太阳能与热泵联合供热系统的实验研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.07MB 62 页 15积分
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摘 要
太阳能是一种清洁的可再生能源，然而由于太阳能的间断性和不稳定性，难
以满足全天候提供热水的要求，所以采用太阳能与热泵联合供热的方式，这和以
电加热为辅助热源的方式相比，可以节约大量电能，减少环境污染。
本课题的内容是对太阳能-热泵联合供热系统的性能进行研究，围绕系统内两
大部件：太阳能集热器、空气源热泵进行实验研究，测试太阳能集热器效率以及
空气源热泵的效能系数（COP）。主要工作和成果有以下几点：
1、参与搭建了具体的太阳能-热泵联合供暖系统实验台，制定了可行的实验方
案，对系统中的两大关键部件太阳能、空气源热泵热水器的效率进行了反复的实
验测试。
2、通过实验研究计算出了空气源热泵热水器的 COP，太阳能集热器的效率；
实验数据表明：热泵的 COP 随着室外温度和水温的变化在 2～5之间变化，平板
集热器的日平均效率在 30%左右，真空管集热器的日平均效率在 40%左右。
3、通过对实验房内低温地板辐射采暖的实验研究，得到了在采暖过程中房间
内三个分区的温度分布情况，并对三回路地暖各个分区温度分布以及变化情况进
行了分析比较。
关键词：太阳能 空气源热泵 地板辐射供暖 实验研究
ABSTRACT
Solar erergy is a kind of clean and renewerable energy, however,because of the
intermittent and instability, it can not meet our requirement for all day hot water supply,so
we pay our attention to combining solar energy with the heat pump technique.
The main task of this paper is to do research on the solar heat pump combined
system.Carry out experimental study contrary to two system components:solar collectors
and air source heat pump. The main research is the efficiency of solar collectors, as well as
air source heat pump coefficient of performance (COP) testing methods. The results of
the work are as follows:
Participate in the construction of the solar energy - heat pump heating system
test-bed. Against the targets need to be tested，we drawed up viable experimental
programs.
Calculated the performance coefficient (COP) of the air-source heat pump
water heater and the efficiency of the flat panel solar collector,and the vacuum
tube solar collector through experiments.The results shows that cop varies from 2
to 5 with the temperature changes, the efficiencies of the two kinds of solar
collectors are 30% and 40%.
Acquired the temperature distribution curve through experiments and
researches through low-temperature radiant floor heating experimentof the solar
room and analazed the three divisions temperature curves.
Keywords: solar heating; air-source heat pump; floor space heating;
experimental research.
目 录
摘要
Abstract
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景 .................................................................................................. 1
§1.1.1 我国能源紧缺 ........................................................................................... 1
§1.1.2 建筑卫生热水能耗是能源消耗大户 ....................................................... 1
§1.1.3 城市的热环境问题 .................................................................................. 2
§1.1.4 太阳能与热泵的优势 ............................................................................... 2
§1.1.5 太阳能与热泵联合供热的意义 ............................................................... 4
§1.2 太阳能热泵联合供热系统的不同方式及其优缺点 ....................................... 5
§1.2.1 太阳能热泵联合系统 ............................................................................... 5
§1.2.2 太阳能与水源热泵联合系统 ................................................................... 7
§1.3 太阳能与热泵联合系统国内外研究应用进程与现状 ................................... 8
§1.3.1 对太阳能与热泵联合系统研究的历史 ................................................... 8
§1.3.2 国外对太阳能与热泵联合系统研究的状况 ........................................... 9
§1.3.3 国内对太阳能与热泵联合系统研究的状况 ......................................... 10
§1.4 课题来源与意义 ............................................................................................. 11
§1.5 本课题研究内容 ............................................................................................. 12
第二章 太阳能热泵联合供热实验系统 .......................................................................14
§2.1 实验系统介绍 ................................................................................................. 14
§2.1.1 太阳能集热器 ......................................................................................... 14
§2.1.2 太阳房（热用户） ................................................................................. 15
§2.1.3 保温水箱 ................................................................................................. 15
§2.1.4 空气源热泵热水器 ................................................................................. 15
§2.1.5 控制系统 ................................................................................................. 16
§2.1.6 实验器材 ................................................................................................. 17
§2.2 实验工况 ......................................................................................................... 18
§2.2.1 太阳能单独蓄热 ..................................................................................... 19
§2.2.2 热泵单独充热 ......................................................................................... 20
§2.2.3 太阳能与热泵联合供热 ......................................................................... 20
§2.2.4 热泵供热 ................................................................................................. 21
§2.2.5 太阳能供热 ............................................................................................. 22
§2.2.6 蓄热水箱供热 ......................................................................................... 22
第三章 太阳能集热器性能测试与分析 .......................................................................24
§3.1 太阳能集热器效率实验方案 ......................................................................... 24
§3.2 太阳能集热器效率实验过程 ......................................................................... 26
§3.3 太阳能集热器效率实验数据 ......................................................................... 27
§3.3.1 平板充热 ................................................................................................. 27
§3.3.2 真空管充热 ............................................................................................. 29
§3.4 本章小结 ......................................................................................................... 32
第四章 热泵性能测试与分析 .......................................................................................34
§4.1 热泵 COP 实验方案 ....................................................................................... 34
§4.2 热泵 COP 实验过程 ....................................................................................... 35
§4.3 热泵 COP 实验数据 ....................................................................................... 37
§4.2.1 热泵进出口温度曲线 ............................................................................. 37
§4.2.2 计算得到的 COP .....................................................................................37
§4.4 本章小结 ......................................................................................................... 38
第五章 地板采暖室内热环境测试 ...............................................................................39
§5.1 低温地板辐射采暖简介 ................................................................................. 39
§5.1.1 国内外对低温地板辐射采暖研究的历史 ............................................. 39
§5.1.2 低温地板辐射采暖装置介绍 ................................................................. 40
§5.2 地板采暖实验 ................................................................................................. 43
§5.2.1 采暖实验过程 ........................................................................................ 43
§5.2.2 地板辐射采暖数据分析 ......................................................................... 44
§5.3 本章小结 ......................................................................................................... 47
第六章 总结与展望 .......................................................................................................49
§6.1 课题小结 ......................................................................................................... 49
§6.2 展望 ................................................................................................................. 49
附录：地板采暖实验数据 .............................................................................................51
主要符号表 .....................................................................................................................55
参考文献 .........................................................................................................................56
在读期间发表的论文和承担的科研项目及取得成果 .................................................59
一、学术论文 ......................................................................................................... 59
二、专利申请 ......................................................................................................... 59
三、参与科研项目 ................................................................................................. 59
致 谢 .............................................................................................................................60
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
能源问题与环境问题是当今世界所面临的两大难题。其中能源是工业生产的
命脉，是物质基础。利用能源可以提高人类生活质量，促进经济发展，带动整个
社会进步。因而是中国可持续发展进程中的关键因素。然而能源的形势却不容乐
观:一方面，传统的不可再生能源越来越少，全球现有已探明的煤、石油、天然气
的储量只够人类几百年的使用；另一方面，对能源的大量无节制的使用和开采，
已经造成了生态环境恶化、大气和海洋污染、全球气候变暖等严重的健康和环境
问题。因此，如何更合理的开发、利用能源，保护好人类生存的地球环境，已经
成为事关人类社会可持续发展的重大问题。
§1.1.1 我国能源紧缺
随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的日益提高，社会发展对能源的依
赖程度越来越严重。据统计，2001 年我国能源费用总支出达 1.25 万亿元人民币，
占 GDP 的 13%。按照目前的能源消耗速度预测，在 2020 年我国需要的一次能源相
当于 32 亿吨标准煤以上，能源消费将会比 2000 年增长 2.5 倍多[1]。90 年代以来，
我国能源的总消耗量以每年 5%的速度递增，约为世界平均增长速度的三倍。我国
人均能源可开采量大大低于世界的平均水平，我国化石类能源资源的人均占有量
仅为世界人均占有量的一半；其中石油和天然气资源仅占世界人均占有量的 11.0%
和 4.0%；与此同时我国人均一次能源消耗总量仅为 0.7 吨油当量，亦不到世界平
均水平的 1/2，而且能源利用效率低下，技术落后，在经济高速发展的条件下，我
国的能源消耗速度要比其他国家更迅速，能源枯竭的时代将会来的更早。专家称：
中国的能源储量与未来几十年的国家发展需求之间已经存在一个巨大的缺口，而
且这个缺口将会越来越大。有专家预测我国能源的缺口量：在 21 世纪初期将超过
1 亿吨标准煤，2030 随着石油、煤炭等一次性能源日益减少以及它们对环境破坏
的日益加剧，人们将目光愈来愈多地转向以太阳能为代表的可再生能源的利用上。
§1.1.2 建筑卫生热水能耗是能源消耗大户
目前卫生热水能耗在建筑能耗中的比例越来越大，建筑卫生热水节能日益受
到重视。我国目前商业建筑热水供应主要是燃煤、燃油、燃气、电锅炉等形式，
民用电热水器、燃气热水器的应用也日益增多[2—4] 。
我国建筑卫生热水能耗现状：
太阳能与热泵联合供热系统的实验研究
2
城市各类商业建筑卫生热水能耗比例达到 10 %～40 %，由此导致生产、经营
成本越来越高；城市家庭热水器普及率已达 70 %以上，城市民用建筑热水能耗，
仅洗澡热水用能就接近 20 %，农村小镇家庭使用热水器的比例也越来越大。近年
来，商业建筑规模日趋加大，据调查，商业建筑每年的能耗中，卫生热水能耗是
商业建筑能耗的重要部分。
上海地区商业建筑卫生热水能源消耗在建筑总能耗中的比例为[5 ] :
写字楼，2. 7 %；商场，10. 7 %；饭店，31 %；医院，41. 8 %。国外有调查研
究认为，对于 42 ℃的热水，74 %的家庭人均耗量小于 40 L/d，64 %的家庭人均耗
量小于 35 L/d，人均耗量为 25～35 L/d，4人家庭人均耗量最大[6 ] 。考虑地区、
季节等差异，自来水初始温度按 12 ℃计算，常规热水器效率按 90 %计算，我国
每年仅城市居民卫生热水能耗折算为电力消耗为 1. 75 ×1011 ～2. 45 ×1011
kW·h。
§1.1.3 城市的热环境问题
城市是商业、工业、人口、交通高度集中的地方，由于人在活动和工业生产
过程中排放出大量的热量，导致城市气温高于周围郊区气温，这种现象称为城市
的热岛(Heat island)效应。热岛形成的原因有很多，其中 CO2等温室气体的大量排
放是形成热岛效应的主要原因之一。空调、热水器等设备的普及使电能的需求量
越来越大，由于我国多是采用火力发电，这也直接导致了温室气体的排放。同时，
大量的空调冷凝热直接或间接地排放至大气中也是形成热岛效应的原因之一。另
外，空气温度的升高恶化了空调的运行条件，使空调 COP 下降、运行效率低下，
于是，为维持人类舒适条件，就需要更长时间、更大负荷的空调运行，就需要更
多的消耗电能，同时会排放出更多的冷凝热，造成恶性循环。因此近几年来对热
岛效应的研究也成为世界各地各国学者纷纷参与其中。
§1.1.4 太阳能与热泵的优势
太阳能优势：地球上的万物生长都有赖于太阳的光和热。太阳能资源的分布
与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度以全年总辐射量
（单位为 kal/cm2·a或kW/cm2·a）和全年的日照总时数表示。就全球而言，美
国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时
数最大，为世界太阳能最丰富的地区。我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽
阔，有着十分丰富的太阳能资源，大部分地区每年日照时数大约在 2000 小时以上。
根据全国 700 个气象台站长期实测积累的数据资料表明，我国陆地表面每年接收
的太阳能辐射能约为 50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达 3340～8400MJ/m2•
第一章 绪 论
3
a[7]。由于太阳辐射资源受气候、地理等环境条件的影响，因此其分布有很明显的
地域性，根据接收太阳能辐射量的大小，全国大致可分为四类地区。如表 1-1，
表1-1 我国太阳能资源带划分[8]
资源带
号
名称
指标
(MJ/m2)
地区分布
I
资源丰富带
≥6700
内蒙古、塔里木盆地、青藏
II
资源较富带
5400～6700
高原新疆北部、东北西部、内蒙东部、陕甘宁
III
资源一般带
4200～5400
东北、内蒙呼盟、黄河中下游、长江下游、
广东、广西、福建、云南等
IV
资源贫乏带
﹤4200
川、贵、桂、赣等部分地区
一、二、三类地区，年日照时数大于 2000h，是我国太阳能资源丰富和较丰富
的地区，面积较大，约占全国总面积的 2/3 以上，具有利用太阳能的良好条件。
热泵优势：上世纪七十年代以来，世界能源形势变得比较严峻，能源大量而
又广泛的应用所带来的环境问题也日益加剧。人们开始关注环保、关注节能、合
理有效地利用能源、开发新能源等问题。由于热泵具有环保与节能的双重特点，
得到了人们的重视。热泵热水技术是基于热泵技术之上的一种热水供应方式，它
最早出现在 20 世纪 50 年代。能源危机之后，热泵热水系统得到了较广泛的应用。
相比传统的热水供应技术，有着自身突出的优点。
首先，它可以大量利用自然资源和余热资源中的热量，节省一次能源；
其次，它可以实现热水、采暖、供冷一体化，提高了能源的利用效率；
再者，它安全性高而又环保，水电完全分离、无触电危险，无废烟废气排出、
对环境无损害；
最后，热泵热水系统可以充分利用低谷电力、移峰填谷。
由于具有节能、环保的特点，热泵热水系统得到了众多研究人员的重视。在
很多发达国家已经形成了一定的市场规模。热泵从本质上来说是一种热回收装置，
它从低温热源处吸取热量并提高品位后，再在高温热源处放热，起到节省高位能
的作用。自 1989 年以来，热泵技术在我国的应用与发展进入了兴旺期。据统计，
1996 年我国空调设备(指电动冷热水机组、吸收式冷热水机组、房间空调器以及单
元空调机组，但不包括进口机组)的总制冷能力约为 2000 万kW， 其中热泵型机
摘要：

摘要太阳能是一种清洁的可再生能源，然而由于太阳能的间断性和不稳定性，难以满足全天候提供热水的要求，所以采用太阳能与热泵联合供热的方式，这和以电加热为辅助热源的方式相比，可以节约大量电能，减少环境污染。本课题的内容是对太阳能-热泵联合供热系统的性能进行研究，围绕系统内两大部件：太阳能集热器、空气源热泵进行实验研究，测试太阳能集热器效率以及空气源热泵的效能系数（COP）。主要工作和成果有以下几点：1、参与搭建了具体的太阳能-热泵联合供暖系统实验台，制定了可行的实验方案，对系统中的两大关键部件太阳能、空气源热泵热水器的效率进行了反复的实验测试。2、通过实验研究计算出了空气源热泵热水器的COP，太阳能...

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