空气源热泵结合相变辐射板的系统性能研究

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以石墨/石蜡为复合相变蓄能材料,结合毛细管构建辐射供暖/供冷末端。同时以空气源热泵结合太阳能为冷热源,利用夜间电力运行空气源热泵,实现提高建筑能源利用效率、减少运行费用的目的。本文在TRNSYS开发环境下建立了热泵空调系统与相变蓄能末端系统模型,通过实验验证了相变蓄能末端模型性能的可靠性。相变蓄能末端主要由PCM层,毛细管层和其他结构层组成。其中毛细管层是将毛细管封装在混凝土中,毛细管层与PCM直接接触。冷热媒通过毛细管层向PCM层蓄能,再通过末端表面以辐射和自然对流向室内释放或吸收热量。本文建立了基于显热容法的一维相变传热数值模型,并通过FORTRAN对该数学模型进行编写,然后使用Type Studio进行编译得到Type208PCM模块,再结合建筑多区域动态传热模块得到主动式相变蓄能末端模型。本文通过实验制备了石墨/十八烷与石墨/十六烷复合相变材料,并测试了两种材料的物性,分别建立了供暖/供冷两种相变蓄能末端。在实验室中对这两种末端的蓄释能特性进行测试,分析对比了实验值与同工况下的模拟值,验证了主动式相变蓄能末端模型的可靠性。通过TRNSYS仿真平台,以南京市某办公建筑为例,建立了基于主动式相变蓄能末端的热泵空调系统和常规风机盘管空调系统,研究系统的运行特性、节能性和经济性。在冬季工况,系统采用太阳能热泵联合向地板相变末端蓄热。通过典型周期模拟确定了蓄热工况为33℃供水,最大热泵夜间蓄热时长7h。供暖季模拟中通过PCM温度反馈信号优化、集热器倾角优化、集热运行优化提升了系统的能源利用率,并结合“谷价电”降低了系统运行费用。系统确保了室温在17℃以上,同时相较于常规风机盘管空调系统,累计能耗降低31.6%,运行费用降低65.5%。系统夏季运行时,热泵夜间运行向吊顶相变末端蓄冷处理室内冷负荷,新风冷凝除湿机组处理湿负荷。通过典型周期模拟确定了蓄冷工况为10℃供水,最大热泵夜间蓄冷时长11h。通过PCM温度反馈信号优化,降低了热泵运行能耗4%,并结合“谷价电”降低了系统运行费用。系统确保了室温在23.8℃至27.3℃之间,相对湿度处于70%以下且辐射面未结露,同时相较于常规风机盘管空调系统,累计能耗降低25.6%,运行费用降低60.8%。
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