相变蓄热在太阳能热泵供热系统中的应用研究论文.pdf

声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其 他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确：疗式标明。本声明的法律责任由本人承 担。 论文作者签名：! 亟! 曼! l 一日期： 。汕f ? 。i 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它子复制手股复制并保存学位论文；学校可允许 学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解 密后遵守此规定) 。 作者签名：丝兰垒l 一日期： 导师签名：! 旦皇 一一 汕i ) 。o ? 日期： 0 2 。，工，口， 太原理工大学硕士研究生学位论文 相变蓄热在太阳能热泵供热系统中的应只 摘要 随着太阳能热泵供热技术的发展，太阳能热泵系统中蓄热技术的研究 也得到了越来越多的关注。本文对太阳能相变蓄热热泵供热系统进行了各 部件的理论分析、模拟计算和实验研究，主要研究了以下几个方面：相变 蓄热材料的蓄放热特性、相变蓄热装置的蓄放热特性、太阳能相变蓄热热 泵供热系统的能量转换和相变蓄热装置对热泵性能的影响等。 基于f l u e n t 软件对圆柱形相变蓄热体的蓄放热过程进行了模拟，探讨 了恒壁温下相变蓄热体直径对相变蓄热体熔化放热时间的影响；相变蓄热 体不同间距对放热的影响；相变蓄热装置的放热过程；影响相变蓄热装置 放热性能的因素等。模拟结果表明：随着相变蓄热体直径的增大，恒壁温 下相变蓄热体的蓄放热时间延长。为了充分利用相变蓄热材料的相变放热 量，应该尽量减小相变蓄热体的直径；随着相变蓄热体间距的增大，相变 蓄热体周围热媒体的温度升高越快；相变蓄热装置中，影响装置放热性能 的因素较多，但当相变材料和热媒体确定后，主要的影响因素为相变蓄热 材料的形状尺寸和热媒体的流速。随着相变体直径的增大，热媒体流速的 减小，相变蓄热装置的放热时间将增长，反之减小。综上所述，对于相变 材料直径的确定应根据实际情况而定，在保证蓄热装置放热时间的前提下 要充分利用相变蓄热体的相变放热量。 在t r n s y s 平台上，建立了太阳能相变蓄热热泵供热系统模型并进行了 太原理工大学硕士研究生学位论文 模拟分析。研究太原市典型日太阳能集热器集热量、集热器得到的有用能、 相变蓄热量、电辅助加热量、热泵热源侧得热量、热泵负荷侧放热量、集 热器的集热效率、热泵的c o p 以及整个系统的c o p 等。对太原市采暖期各 月和整个采暖期的上述各量进行了模拟计算，并与无相变蓄热工况进行了对 比。结果表明：在采暖期各月和整个采暖期，相变蓄热的使用对太阳能热 泵供热系统热泵的平均c o p 影响较小，但可以增加太阳能集热器的平均集 热效率。对于整个系统，采暖期相变材料的使用使系统的c o p 提高了0 3 8 ， 同时存储了一定的热量。相变材料所储存的能量占太阳能集热器吸收有用 能的2 6 4 。相变材料的使用可以节省电能1 1 3 4 。在整个采暖期，相变 蓄热材料的使用具有节能减排的功能。 搭建了太阳能相变蓄热热泵供热系统实验台，对太阳能相变蓄热过程 进行了实验；显热蓄热水箱和相变蓄热水箱的放热过程进行了实验对比； 显热蓄热热泵系统和相变蓄热热泵系统的运行过程进行了实验对比。结果 表明：相变材料的凝固放热过程可以延缓蓄热装置出口温度下降；实验过 程中，分别以显热蓄热水箱和相变蓄热水箱为热源，相对于显热热泵系统， 相变蓄热热泵系统热泵的c o p 提高了2 1 6 。 关键词：太阳能，热泵，相变蓄热，f l u e n t 模拟，t r n s y s 模拟 太原理： 大学硕士研究生学位论文 一一 s t u d yo na t p l i c a t i o no fp h a s e c h a n g et h e r m a li nso l a re n e r g y h e a tp u m ph e a t i n gs y s t e m a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs o l a r e n e r g y h e a t p u m ph e a t i n g t e c h n o l o g y ，ag r o w i n gn u m b e ：ro fr e s e a r c hh a sb e e np u ti n t oh e a ts t o r a g e t e c h n o l o g yo fs o l a re n e r g yh e a tp u m ps y s t e m i nt h i sp a p e r , a l lc o m p o n e n t so f s o l a rh e a t p u m pw i t hp h a s ec h a n g et h e r m a ls t o r a g e h e a t i n gs y s t e mi s r e s e a r c h e do nt h e o r y ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef o l l o w i n gm a i na r e a sa r e r e s e a r c h e d ：t h es t o r a g e e x o t h e r m i cc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fp c m sa n d p h a s ec h a n g eh e a ts t o r a g ed e v i c e ，e n e r g yt r a n s f o r m a t i o no fs o l a rh e a tp u m p w i t hp h a s ec h a n g et h e r m a ls t o r a g eh e a t i n gs y s t e m ，a n dt h ei n f l u e n c eo nh e a t p u m pp e r f o r m a n c ew i t h w i t h o u tp c m s b a s e do nt h e f l u e n t s o r a r e ， s i m u l a t i o ni sm a d e t o s t o r a g e e x o t h e r m i cc h e m i c a lp r o c e s so fc y l i n d r i c a lp c m s f o l l o w i n ga s p e c t s a r ed i s c u s s e d ：u n d e rc o n s t a n tw a l l t e m p e r a t u r e ，c h a n g e s o fh e a t s t o r a g e e x o t h e r m i ct i m ew i t hd i f f e r e n tr a di u so f p c m s c h a n g e s o f t e m p e r a t u r eo fp c m sa n dw a t e ra r o u n di tw i t hd i f f e r e n ts p a c e sb e t w e e np c m s w h e nt h ew a t e ra n dp c m sc o u p l i n g f a c t o r sw h i c h i n f l u e n c ee x o t h e r m i c p e r f o r m a n c eo fp h a s ec h a n g eh e a ts t o l a g ed e v i c ei sa l s or e s e a r c h e d t h e i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：w i t ht h ei n c r e a s eo fd i a m e t e r ，h e a t s t o r a g e e x o t h e r m i ct i m eo fp c m se x t e n d s o ，i no r d e rt om a k ef u l lu s eo f l a t e n t e n e r 9 9 7o fp c m s ，i ti s b e t t e rt om i n i m i z et h ed i a m e t e r w i t ht h ei n c r e a s eo f s p a c eb e t w e e np c m s ，t e m p e r a t u r eo fw a t e ra r o u n dp c m sn s em o r eq u i c k l y i n p h a s ec h a n g eh e a ts t o r a g ed e v i c e ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e e x o t h e r m i cp e r f o r m a n c eo fp h a s ec h a n g eh e a ts t o r a g ed e v i c e w h e np c m sa n d h o tm e d i aa r ec h o s e n ，t h em a i nf a c t o r sa r es h a p ea n ds i z eo fp c m sa n df l o w v e l o c i t yo fw a t e r w i t ht h ei n c r e a s eo fd i a m e t e ra n dt h er e d u c t i o no ff l o w v e l o c i t y ，t h eh e a te x o t h e r m i ct i m ei se x t e n d c o n v e r s e l y ，s h o r t e n t os u mu p ， t h ed e t e r m i n a t i o no fd i a m e t e ro fp c m ss h o u l db ea c c o r d i n gt ot h e a c t u a l s i t u a i o n b o t hm a k ef u l lu s eo fl a t e n t e n e r g yo fp c m sa n de n s u i e t h e e x o t h e r m i ct i m e i nt m s y sp l a t f o r m ，m o d e lo fs o l a rh e a tp u m pw i t hp h a s ec h a n g e t h e r m a l s t o r a g eh e a t i n gs y s t e m i se s t a b l i sh e d a n ds i m u l a t i o ni sm a d e c o l l e c t i n gc a p a c i t ya n du s e f u le n e r g yg a i no fs o l a re n e r g yc o l l e c t o r ，p h a s e c h a n g eh e a ts t o r a g e ，e l e c t r i c i t ya u x i l i a r yh e a t i n g ，e n e r g yf r o ms o u r c ea n dt o l o a do fh e a tp u m p ，e f f i c i e n c yo fc o l l e c t o ra n dco po fh e a tp u m pa n dt h e w h o l es y s t e ma r ec o m p u t e di nt h et y p i c a ld a yo ft a i y u a n a l la b o v e m e n t i o n e d e n e r g ya r ea l s os i m u l a t e da n dc o m p u t e di ne a c hm o n t ho f 。h e a t i n gp e r i o da n d t h e w h o l ep e r i o d c o m p a r et h er e s u l t sw h i c hw i t hp c m sa n dw i t h o u tp c m s t h er e s u l t ss h o w st h a t ：t h eu s eo fp c m sh a sal o w e ri n f l u e n c ei nt h ea 、，e r a g e c o po fh e a tp u m p d u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s s ，b u ti ti so b v i o u st oi n c r e a s et h e a v e r a g ee f f i ci e n c yo fc o l l e c t o ra n ds t o r ee n e r g y d u r i n gh e a t i n gp e r i o d ，t h e t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 一一 p u m pd u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s s ，b u ti t i so b v i o u st oi n c r e a s et h ea v e r a g e e f f i c i e n c yo fc o l l e c t o ra n ds t o r e e n e r d ，d u r i n gh e a t i n gp e r i o d ，t h ec o po f s y s t e mi si m p r o v e db yo 38 ，a n de n e r g yw h i c hp c m ss t o r e di s2 6 4 o fu s e f u l e n e r g yg a i no fc o l l e c t o r 。11 3 4 e l e c t r i c i t yi sa l s os a v e dd u r i n gh e a t i n g p e r i o d t h eu s eo fp c m sh a st h ef u n c t i o no fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o n r e d u c t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fs o l a r 。h e a tp u m pw i t hp h a s ec h a n g et h e r m a l s t o r a g eh e a t i n gs y s t e mi sc o n s t r 。u c t e d f o l l o w i n ge x p e r i m e n t si sp e r f o r m e d ：s o l a r e n e r g ys t o r a g ee x p e r i m e n tw i t hp c m s c o m p a r i s o no fe x o t h e r m i cp r o c e s s e x p e r i m e n to fs e n s i b l eh e a tt a n ka n dl a t e n th e a tt a n k ，h e a tp u m ph e a t i n g e x p e r i m e n tw i t hs e n s i b l eh e a tt a n ka n dl a t e n th e a tt a n k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s c a nd e l a yt h e t e m p e r a t u r ed r o p o fl a t e n th e a tt a n k e x i t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，c o m p a r et ot h eh e a tp u m pw i t hs e n s i b l e h e a tt a n k ，c o po fh e a tp u m pw i t hl a t e n th e a tt a n ki s i m p r o v e db y2 1 6 k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ，h e a tp u m p ，p h a s ec h a n g et h e r m a ls t o r a g e ，f l u e n t ， t r n s v s v 太原理： 大学硕二匕研究生学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 目录v i i 符号说明 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 1 1 太阳能蓄热技术1 1 1 2 太阳能热泵技术一2 1 2 研究的意义。3 1 3 课题研究现状3 1 3 1 太阳能热泵的研究现状一3 1 3 2 相变蓄热技术研究现状一4 1 4 本课题主要研究的内容6 第二章太阳能相变蓄热热泵供热系统各部付的理论分析及模型选择7 2 1 太阳能集热系统7 2 1 1 太阳能集热器的热平衡方程7 2 1 2 太阳能集热器的效率计算8 2 1 3 太阳能集热器的安装方位角和倾角的确定8 2 1 4 太阳能集热器的采光面积确定9 2 2 相变蓄热水箱蓄热能力计算和相变传热理论介绍及模型选择1 0 2 _ 2 1 相变材料的确定1 0 2 2 2 相变蓄热水箱的蓄热能力计算l o 2 2 3 相变传热理论简介及模型选择11 2 3 水源热泵计算模型1 4 2 4 房间负荷数学模型15 v 1f 太原理工大学硕士研究生学位论文 六5 太阳能相变蓄热热泵供热系统的运行模式l5 2 6 j 、结1 6 第i ：誊相变蓄热材料及蓄热装置的f l u e n t 模拟1 7 ：；1f l u e n t 软件及相变模拟介绍1 7 ：；2 圆柱体相变蓄热单元恒壁温下蓄热过程模拟1 8 3 2 1 物理模型和数学模型的建立1 8 3 2 2 熔化过程的模拟分析2 0 ：；_ 3 热媒体与蓄热体耦合情况下蓄热体间距对放母。钓影响2 4 ，3 4 内部有相变蓄热材料的相变蓄热水箱放热模拟3 ( ) 3 4 1 蓄热体直径对放热时间影向的计算结果分析31 3 4 2 进口流速对放热时问影响的计算结果分析3 2 3 4 3 分层水箱与相变蓄热水箱放热工况的模拟3 3 3 5 小结3 8 第四章 太阳能相变蓄热热泵供热系统t r n s y s 模拟4 】 4 1t r n s y s 软件介绍4 l 4 2 太阳能相变蓄热热泵供热系统仿真模型的建立4 2 4 2 1 各控制器的控制策略4 4 4 2 2 仿真模型标准部件4 5 4 2 3 仿真参数设置4 7 4 2 4 模拟用气象数据4 9 4 3 太阳能相变蓄热热泵供热系统的模拟及分析5 1 4 - 3 1 典型目模拟计算5 1 4 3 2 采暖期各月模拟计算5 5 4 4 小结5 j 7 第五章 太阳能相变蓄热热泵供热系统实验研究5 9 5 1 实验系统5 9 5 2 实验系统运行原理6 v li i 太原理工大学硕二 ：研究生学位论文 5 3 数据采集6 1 5 4 实验研究内容6 2 5 5 实验过程及数据分析6 2 5 5 1 太阳能集热系统的相变蓄放热研究6 2 5 5 2 单独相变装置放热研究6 4 5 5 3 相变蓄热热泵供热研究6 6 5 6 小结6 9 第六章结论与展望7 1 6 1 结论7 1 6 2 展望7 2 参考文献7 3 致谢7 7 玫读学位期间发表的学术论文目录7 9 i x 太原理工大学硕士研究生学位论文 t m q h ) t a 口c m 符号说明 真空集热管的有效采光面积 太阳辐照度 4 1 ) 4 太透明盖板透射比与吸热 u 板吸收比的有效乘积 “ 平均吸热玻璃管温度t 。 计算效率时所规定的集热 亓 器面积 太阳能集热器工质的平均 温度 建筑物的耗热量 当地集热器采光面上的采 暖平均目太阳辐照量 按集热器方位角正南计算 得出的太阳能集热器面积 相变蓄热水箱的蓄热量 相变蓄热水箱中水的质量 相变材料液态热容量 相变蓄热水箱低温初始温 度 相变材料的相变温度 相变蓄热体的的热量 k 水流与相变蓄热体的接触 47 1 面积 x i 吸热玻璃管投影面积 吸热玻璃管外表面积 以吸热玻璃管外表面积 为基准的总热损失系数 环境温度 基于总面积的平均热效 盔 集热器采光面上太阳总 辐射月平均目辐照量 太阳能保证率 进行面积补偿后实际确 定的太阳能集热器面积 太阳能集热器补偿面积 比 相变材料的质量 相变材料固态热容量 水的热容量 相变蓄热水箱储热后终 了温度 相变材料的相变潜热 水与相变材料之间的传 热系数 水流流过相变蓄热体前 后的温度变化 p 叻 ， 凡g 0 勺 a d b s s p 2 m 厂 如 如 q 砭 k q 吒 l r 太原理工大学硕士研究生学位论文 相变蓄热体封装材料内侧 的对流换热系数 相变蓄热体封装材料的导 热系数 相变蓄热体封装材料的外径 固相导热系数 固相体积热源 梯度算子 施加在含相变材t - 78 7 壁一i ：- 的热流 液相饱和焓 n 齐i t i 密度 相变蓄热体封装材料外 侧的对流换热系数 相变蓄热体封装材料的 内径 液相导热系数 液相体积热源 液相速度矢量 时间 考虑了腔壁( 如果有) 有限导热的总传热系数 固相饱和焓 液相密度 l 。，加 热泵蒸发器侧进口温度 一。d ，。 热泵冷凝器侧进口温度 m s o m c e ，m q he n c 】h 目 卢 一f d u f c f u s c a p c m 魄 r q n w a m 雌 h t 。r r 热泵蒸发器侧水流量 热泵的制热量 相变材料液相率 相变材料液相线 有效热容 流体最小热容 房间入口流体温度 瞬时辅助加热量 相变材料固液模糊区常数 潜热比焓 参考温度 相变蓄热体半径 m f o n d ，m 热泵冷凝器侧水流量 q 挑。岫甜热泵热劂则筷黼： 瓦。叫。 相变材料固相线 y 控制信号 k 。魄 q 哪 h ，已厂 h x i i 盘管换热效率 室内平均温度 围护结构的负荷变化增 量 房间内显热负荷 任意时刻焓值 参考焓 显热比焓 k 出 k 吼 v ， 蛙 肼 如 k 叽驴 q 以 太原理： 大学硕二 研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 在过去的3 0 多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极 大地推动了人类社会的发展。以煤炭为主要燃料的蒸汽机的诞生，大幅度地提高了生 产率，引起了第一次工业革命，使采用蒸汽机的国家经济得到了快速的发展。随着石 油和天然气的开发和作为一次能源，电力、石油化工、汽车等许多行业的产量和生产 效率得到了大幅度的提高，世界范围内的经济快速发展，大幅度提高了人们的物质生 活和精神生活水平。 随着我国经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求不断扩 大，给现实生活带来两大难题：一是煤和石油的有限储量所产生的能源危机，按目前 探明储量和开采能力测算，我国煤炭、石油、天然气的可采年限只有8 0 年、1 5 年和 3 0 年，而世界平均水平分别是2 3 0 ：年、4 5 年和6 1 年；二是以煤、石油的大量燃烧而 排放的废气和温室效应使人类的生存环境不断恶化。同时，在我国能源消耗结构中， 建筑能耗占国民经济总能耗的2 5 左右，就圜前形式看仍呈递增趋势。其中，6 0 7 0 【2 】的能源消耗在供暖、空调和供热水。因此我们必须采取措施为改善目前的这种 能源利用形式做一点贡献。太阳能热泵技术作为一种利用低温可再生能源的高效、节 能和环保的空调技术，既可以夏季制冷，又可以冬季制热，同时全年提供生活用水， 是我国有效降低建筑能耗的建筑节能技术之一。 】1 1 太阳能蓄热技术 太阳能具有广义与侠义之分。所谓广义太阳能是指来自太阳的能量，包括太阳辐 射能、煤、石油、天然气、沼气、风、波浪、生物质能、水能等；狭义的太阳能则单 指太阳辐射能3 1 。本文中所说的太阳能即指侠义的太阳能。太阳能作为一种能源，取 之不尽，用之不竭。太阳每秒钟辐射达到地球表面的能量高达8 1 0 1 3 k j ，相当于6 1 0 6 t 标准煤，按此计算，一年内达到地面的太阳能总量折合成标准煤共约1 8 9 2 10 t ，是目前世界主要能源探明储量的一7 j 倍【3 1 。虽然太阳能资源非常充足，但由于 1 太原理工人学硕士研究生学位论文 天气昼夜更替和季节变化等因素的影响以及阴晴云雨等因素的制约，太阳能的间断性 和不稳定性就显露出来了。若要对太阳能资源进行热利用，就必须采取蓄热装置来保 证太阳能的稳定与连续。 ：太阳能蓄热的原理是：太阳能集热器把所收集到的太阳辐射能转换成热能并加热 其中的载热介质，经过热交换器把热量传递给蓄热器内的蓄热介质，蓄热介质与载热 介质可以是同一物质，也可是不同物质；同时，蓄热介质在良好的保温条件下将热量 储存起来。当需要时，即利用另一种或同一种载热介质经过热交换器把所储存的热量 提取出来输送给热用户 引。图1 - 2 3 1 为蓄热和放热过程的示意图。 图1 1 蓄热和放热过程示意图 f i g u r e l 一1t h ed n g r a mo fh e a ts t o r a g ea n de x o t h e i m i cp r o c 圆s 蓄热技术：陵原理可分为显热蓄热、潜热蓄热( 相变蓄热) 、显热潜热混合蓄热以及 热化学蓄热。目前常用的显热蓄热方式有水箱蓄热和】岩石堆积床蓄热等，其原理是通 过水或岩石的：盈度升高( 或降低) 来吸收( 或放出) 热量的。而潜热蓄热是通过一些 相变材料的相变来实现蓄热的目的。常用的相变材料有无机水合盐和石蜡类的有机物 等。热化学蓄热则是利用可逆的吸热化学反应来蓄热和放热的。 1 1 2 太阳能热泵技术 太阳能热泵系统的形式一般分为太阳能驱动热泵( s p h p ) 弄w 太阳能辅助热泵( s a h p ) 两大类【4 1 。通常我们所说的太阳能热泵系统是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系 统，区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵系统。相对于传统的太阳能单独供暖 系统，太阳能热泵将太阳能与热泵联合运行，将集热器出来的热水作为热泵热源来制 取生活热水或提供采暖用热。在相同负荷下太阳能热泵所需的集热器面积减小。，由于 热泵的c o p 较高，系统可以采用廉价的低温集热器来降低成本。同时，集热器中的水 温较低，使得集热器向外散热损失减小，集热器效率相对得以提高。再者，太阳能属 于可再生能源，保证了太阳能热泵系统的清洁性，既节能又环保，符合当今社会对能 源的利用要求。 2 太原理：【大学硕：研究生学位论文 1 - 2 研究的意义 太阳能蓄热水箱的出现大大的提高了太阳能热泵供热系统的稳定性与供热性能， 因此对太阳能蓄热装置的研究就显得尤为重要了。一方面，蓄热装置的存在要提高太 阳能集热器的集热效率和系统的效率；另一方面，蓄热装置的体积不宜太大，同时蓄 热装置还要性能稳定。由于潜热蓄热相对于传统的显热蓄热具有较大的蓄热密度，因 此可以利用太阳能作为主要能源，利用低谷电作为辅助能源，选择蓄能密度大的相变 材料作为蓄热体，兼具先进性、实用性与经济性于一身，具有非常好的应用前景，值 得深入研究开发。 1 3 课题研究现状 1 3 1 太阳能热泵的研究现状 l8 2 4 年法国物理学家一f - 诺( s a d i c a r n o t ) 发表了关于“卡诺循环”的论文，奠定 了空调与热泵研究的基础。3 0 年后的1 8 5 2 年英国物理学家w i l l i a mt h o m s o n 在一篇 论文中提出了“能量放大器”假想，也就是我们所说的热泵。由于当时能源费用偏高， 能源有效利用率较低以及各种加热器使用情况等因素的限制，热泵的发展非常的缓慢。 直到2 0 世纪2 0 3 0 年代，热泵技术才有了较快的发展。 太阳能与热泵联合运行的思想是由太阳能利用的先驱者j o d a n 和t h e r k e l d 在2 0 世纪5 0 年代初提出的，同时他们指出，太阳能热泵可以同时提高太阳能集热器的效率 和热泵系统的性能。随后，世界上很多国家开始对太阳能热泵系统进行研究。1 9 5 5 年， s p o r ep 1 5 】等人提出直胀式热泵的概念并做了大量的实验，他们的实验表明，直膨式的 结构可以提高热泵系统的效率和太阳能集热的性能，但由于压缩机容量太大而集热器 面积太小，二者不匹配，使得这一新概念没有展现出应有的潜力；2 0 世纪6 0 年代初 也有很多学者在不同的地区采用无盖板的太阳能平板集热器与热泵相结合来供热制冷， 但由于初投资较高，效率较低等因素而没有推广下来；直到2 0 世纪8 0 年代，c h a t u r v e d i 6 i 对以r l2 为工质的太阳能热泵进行了一系列的理论和实验研究，并在理论和实验上都 取得了比较大的成果；2 0 世纪9 0 ，m o r r i s o n 7 】对整体式太阳能热水器进行了实验研究， 3 太原理工大学硕上研究生学位论文 并在t r n s y s 平台对其进行了模拟，结果表明，热泵c o p 在2 4 3 之间变化；进入2 1 世纪，环境问题日益凸显，能源问题日益紧张，新能源与可再生能源的研究比重正在 逐渐j 9 口大。m 。n ：a 。h a w l a d e r l 8 1 等对太阳能热泵热水系统的性能进行了研究，实验系统 采用的工质是r 1 3 4 a ，实验结果表明，随着冷凝器冷凝温度的增加，系统的c o p 和集 热器的效率会下降，而且当冷凝器的温度在3 0 到5 0 。c 范围内变化时，系统的平均 c o p 会在4 到9 之间变化，集热器的效率在4 0 至- 07 5 之间变化；f b o o r o z a b e l 9 1 等 利用：不同的制冷剂对直膨式太阳能热泵系统做了有关的理论研究，结果表明由c o p 表征的热性能是由纯制冷剂及其混合物的种类决定的。 ：我国对太阳能热泵的研究起步较晚，而且主要集中在直胀式太阳能热泵和太阳能 空气：原热泵上。天津大学、哈尔滨工业大学、青岛理工大学、东南大学以及上海交通 大学等均对太阳能热泵系统进行了理论及实验的研究，并取得了一些成果。上世纪9 0 年代，天津大学赵军【1 0 】等人对太阳能热泵热水系统进行了研究，该系统可向用户提供 5 0 。c 热水，一年四季运行可靠，结果表明，该系统的c o p 在冬季可达到2 6 4 2 8 5 ， 春季可达到2 6 1 3 5 ；哈尔滨工业大学的余言顺j 分别在动态运行工况下和静态运行 工况下对太阳能热泵系统进行了研究比较，得出在在动态工况下比在静态工况下集热 量和集热器效率分别提高了2 3 1 和2 2 7 ；青岛理工大学的董华【坦】等人对太阳能热 泵机组内蒸发器稳态分布参数模型进行仿真算法设计，运用该模型能够降低太阳能热 泵系统的研究成本和缩短其设计周期：东南大学的李舒宏【 】等人研制了一种将热泵与 太阳能热水器结合的太阳能热泵空调热水器装置，并对其进行了研究，研究表明，该 热水器与其他类型热水器相比更为经济；上海交通大学的孙振华【1 4 】等人对直胀式太阳 能热泵热水器进行了实验研究与经济型分析，研究表明气候条件、能源价格对比以及 运行控制策略：是影响系统运行节能性和经济性的主要因素。 1 3 2 相变蓄热技术研究现状 由于太阳能具有间断性和能量密度低的缺点，我们要想把太阳能高效的利用起来， 就必须用到蓄热装置，因此太阳能蓄热技术的研究越来越受到人们的重视。相变贮能 由于具有贮能密度高、温度变化小等优点，成为贮能技术中最具前景的技术。 国外对各种相变材料性能的研究比较早。美国的d r m a r i a t e l k e s 对水合盐，尤其 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 是十水硫酸钠进行了长期的研究，并在马萨诸塞州建起了世界上第一座p c m 被动太 阳房【l5 j ；1 9 8 3 年由d r g a l a n e 主编的太阳热贮能一相变材料是相变材料领域的 一部集大成之作【l 】：上世纪7 0 年代，日本的三菱电子公司和东京电力公司联合进行 了用于采暖和制冷系统的相变材料的研究，他们研究了水合硝酸盐、磷酸盐、氟化物 和氯化钙，在相变材料的应用方面，他们特别强调制冷和空调系统中的贮能【1 5 】：德国 的k r i c h e l 绘制了大量的相变材料物性表，他认为石蜡、水合盐和包合盐是1 0 0 。c 以下 贮能用相变材料的最佳候选材料( 1 5 】；k a r i s m a i l 1 6 1 等对球形相变蓄热体的填充床进 行过实验研究和数值模拟；m e h m e te s e n 1 7 1 对相变蓄热式太阳能供暖系统进行了研究， 蓄热槽采用圆柱状蓄热体，并进行了数值求解，分析了圆柱直径、入口温度、质量流 量对蓄热材料蓄放热特性的影响。此外对相变材料研究比较多的国家还有瑞典、法国、 意大利和前苏联等。 我国对相变蓄热理论和应用的研究是从上世纪8 0 年代开始的。1 9 8 3 年，华中师 范大学阮德水等对典型的无机水合盐n a 2 s 0 4 】0 h 2 0 和n a c h 3 c o o 3 h 2 0 的成核作用进 行了系统研究，较好地解决了无机水合盐的过冷问题；张月犁1 8 等对石蜡相变材料在 同心环隙管内的基本传热行为进行了研究，结果表明，蓄热时间和相界面推移速度均 随s t 数呈单调函数规律发展；北京工业大学的王吴【1 9 】对采用新型相变材料的蓄热槽的 蓄放热特性分别建立了维和二位模型进行了数值模拟，得出结论二维模型比一维模 型对蓄热体尺寸的限制更少，考虑的条件更接近实际，计算结果更精确：重庆大学的 李曾敏【2 0 】对以石蜡和b a ( o h ) 2 8 h 2 0 为相变材料的螺旋盘管和汽一液固等固液相变蓄热 器的放热性能、季戊四醇颗粒填料床的固一固相变蓄热和放热性能进行实验研究，并 研究了固一固相变固体颗粒堆积床放热特性的理论计算方法；天津大学的郭英利【2 1 】对 石蜡圆管外相变蓄热与释热规律进行了研究，实验结论表明导热在熔化初期起主导作 用，自然对流的出现加速换热，使相变时间变短，自然对流现象造成圆管上部石蜡熔 化最快，左右部分其次，下部最慢；姜益强1 2 2 】等人对圆柱形壳管式相变蓄热单元的蓄 热特性进行了研究，以c a c t 2 6 h 2 0 为相变材料，研究了蓄热单元的蓄热特性以及换 热流体温度的变化规律，结果表明流体温度与流速都是影响其蓄热特性的重要因素， 为季节性相变蓄能装置开发奠定了理论基础。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ：通过对国内外太阳能热泵和相变蓄热技术的研究状况来看，发现目前研究还存在 以下的问题： ( 1 ) 传统的太阳能热泵供热系统中，蓄热装置的蓄热方式大多数为显热蓄热，蓄 热材料常为水、岩石和土壤等。这种蓄热方式具有蓄热容积大的缺点，同时显热蓄热 方式下，系统运行稳定性较差。 ( 2 ) 以往对于相变蓄热装置与太阳能热泵系统的研究都是独：立的，除直胀式太阳 能热泵系统以：， ，无法较为准确的描述出相变材料在太阳能热泵系统中的使用对系统 的性能造成的影响。 ( 3 ) 相变材料的使用对热泵系统供热性能的影响方面理论模拟研究较多，实验研 究偏少。 1 4 ：苯课题主要研究的内容 本课题采用的相变材料为2 0 相变石蜡，形状圆柱形，直径5 0 r a m ，高7 5 0 r a m 。 基于此相变蓄热材料构造相变蓄热装置，并应用于太阳能热泵供热系统中。对相变材 料的蓄放热性能、蓄热装置的放热性能以及整个系统的运行情况进行研究。主要有以 下几点： ( 1 ) 利用f l u e n t 软件对单一相变蓄热体和相变蓄热装置蓄放热时间的影响因素 进行分析，为；阳变蓄热装置的设计提供理论基础； ( 2 ) 分别对显热蓄热水箱和相变蓄热水箱的放热过程进行模拟，对不同时刻二者 内部温度分布进行记录，并对比分析，得出相变蓄热材料的使用对蓄热装置放热特性 的影响； ( 3 ) 基于t r n s y s 软件，建立太阳能相变蓄热热泵供热系统模型，对有相变蓄热 装置的太阳能热泵供热系统的运行特性及能量转换进行模拟研究，并与太阳能显热热 泵供热系统进：，亍对比分析，得出相变材料的使用对太阳能集热器的集热效率、热泵机 组的c o p 以及整个系统的c o p 影响； ( 4 ) 搭建太阳能相变蓄热热泵供热系统实验台，在理论研究的基础上，对相变蓄 热热泵的运行：过程进行实验研究，并对比有无相变材料的工况下热泵c o p 的变化。 6 太原l 早3 - - 大学硕二i ：+ 研究生学位论文 第二章太阳能相变蓄热热泵供热系统各部件的理论分析及模 型选择 在对系统的研究中，理论计算是很重要的一步。系统中各个部件数学模型的建立 是系统理论计算的基础，在数学模型的基础上，通过对系统的仿真模拟，一方面可以 指导实验台的搭建；另一方面一个好的模拟可以对系统的性能做一个比较准确的预测， 从而