空气源热泵辅助太阳能热水系统性能研究.docx
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西南交通大学
本科毕业论文
空气源热泵辅助太阳能热水系统性能研究
StudyOnThePerformanceOfAirSourceHeatPumpAssistedSolarWaterHeatingSystem
年级：
2012级
学号：
20121239
姓名：
曹玉鹏
专业：
建筑环境与设备工程
指导老师：
袁艳平教授
2016年4月
西南交通大学本科毕业论文
第IX页
院系机械工程学院专业建筑环境与设备工程
年级2012级姓名曹玉鹏
题目空气源热泵辅助太阳能热水系统性能研究
指导教师
评语
指导教师（签章）
评阅人
评语
评阅人（签章）
成绩
答辩委员会主任（签章）
年月日
西南交通大学本科毕业设计（论文）
毕业设计（论文）任务书
班级：
建环2012-02班学生姓名：
曹玉鹏学号：
20121239
发题日期：
2015年11月22日完成日期：
2016年5月10日
题目：
空气源热泵辅助太阳能热水系统性能研究
1、本论文的目的、意义
目的：
通过毕业论文，使学生熟悉空气源热泵系统和太阳能热水系统工作原理及设计流程，掌握太阳热水系统设计中的关键设计参数的选取方法，并提高学生对仿真模拟软件的运用能力；通过理论分析和仿真软件模拟的方法，锻炼学生整理和运用基础知识分析、解决和处理实际问题的能力。
意义：
在能源危机和环境污染双重压力下，太阳能逐渐成为可再生能源中最引人注目、研究开发最多、应用最为广泛的清洁能源。
太阳能的开发利用对节能和环保均具有重要意义。
空气源热泵辅助加热太阳能热水系统结合了太阳能的清洁性、可再生性和空气源热泵的节能性，是一种节能无污染的高效能源利用系统。
通过对太阳能热水系统的设计及参数的选取，学生将本专业相关的传热学、工程热力学等基础知识运用到实际系统中，有助于锻炼学生对基础知识的掌握和运用能力，并培养学生系统性考虑问题的能力，为今后的生活和学习打下一个好的基础。
2、学生应完成的任务：
学生应完成的任务包括以下几个方面：
（1）文献综述：
查阅文献，对已有的研究成果进行汇总，并对太阳能热利用发展方向有个清晰的认识；
（2）理论研究：
结合对传热学、工程热力学、流体力学的认识，对太阳能热水系统的系统形式、工作原理、各部件的数学模型、关键设计参数等进行理论分析，并建立系统模型；（3）模拟仿真：
在熟练操作TRNSYS模拟软件的基础上，建立太阳能热水系统仿真模型，通过实验验证的方式对仿真模型进行验证，并对其关键参数进行系统优化；（4）模拟结果分析与结论：
将模拟数据通过图、表与文字描述相结合的方法进行表述说明，最终得出优化结论；（5）撰写毕业论文：
包括文献综述、系统理论模型和仿真模型的建立、系统优化方法的表述、系统优化结果分析、结论与相关图表的绘制，字数不少于两万字；（6）外文翻译：
完成一万字符的外文文献翻译。
3、论文各部分内容及时间分配：
（共15周）
第一部分 收集资料、至少查阅40篇相关文献（2周）
第二部分 毕业实习 （2周）
第三部分 系统方案设计及系统优化（7周）
第四部分 模拟结果分析及数据整理（包括图表）（3周）
第五部分 完成毕业论文的撰写 （1周）
评阅及答辩 （1周）
备注：
指导教师：
年月日
审批人：
年月日
西南交通大学本科毕业论文
摘要
传统集中供热水系统大多采用锅炉形式，需要燃烧大量煤炭或者燃气等化石燃料，给环境也带来了巨大破坏。
因此，我们迫切需要寻求一种高效清洁、可大规模使用的热水系统。
空气源热泵辅助太阳能热水系统是将热泵技术与太阳能热利用技术充分结合，利用空气源热泵不受天气、昼夜、季节、地理位置等的影响，且本身具有高效节能的特点来弥补太阳能热水系统的不足，充分发挥空气源热泵和太阳能热水系统各自的优势，高效节能地为用户提供生活热水。
本文介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统的基本原理、运行策略及各参数的设计计算方法。
在此基础上，以四川省西昌地区气候条件为背景，以宁南县某中学空气源热泵辅助太阳能热水系统为原型，对空气源热泵辅助太阳能热水系统进行软件模拟分析和测试。
结果表明，系统的太阳能保证率随水箱容积和集热面积的增大而增大的，当水箱容积和集热面积增大到一定数值时，太阳能保证率基本趋于稳定。
水箱容积与集热面积对系统集热效率的影响相互制约。
集热面积一定时，集热效率随水箱容积的增大而增大；水箱容积一定时，集热效率随集热面积的增大而减小。
介绍了宁南县某中学宿舍空气源热泵辅助太阳能热水系统的概况，并搜集了4月11日至4月22日系统数据，对其进行分析。
结果表明，实际系统运行受各种复杂因素影响，系统集热效率比模拟时低得多，太阳能保证率受季节和天气影响较大。
了解实际系统运行状况，对工程有很大指导作用。
建立了空气源热泵辅助太阳能热水系统同步优化模型，利用虎克-捷夫算法（Hooke-JeevesAlgorithm），以经济性为目标，对集热板倾角、集热面积和水箱容积进行同步优化，得到一组最优参数组合。
并与第3章模拟结果对比，发现提高太阳能保证率对降低系统费用的作用更大。
关键词：
空气源热泵辅助太阳能热水系统；TRNSYS模拟；太阳能保证率；集热效率；同步优化
Abstract
Thetraditionalcentralizedheatwatersystemmostlyusestheboiler.Itneedstoburnalargeamountofcoal,gasandotherfossilfuels,thatbringstremendousdamagetotheenvironment.So,weurgentlyneedtofindanefficient,cleanandcanbelargelyusedofhotwatersystem.Solarhotwatersystemconvertsthesolarenergyintoheatenergyandheatsthewater.Comparedwithotherhotwatersystems,ithastheadvantagesofsavingenergy,nopollution,simplestructure,safeandaffordable.Airsourceheatpumpassistedsolarhotwatersystemusesthecharacteristicsofairsourceheatpump——notaffectedbyweather,night,season,geographicallocationandsoon——tomakeupfortheshortageofsolarhotwatersystemandmakesfulluseoftheadvantagesofairsourceheatpumpandsolarhotwatersystemtoefficientlyprovideuserswithhotwater.
Thispaperintroducesthebasicprinciple,operationstrategyandthedesignandcalculationmethodoftheairsourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystem.Based,inXichangarea,SichuanProvinceclimaticconditionsasthebackground,takingNingnanCounty,asecondaryairsourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystemfortheprototype,theairsourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystemsoftwaresimulationanalysisandtesting.Theresultsshowthatthesolarenergyguaranteerateincreaseswiththeincreaseofthevolumeofthewatertankandtheheatcollectionarea.Whenthevolumeofthewatertankandtheheatcollectionareaincreasetoacertainvalue,thesolarenergyguaranteerateisstable.Theinfluenceofthevolumeofwatertankandtheheatcollectorareaontheheatcollectionefficiencyofthesystem.Whentheheatcollectionareaisconstant,theheatcollectionefficiencyincreaseswiththeincreaseofthevolumeofthewatertank,andtheheatcollectionefficiencydecreaseswiththeincreaseoftheheatingareaofthewatertankvolume.
IntroducedoverviewofNingnanCountyschooldormitoryairsourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystem,andcollecteddatafromApril11toApril22system,carriesontheanalysis.Theresultsshowthatthesystemoperationisaffectedbyvariouscomplexfactors,theheatefficiencyofthesystemismuchlowerthanthatofthesimulation,andthesolarenergyguaranteerateisaffectedbytheseasonandweather.Tounderstandtheactualoperationofthesystem,theprojecthasagreatguidingrole.
Airsourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystemsynchronizationoptimizationmodelisestablishedandthehook-Jeffalgorithm,HookeJeevesalgorithmis,totheeconomyasthegoal,tosethotplateinclination,optimizetheheattransferareaandthevolumeofthewatertankisset,asetofoptimalparametercombinationwasobtained.Andcomparedwiththesimulationresultsofthethirdchapter,itisfoundthattheeffectofimprovingthesolarenergyguaranteerateisgreater.
keywords：
airsourceheatpump（ASHP）assistedsolarwaterheatingsystem（SWHS）;TRNSYSsimulation;solarfraction;collectingefficiency;synchronizationoptimization.
目录
第1章绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.1.1研究的背景 1
1.1.2研究的意义 2
1.2空气源热泵辅助太阳能热水系统国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.3本课题研究的主要内容 4
1.4小结 5
第2章空气源热泵辅助太阳能热水系统模型 6
2.1空气源热泵辅助太阳能热水系统基本原理 6
2.1.1系统的基本形式及原理 6
2.1.2系统运行策略 6
2.2空气源热泵辅助太阳能热水系统数学模型 7
2.2.1太阳辐射量模型 7
2.2.2太阳能集热器模型 8
2.2.3水箱模型 10
2.2.4空气源热泵模型 11
2.3空气源热泵辅助太阳能热水系统设计 12
2.3.1热水系统负荷计算 12
2.3.2集热器面积的确定 13
2.3.3储水箱容量的确定 13
2.3.4空气源热泵的设计计算 14
2.4太阳能热水系统主要性能指标 15
2.4.1太阳能保证率 15
2.4.2集热系统效率 15
2.4.3辅助热源（空气源热泵）COP 15
2.5小结 16
第3章空气源热泵辅助太阳能热水系统性能模拟分析 17
3.1TRNSYS软件 17
3.1.1TRNSYS软件简介 17
3.1.2太阳能热水系统仿真部件 17
3.2案例简介 18
3.3太阳能热水系统仿真模拟 19
3.3.1太阳能热水系统仿真模型 19
3.3.2仿真模拟结果分析 20
3.3.3主要参数对太阳能热水系统性能的影响 21
3.4空气源热泵辅助太阳能热水系统模拟分析 26
3.4.1空气源热泵辅助太阳能热水系统仿真模型 26
3.4.2运行策略对空气源热泵辅助太阳能热水系统性能的影响 27
3.5小结 30
第4章空气源热泵太阳能热水系统实测 31
4.1工程概况 31
4.1.1系统介绍 31
4.1.2西昌地区宁南县气候条件 33
4.1.3西昌地区宁南县太阳能资源状况 33
4.2太阳能热水系统性能测试 34
4.2.1典型日系统性能测试 34
4.2.2测试结果及数据分析 36
4.3热水系统经济效益对比 39
4.4存在的问题 41
4.5小结 42
第5章空气源热泵辅助太阳能热水系统经济性优化 43
5.1多参数同步优化 43
5.1.1最优化的概念 43
5.1.2Genopt软件及其与TRNSYS软件的结合 43
5.1.3虎克-捷夫算法（Hooke-JeevesAlgorithm） 44
5.2空气源热泵辅助太阳能热水系统经济性同步优化 47
5.2.1优化模型建立 47
5.2.2优化流程 48
5.2.3优化结果分析 49
5.2.4优化结果与设计模型对比 50
5.3小结 51
结论 52
致谢 53
参考文献 54
附录 57
Ⅰ．各参数对太阳能热水系统影响模拟运行数据 57
Ⅱ．热泵开启时间对空气源热泵辅助太阳能热水系统性能影响模拟运行数据 64
Ⅲ．同步优化模拟过程数据 66
第1章绪论
第69页
1.1研究的背景及意义
1.1.1研究的背景
能够直接或者间接为人类提供能量的资源叫做能源。
未加工过的叫做自然能源或者一次能源，如矿植物燃料、太阳能等；加工或者转换过的叫做人工能源或者二次能源，如煤气、电能等；其中又把可再生能源成为新能源，包括风能和太阳能等[[]姚俊红,刘共青,卫江红.太阳能热水系统及其设计[M].北京:
清华大学出版社,2014.
]。
能源危机促使我们必须加大对建筑节能的重视，而建筑节能最重要的手段之一就是开发利用可再生能源。
太阳能是地球上最为丰富的可再生能源之一，高效地利用太阳能资源，能有效地减轻我国的能源压力。
我国国土面积辽阔，太阳能资源丰富，特别是南部沿海地区以及西南高原地区。
根据全国各地区太阳总辐射量的多少，我国大致可分为四类太阳能地区[[]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:
化学工业出版社,2006.
]。
图1-1中国太阳能的分布状况
一类地区：
为中国太阳能资源最丰富的地区，日辐射量>5.1KWh/m2[2]。
这些地区包括宁夏、甘肃、新疆东部、青海和西藏等地。
二类地区：
为中国太阳能资源较丰富地区，日辐射量4.1～5.1KWh/m2[2]。
包括山西北部、内蒙古南部、青海东部和新疆南部等地。
三类地区：
为中国太阳能资源中等类型地区，日辐射量3.3～4.1KWh/m2[2]。
四类地区：
是中国太阳能资源较差地区，日辐射量<3.1KWh/m2[2]。
目前对太阳能的利用最为广泛的方式是太阳能的光热转换，其中太阳能热水系统最为常见。
太阳能热水技术是太阳能热利用中最基本也是最简单成熟的技术。
它是将太阳能转换为热能储存在水中，相比传统热水系统，太阳能热水系统更加节能并且不产生污染物，结构相对简单，安装比较方便。
但是太阳能热水系统初期投资费用较大。
天气状况对其运行的影响较大，不能连续运行。
由于太阳辐射时间空间上分布不均匀，要满足用户全年的热水需求，就需要在太阳能热水系统中加入辅助热源。
常见的辅助热源有电加热、热泵辅助等。
太阳能热泵辅助系统中热泵循环又可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵。
受水资源条件的制约，水源热泵应用范围受到限制[[]杨卫波.太阳能——地源热泵系统的理论与实验研究[D].南京:
东南大学博士学位论文,2007.
]。
地源热泵适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著，在北美和欧洲的许多国家是一种成熟的技术，但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。
1.1.2研究的意义
热泵辅助太阳能热水系统结合了太阳能系统和热泵的优点，能够利用清洁能源为用户供热水。
但实际工程中，系统受各种复杂因素的影响，效率较低，不能充分利用太阳能。
因此，我们需要对空气源热泵辅助太阳能热水系统进行实验或者模拟研究，从而提高系统的利用太阳能的效率，更多的利用清洁能源为用户供热水。
1.2空气源热泵辅助太阳能热水系统国内外研究现状
对太阳能热泵技术的研究和发展是以热泵技术和太阳能热利用研究为基础的，并随着这两种技术的日益成熟和大规模应用而获得了
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