻 的瞬时温度波动，该模型亦采用了有限差分法。这些文献对本课题的研究有很大的指导 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 意义。太阳池热泵系统应在充分利用已有太阳池理论和实验基础的前提下，发挥系统性 能的优越性，进一步优化系统，为实际的商业利用作好研究工作。 1 3 国内的研究状况 国内尚无针对太阳池热泵具体理论研究工作，也没有太阳池热泵系统，而对太阳能 热泵有一定的基础理论研究，针对太阳池的理论及实验研究得较多。 国内最早的有关太阳池方面的实验是由郑州工学院和甘肃省自然能源研究所分别 于1 9 7 7 年和1 9 7 8 年进行的。1 9 7 9 年秋，北京师范学院物理系再次进行室内模拟实验， 并于1 9 8 0 年在室外建造一个面积为1 0 m 2 ，深为1 m 的小型非对流型太阳池，在自然条件 下进行静态实验。同时还对太阳池和池下土壤蓄热能力进行了理论研究。宋爱国等人临1 报道了这一实验的进展情况和主要结果。实验中主要进行了非对流型太阳池纵向和横向 的温度分布的观测及分析，各层温度随时间的变化情况，以及纵向和横向的浓度分布及 其随时间的变化情况，借以考察太阳池的热稳定性。 徐河、李申生嘶3 报道了近年来太阳池的研究情况，着重指出当前的研究动向，并对 太阳池在采暖、空调等许多领域中的可能应用做出了估价。该文是国内首篇有关太阳池 的正式报道，标志着我国太阳池技术研究的开始。此外，还对太阳池的应用进行了比较 广泛的调查研究，尤其对太阳池和沼气池联合应用进行了比较深入的分析。应用太阳池 作为可以大规模和长时期集热和蓄热的装置，只要具有一定的规模，就可以保证全国绝 大部分地区的沼气池在春、夏、秋三季都能实现中温发酵，并且冬季也可以低温发酵， 因而可以大大提高沼气池的全年产气量，节约大量常规能源。1 9 8 4 年至1 9 8 6 年，北京 师范学院物理系和生物系合作，建造一个面积为l l m 2 、深为1 2 m 的非对流型太阳池， 给容积为0 8 m 3 的半地下实验性沼气池进行动态供热实验瞳7 1 ，取得了比较令人满意的效 果。 1 9 8 9 年至1 9 9 1 年，北京师范学院承担了国家自然科学基金资助项目：“盐梯度太阳 池内部稳定性的主动控制和调整”，与美国俄亥俄州立大学物理系合作发表了有关太阳 池内部稳定性的判据和巡回检测方法的论文瞳羽。该文从太阳池中梯度区内部的动力学稳 定性条件出发，引入局部相对安全数的概念，提出一个梯度区内部稳定性的实用判据和 监测方法，并用几个不同太阳池中的数据对这种方法的实际应用做了示范。 北京师范学院物理系承担了国家科委“八五 ( 1 9 9 1 年一1 9 9 5 年) 科技攻关项目“利 用太阳池为水产品越冬养殖供热 ，并与广西大学物理系合作，建立了实验池。该项研 究在1 9 9 7 年再次获得国家自然科学基金的支持，由广西大学物理系承担。蒙沛南和郑 宏飞等人报道了这一研究的进展情况啪1 ，讨论太阳池为水产品越冬养殖供热的必要性和 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 可能性。同时，何小荣，郑宏飞等人采用有限差分法用计算机模拟研究太阳池稳定特性 及结构参数m 1 ，并与圆形斜壁小型太阳池的实测数据进行比较。得出小型太阳池中池壁 的形状对太阳池的性能有较大影响，在用一维热传导方程分析圆形斜壁小型太阳池非对 流区的温度分布时，必须将池的截面积的变化因素考虑进去。 从1 9 9 2 年开始，一方面着重进行利用太阳池为对虾和其它水产品越冬养殖供热的 小规模实验：另一方面仍继续从事太阳池机理及基本参数测试的研究。广西大学物理系 承担国家自然科学基金资助项目：“以氯化镁为工质的太阳池动态研究 口妇羽，对面积 为2 0 m 2 ，深为1 5 m ，工质为氯化镁溶液的圆形斜壁太阳池内梯度区的温度和浓度分布与 直接和间接提热方式及不同换热速率等进行了实验测试和理论分析。 北京理工大学应用物理系和首都师范大学物理系合作，对太阳池常用的四种工质的 浓度与折射率和温度的关系进行了更为系统和精确的测量1 ，对浓度s 一折射率n - 温 度t 之间的关系进行测定，利用计算机对实验曲线进行拟合，给出相应的多项式回归方 程，获得了较好的效果。 在此期间，李申生又提出了全饱和型太阳池的热稳定性条件m 1 ，对太阳池的一般特 征及其工作原理、双扩散系统所遵循的流体力学普遍方程组、具有非恒定的温度和盐浓 度的双扩散系统进行介绍，并对全饱和型太阳池的热稳定性条件进行讨论，提出了全饱 和型太阳池的概念。 首都师范大学物理系聂宜如等人对m g c i ：、c ac i ：太阳池热稳定系数进行了测定口副。 对氯化镁和氯化钙水溶液的密度、粘滞系数、比热容、导热系数的测定和盐扩散系数的 计算，得到了以这两种盐为工质的太阳池热稳定系数，从而使该两种太阳池的稳定性得 以简便地监测和控制。 中国科学技术大学热科学和能源工程系承担国家自然科学基金项目：“带有透明蜂 窝的漂浮式选择性吸热器的小型净水太阳池川蚓数值模拟分析的结果表明，这种新型太 阳池具有净水、无环境污染、热损失小，效率高，运行维护方便等优点。该技术在国外 已经有报道旧7 。 西安交通大学的金援越等人用激光光纤技术测量太阳池的盐浓度。山东工业大学 的胡洪伟等人又尝试用超声波技术测量太阳池的盐浓度m 1 。这些技术增加了测试的准确 性，为太阳能的研究工作提供了实验手段。 广西区农村能源办公室的谢列先对小型太阳池的集热储热性能进行了实验研究3 。 小型太阳池的设计为非对流太阳池。所用太阳池是面积2 0 m 2 ，深1 5 m 的圆柱型结构池。 通过对小型太阳池的温度分布及其随时间的变化、浓度分布及其随时间的变化的研究， 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 证明小型实验性太阳池具有良好的集热储热性能，并具有稳定性。还介绍了太阳池的建 造结构、盐浓度梯度的设置和太阳盐池的维护。 大连理工大学的孙文策等人在海边盐田建造了5 0m 2 的太阳池。以制盐的废弃液“老 卤 灌注太阳池底层，以海水或收集的淡水冲洗水面，进行了太阳池蓄热的实验。对老 卤进行降浊处理的研究：并对太阳池的密度、温度和浊度的分布进行数据采集：对盐田太 阳池的运行维护和经济性进行了分析研究以及对盐田太阳池特有的问题，如老卤的澄清 化处理和卤虫的杀灭进行了实验。研究表明盐田太阳池是一种成本低、用途广泛、适于 大规模应用的太阳能集热和蓄热装置h 1 | 。2 0 0 4 年葛少成、孙文策等人又对太阳池非对流 层最佳厚度及其对应最大效率的影响因素进行数值模拟。a t i 。( 储热层和上对流层的温 差与水面太阳辐射强度的比值) 是影响太阳池非对流层最佳厚度的主要因素h 羽。 我国太阳池研究和应用已经取得了很大的进展。我国学者曾经多次在国际太阳能学 会举行的世界大会上以及第一、二、三届“国际太阳池进展学术会议上发表和宣读过 十余篇论文，博得国际同行的好评。 太阳池作为一种新的节能装置，近年来得到了快速的发展。正由小型的实验池推广 到大规模，商业化的工业、民用设施。从一开始的单纯以盐梯度溶液为主的太阳池，发 展到今天的多种淡水型太阳池、高分子液体介质太阳池，并且在边界介质上也有了进一 步的细化。在计算机模拟太阳池的理论研究上，建立起了各种相关的数学模型。各种测 量手段也日益完善，准确度正逐步提高。太阳池在制盐，水产养殖，发电及温室供暖方 面的应用也越来越广泛，也给太阳池热泵的应用提供了广阔的发展前景。 1 4 太阳池热泵技术的发展趋势 太阳池相对于传统的燃料具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点，作为一种 新的节能装置，近年来得到了快速的发展。正由小型的实验池推广到大规模，商业化的 工业、民用设施。从一开始的单纯以盐梯度溶液为主的太阳池，发展到今天的多种淡水 型太阳池、高分子液体介质太阳池，并且在边界介质上也有了进一步的细化，使太阳池 的热损失更小。在计算机模拟太阳池的理论研究上，与实验结合日益紧密。由最初的一 维模型发展到了二维，模型也加完善。尤其考虑了多种影响太阳池运行的因素，为太阳 池的实际应用提供了很好的理论依据。对太阳池中温度、盐浓度以及辐射透射率的各种 测量手段也日益完善，准确度正逐步提高。太阳池在制盐、水产养殖、发电及温室供暖 方面的应用也越来越广泛。而太阳池的热利用是太阳池最主要的利用形式，与热泵技术 的结合必将随着实验方法及理论分析的进一步完善，逐步成为太阳池热利用的有效方 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 式，替代不可再生的化石能源，太阳池热泵可作为太阳能这一清洁能源利用的一种途径， 有着广阔的应用前景。 1 5 本课题的研究内容 太阳池中的热利用是太阳池应用较广泛的一个方面，本文根据国内外可靠的文献资 料，将太阳池提取的热量和空气做为热泵系低位热源，建立一种双热源的太阳池热泵系 统。通过一维的太阳池数学模型，应用有限差分的方法，用计算机数值模拟计算，模拟 了1 0 0 0 0m 2 盐梯度太阳池提取2 0 w m 2 池底的温度变化，并分析非对流层的厚度对太阳池 提热时热性能的影响。 本文针对空气源热泵特点，提出一种可利用太阳池底部热量的双热源太阳池热泵系 统。该系统可以充分发挥空气作为热泵低位热源的优点，利用太阳池弥补室外气温越低 供热能力越差的缺点，提高热泵的供热性能和品质，节省或省去辅助加热能耗，有稳定、 节能和环保的三重效应。 提出了沿海地区双热源太阳池热泵系统的运行策略，针对大连地区实际使用面积为 3 0 0 m 2 的建筑物双热源热泵的模拟计算。阐述了太阳池热泵系统运行稳定性、节能性、 环保性，并与平板型集热器和燃煤锅炉进行经济性对比，更突出了太阳池热泵的优越性， 有着广泛的应用前景。研究的结果为实际利用提供了可靠的计算方法和重要依据。 大连理工大学硕士学位论文 2 盐梯度太阳池的物理模型 2 1 盐梯度太阳池的物理模型 典型的盐梯度太阳池包含3 层，其结构如图2 1 所示。上部由于水分蒸发以及受到 风、雨等外界扰动的影响，形成上对流层。下部由于向外传热和提热的影响，会形成下 对流层。由于存在对流现象，这两层具有均匀的温度和浓度。中间就是非对流层，其温 度和浓度随深度的增加而增大，呈梯度分布。当盐浓度形成的正密度梯度大于温度梯度 形成的负密度梯度时，便能抑制对流的发生，使非对流层处于稳定状态。下对流层的热 损失只能通过热传导发生，而水的导热系数非常小，导热损失也就非常小。这样非对流 层就像一个透明的隔热层，允许太阳能通过，并储存在下对流层内。 一 c j f 一 n j j_ n 吁 o 一 0 一 u c z o loo3 。 r - , i c z 、 、) 尽。) l c z oo 1 锋 1 j _ l ， ，= 保温层夕_ ! = = 似，k ； 。 f 土壤。：。 - _ 。 图2 1 盐梯度太阳池示意图 f i 醇1s a l t - g r a d e n ts o l a rp o n d 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 2 1 1 控制方程 1 温度控制方程 在温度控制方程中，d e f u o r 效应也是存在的，但是d e f u o r 效应的影响非常的小h 2 | ， 所以在温度计算时也就不考虑d e f o u r 效应( l e = a d 数量级为1 0 9 ) 。对于太阳池的热平 衡研究，根据池中的不同区域有不同的分析。在考虑外界气候变化、池底传热以及太阳 池结构参数等影响因素，综合各层温度的方程为： 区域典型控制方程 分析 a t = t 。温度认为是等温的，可以近 b pc l 。：d t d t = h ( ) 【j o ) 一h ( x = 1 u c z ) - q 。一q 。一q 。一q 。( 2 1 )似 其中，p 池中盐水密度c 池中盐水比热h 是到a ：等于环境温度 上对流层 达池中某处太阳辐射热流量，q ，。q 。q 。池水表面b ：应用能量守恒得出 的辐射热损，蒸发热损以及对流热损，q 。侧面的 对流热损 ) c o t a t = v ( 五v z ) 一扭出 ( 2 2 )遵循包括太阳辐射内热源 非对流层其中，k 池中盐水导热系数的一维或二维导热方程 h ( w m 2 ) 为到达池中某处的太阳辐射热流量 pc l l 。d t d t ：h e q 。一q o , , - q 。一q 。 ( 2 3 )温度认为是均匀的，温度变 其中，h e 到达且能被下对流层吸收的有效辐射化通过守恒得出 下对流层能 q 。q 叭q 。下对流层向非对流层的热损、提热量 以及底部土壤的热损 遵循无内热源的一维或二 保温层 岛c p a t o t = v ( 2 v t ) ( 2 4 ) 维导热方程 遵循无内热源的一维或二 土层 p g c g a t = v ( 2 v t ) ( 2 5 ) 维导热方程 2 盐浓度控制方程 扩散过程是由于分子不规则运动所造成得，相对于流体微团的定向流动过程，扩散 过程宏观参数的数学描写可以由通量方程给出： 大连理工大学硕士学位论文 。j2d v w - d s r w ( 1 。w ) v t 其中：d 为分子扩散系数，w 为盐的百分比浓度，s ，为s o r e t 系数。 由上式可得百分比浓度表达式： 詈一w 卸 仞俨d s 烈1 - w ) w 】 则盐浓度表达式为： 鲁叫d v c - 啦c ”分】 其中：c 为盐浓度，单位为k g m 3 。 由此可得下面两种情况： ( 1 ) 不考虑交叉扩散效应时，非对流层内瞬态浓度分布控制方程为： 鲁v ( 胱) ( 2 ) 考虑交叉扩散效应时，非对流层内瞬态浓度分布控制方程为： 一oc：v(dvc)一v(dstc(1一cp)vc)at i。 e 下对流层的浓度控制方稃为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 区域典型控制方程 分析 a c = c 。浓度认为是均匀的，可以近似 b d c d t = g 。一g 。a ：浓度不变 上对流层 其中，g o 表示单位时间冲入盐水的浓度b ：应用守恒得出 g 。表示单位时间水带走的盐水的浓度 d c d t = g 。浓度认为是均匀的，浓度变化 下对流层 其中，g 。表示单位时间冲入盐水的浓度通过守恒得出 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 2 1 2 太阳池的热稳定性模型 对于太阳池的相关原理在很多文献中均有论述，本文主要阐述一下太阳池的稳定性 原理，该原理可用于估算太阳池的用盐量。在太阳池中，由于溶液存在一定的浓度梯度， 这种浓度差造成的密度梯度可以与温度差所引起的密度梯度向抵消，从而保证了太阳池 的热稳定性。太阳池的热稳定性条件可用下式表示n 1 ： _ d p ：罢车i 关孥o (213)-i 一= 一- 一，7 i -l 出a c 出a 丁出 这里c 代表盐浓度：p 代表溶液浓度，t 代表温度。 就池中任何地点的浓度梯度来说，可以由上式得到： 8 pd t _ d c 堡兽 ( 2 1 4 ) _ i 一 z 出 竺 加 事实上，( 2 1 4 ) 式仅阻止了一般对流，在自然条件下还不可避免的出现各种扰动， 故( 2 1 4 ) 式应写成： ( v + a ) 吖o p 百o t 地“) 等o c 苏o 式中v 为粘度，q 为热扩散系数，q 为盐扩散率。 盐浓度梯度可由盐扩散率方程决定 一o t o x = 墨o t钡 盐扩散系数q 。与温度密切相关，但其仅为热传导率的百分之一。 定温度的日变化很小对c ( 盐浓度) 的影响不大：而且对于长时期来说， 关，即( 2 1 6 ) 式右端为零。 积分讲o c ：q 式，令o c ：o ，得到： o x o t q 为从底部至顶部的盐扩散量，再次积分 c ( x ) = q r 了d x + c ( o ) 如果保持油底的盐浓序c ( h ) 和油表而的c ( 0 ) 则 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 因此我们可以假 盐浓度与时间无 ( 2 1 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 q = 等笋 ( 2 1 8 ) 玉了 将q 代入( 2 1 7 ) 式，得到 a c ：c ( h ) - 下c ( o ) ( 2 1 9 ) a x 口，r 坐 这样，由( 2 1 3 ) 是给出的稳定性标准变为n 1 ： a ps t c = c ( 办) 一c ( 。) 一而( v + 5 ) s t r o x 口j l i , l d x 鬲 2 2 0 ) a c c 即为维持盐梯度所需的u c z 和l c z 只见的最小浓度差。 ( 2 2 0 ) 式对于太阳池研究有指导意义，可以估计太阳池所需的大概用盐量，以保持 太阳池的稳定性。 2 2 太阳池对太阳辐射能的吸收 太阳辐射包括直射辐射和散射辐射两部分：直射辐射为接受到的、直接来自太阳而 不改变方向的太阳辐射：散射辐射为接受到的、受大气层散射而改变了方向的太阳辐射。 投射到水表面的太阳辐射为这两部分之和，如图2 2 所示： 太阳的肖射辐射 业 a 刚的澈射辐射 心谚 反射的太刖辆穿j 心汐心丝 入争汝波辐射压牙j 的人窄k 坡粕财 袭【a l 的k 故辐射 概波煳p 农示渡用、莰术 图2 2 短波( 太阳辐射) 和长波 f i 薛2s h o r tw a v e ( s o l a rr a d i a t i o n ) a n dl o n gw a v e 沿海地区太阳池热泵技术的应用研究 无论是直射辐射还是散射辐射都和当地的纬度、日期、时间以及大气的状况有关。 但是由于太阳池提供的是长期蓄热，故不必关心太阳辐射每小时、每天的波动变化。可 以用正弦方式来表达日辐射量：m 3 h ( d ) = h + h os i n ( c o d ) w m 2 ( 2 2 1 ) 式中：h 为日辐射的年平均值，h o 为日辐射的逐日波动平均值。 根据大连地区气象参数可知h 为1 8 3 3 w 时，且h 0 为7 0 3 w m 2 。则大连地区的太阳 辐射能的近似表达式： h ( d 、= 1 8 0 3 + 7 0 3 s i n ( 2 冗d 3 6 5 ) w m 2 ( 2 2 2 ) d 为自春分日( 3 月2 1 号) 开始的天数。 2 3 本章小结 本章简单分析了盐梯度太阳池的物理模型。从总体上来说，太阳池可以由三个部分 组成：上对流层、盐梯度层和下对流层。在进行传热计算时，通常还要考虑向周围土壤 的传热。 对影响太阳池的热稳定性模型进行了分析。热稳定性模型给出了太阳池稳定性的判 定准则，对于控制太阳池的稳定性有一