可行性报告-太阳能集热辅以空气源热泵供热工程的可行性研究终结版.doc

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1、青岛大学 太阳能集热辅以空气源热泵供热工程的可行性研究太阳能集热辅以空气源热泵供热工程的可行性研究学 院: 机电工程学院 专 业： 20XX级热能与动力工程专业 姓 名：王肖 王坤祥 陶剑 宋迪迪 孙雅琪 任课教师: 王翠苹 20XX 年 01月 02 日博学笃志 明德求真 守正出奇页码： 34 / 37目录CONTENTS摘要1第一章 绪论11.1课题研究背景、意义及前景11.2国内外研究进展31.2.1空气源热泵国外发展及研究现状31.2.2空气源热泵国内发展及研究现状41.2.3太阳能热泵国内外发展及研究现状5国外发展及研究现状5国内发展及研究现状5第二章 热泵辅助供热太阳能热水系统藕合

2、运行方式研究62.1 热泵及太阳能热水器的工作原理62.1.1热泵工作原理62.1.2太阳能热水器的工作原理72.2热泵与太阳能热水系统藕合运行方式对比分析82.2.1直膨式热泵辅助太阳能热水系统82.2.2非直膨式热泵辅助太阳能热水系统82.3新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统藕合运行方式研究102.3.1新型空气热泵辅助供热太阳能热水系统构成102.3.2新型空气热泵辅助供热太阳能热水系统的运行模式11第三章 新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统设计与构建1231新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验样机设计123.1.1 太阳能热水子系统123.1.2空气源热泵子系统123.2新型空

3、气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验样机构建13第四章 新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验研究134.1系统热力性能测试方法及测试参数144.1.1 系统热力性能测试方法144.1.2 测试参数144.2空气源热泵辅助供热太阳能热水系统运行模式下热力性能154.3 本章小结17第五章 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统性能数值计算175.1 新型空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热力模型185.1.1集热器模型185.1.2空气源热泵子系统模型19第六章 空气源热泵辅助太阳能热水系统效益分析216.1系统经济效益分析216.1.1太阳能集热辅以空气源热泵供热机组经济性分析216.1.2资金筹措

4、246.2系统环保效益分析266.2.1 环境污染相关知识266.2.2温室效应266.2.3.环境税及其对系统经济性的影响27第七章 劳动安全卫生、消防、节能287.1 安全287.1.1 存在的主要安全问题287.1.2 安全防治措施287.2 劳动和保护297.2.1 系统运行中可能造成职业危害的因素297.2.2 劳动保护措施297.3电气防火307.4节能措施307.5综合评价30第八章 总结与展望318.1总结318.2展望3132摘要太阳能总量巨大、绿色环保，其开发利用对节能和环保均具有重要的意义。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

5、、应用最为广泛的清洁能源，其中太阳能热水器被认为是最普遍最实用的太阳能利用设备.但常规太阳能热水器易受气候的影响，在阴雨天或春秋季，太阳辐射能热量较少，较难满足热水量的需求，不能全天候使用，影响了太阳能热水器的推广应用。热泵仅消耗少量的电能可以将数倍低温热能通过压缩机的压缩变为高温热能.因此将热泵技术与太阳能热水系统有机地结合起来可弥补后者的不足。空气源热泵辅助供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，但同时也增加了太阳能热水器初装费和运行成本.本文利用热经济性对空气源热泵辅助式太阳能热水系统进行评价，对空气源热泵辅助加热太阳能

6、热水系统热水的经济性进行综合评价。关键词：太阳能；空气源热泵；热水系统；热力性能 第一章 绪论1.1课题研究背景、意义及前景随着当今世界经济的发展和人民生活水平的提高，能源需求量不断持续增高，导致对能源的争夺日趋激烈，环境污染日益加重。同时，研究开发及利用新能源，已成为世界各国能源研究与开发的共同战略目标。20世纪70年代能源危机以来，太阳能作为新型可利用能源，逐步成为国内外研究的重点。世界上最丰富的永久能源是太阳能，地球截取的太阳辐射能量为1.7x10kw，比核能、地热和引力能储量总和还要大5000多倍。从这个意义上，太阳能是取之不尽、用之不竭的。生物质能通过光合作用把光能转化为化学能储存于

7、植物中;煤炭、石油和天然气等矿物质燃料也是由古代生物固定下来的太阳能;风能、水能、海洋能、波浪能也是太阳能量转换而来的，是广义上的太阳能。所以说，几乎所有的自然能源，从广义的角度看均来自太阳能。目前我们正处于对能源资源开发和利用的第三时期，即以太阳能、核能为主体的多样化新能源时期:核能将占第一位，太阳能占第二位。从长远发展趋势考虑，太阳能以其取之不尽、用之不竭、用能清洁的特点将最终取代核能。在我国，有限的能源资源承载着巨大的人口和环境压力，虽然在近几年经济结构调整过程中能源供需矛盾有很大缓解，但从长远看，能源供应不足仍将是制约我国经济发展的重要因素之一。我国现存的石油、天然气等燃料的储量，尚可

8、采数十年，煤炭资源多一些，也不过100多年的可采量，而此时利用太阳能就更具有其现实意义。目前我国商业建筑热水供应主要是煤炭、燃油、燃气、电锅炉等形式，民用建筑热水供应主要采用电热水器，燃气热水器，太阳能热水器等形式。我国建筑能耗约占总能耗的30%，其中商业建筑热水能耗占总能耗20%-40%，民用建筑热水能耗占20%，所以，降低传统燃煤供暖所造成的大气污染，减少建筑能耗，大力推广及使用包括可再生能源在内的清洁能源将成为建筑节能工作和提高社会能源使用率的一个重要方面。从利用热能角度，采用电力、燃气、燃油等高品位热源的热水器，虽然加热效率较高，但实际加热过程中伴随着巨大的熵增损失，是一种极大的能源浪

9、费。而节能的太阳能热水器，对当地的天气和日照变化依赖性较强，不能稳定提供恒温的热水，尤其在阴雨天或冬季日照时间较短，室外气温较低的情况下，集热效率更低。将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，来保证太阳能热水器的全天候工作。在我国，对于太阳能资源十分丰富的地区而言，这项课题具有一定的实用价值和现实意义。根据未来10年的能源规划，中国将大力发展太阳能、风能，地热、生物能等新能源和可再生能源，到2020年中国新能源和再生能源的年开发量将达到5.3亿吨标准煤，占能源消费总量的15%。中国有丰富的新能源和可再生能源，根据统计显示，太阳能年日照时数在2200

10、小时以上的地区占中国国土总面积2/3以上，其中青岛地区年平均日照时数约为2550.7小时，日照率约为58%，年辐射总量约5020MJ/m2，太阳辐射资源十分丰富，具有良好的开发条件和利用价值。中国能源研究会的一项研究表明:从长远角度考虑，新能源和可再生能源的开发利用可以逐步改善以燃煤为主导的能源结构，促进常规能源更加合理有效的利用，缓解与能源相关的环境污染问题，有效降低温室气体排放，改善人居环境，促进经济发展，使中国能源、经济与环境的发展相互协调，从而实现可持续发展太阳能热水器具有节能及环保等优势，在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用。但常规太阳能热水器易受气候的影响，不能全天候运行。热泵

11、作为一种高效节能装置，其应用逐渐普及。将热泵节能技术与太阳能热水系统有机地结合起来，可弥补后者的不足，并实现其高效、全天候运行，对节能和环保均具有重要意义。1.2国内外研究进展1.2.1空气源热泵国外发展及研究现状20世纪30年代中期，出现了热泵的试验装置。从第二次世界大战前后至70年代中期，美国、前苏联、澳大利亚、欧洲各国在热泵的研究与应用方面都作了大量工作。理论研究主要集中于热泵的热力学原理、热泵结构和系统的设计选择原理、热泵的低位热源运行费和经济性计算基本原理等方面。20世纪80年代中后期，由于石油价格的下跌，热泵的节能优势对其发展的推动作用有所减弱，但研究工作并未停滞，其中包括对已有示

12、范性工程的评价和经验总结以及系统设计、性能测试、模拟和经济性评价等多方面的内容NobukatsuArai提出带闪发器的涡旋压缩机注气系统，并简要分析了其运行特性，指出应用此项措施在低温工况下可以提高制热性能15%左右。90年代初，日本的Hagimoto K等人提出采用带喷液旁路的涡旋压缩机系统来解决低温工况下制热时排气温度过高的问题，并开发出样机，通过对辅助回路的启停实现热泵机组既能在常温工况下高效运行、又能在低温工况下安全可靠工作，但这同时加大了热泵机组的复杂性，使制造成本也大大提高。日立公司推出的J系列热泵空调机组，就是采用的类似措施，现场实测结果表明，机组可以在-15以上的条件下正常工作

13、。上世纪90年代末，日本Katsuji Yamagami提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热热泵空调器来解决低温工况下制热不足的问题。系统中燃气、燃油加热主要有两种工作方式:一是在供暖时停止运行热泵系统，仅启动送风系统，依靠燃料在空调器燃烧器中的燃烧，加热流经的空气，从而送出暖风。燃烧器一般加装于室内机中;另一方式是在供暖时，热泵系统持续运行，室外机组内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将吸收的热量以及压缩机所做的功一同带到室内，制冷剂循环量以及燃气、燃油量由计算机根据室内负荷进行控制。这种系统型式较为复杂:燃油系统须配备储油罐等辅助设施，在建筑行业中对储油罐的装配及燃油的运输管道有着严格的

14、消防要求;燃气系统对市政输配管网有一定的技术要求，在建筑密度很高的市区地段很难满足。因此，这一方案基于安全性考虑以及一些国家地区相关政策法规的限制，其应用前景并不十分看好。当燃烧器加装在室外机，系统冬季运行燃烧器时，系统获取的也不完全是来自空气的免费热源，而是有代价的热源，且这部分热源也不能得到完全利用。 在大规模应用方面，国外的研究侧重于与建筑结构及目标对象相结合。包括:以空气源热泵作为住宅的供暖(冷)机组的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖(冷)的研究，在室内或室外露天游泳池中的应用研究，在建筑物余热(排风废热)回收与利用中的应用研究，对冷凝废热回收与利用中的应用研究，人工冰场和游泳池相结合

15、的系统研究以及该技术在工农业中的应用等。美、日、西欧都是热泵主要的应用国家，但他们热泵的发展模式却不尽相同。美国热泵行业的发展主要以单元式热泵空调为先导，生产以空气作为低位热源的单元式热泵空调机组，此后又在空气空气单元式热泵空调机组的基础上又开发了应用于商业建筑的空气水热泵和水环热泵系统。日本由于其国内资源十分缺乏，各种能源都严重依赖进口，从而其主要集中于小型空气源热泵的研究。相对于美国和日本，西欧各国在50年代初就开始从事热泵的研究和开发，重点是对大型热泵装置的研发，生产出的大型热泵主要应用于集中供热或区域供热，其发展模式与美国截然不同。前苏联在大型区域供热和热泵站的建设方面也作了大量研究工作。 在能源开发利用方面，研发出了较多的形式。国外的研究更加注重将空气源热泵系统与其他能源或辅助设施相结合以提高其运行性能，例如与太阳能相结合的系统研究，以及带有热储的空气源系统等，这对推动我国热泵事业的发展起到很好的借鉴作用。1.2.2空气源热泵国内发展及