【摘 要】
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生活热水系统能耗是建筑总能耗中的重要组成部分,太阳能与空气源热泵耦合的热水系统充分利用了可再生能源,既能克服太阳辐射强度弱等气候条件下水温无法满足要求的弊端,又可有效弥补热泵在室外气温较低时性能下降的不足,对于推进建筑节能等发展战略具有积极意义。目前关于采用太阳能预热结合空气源热泵加热运行模式的双水箱系统的研究较少,较于常规的单水箱系统,该系统供水更稳定可靠,且能更充分地利用太阳能资源,故值得深入
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生活热水系统能耗是建筑总能耗中的重要组成部分,太阳能与空气源热泵耦合的热水系统充分利用了可再生能源,既能克服太阳辐射强度弱等气候条件下水温无法满足要求的弊端,又可有效弥补热泵在室外气温较低时性能下降的不足,对于推进建筑节能等发展战略具有积极意义。目前关于采用太阳能预热结合空气源热泵加热运行模式的双水箱系统的研究较少,较于常规的单水箱系统,该系统供水更稳定可靠,且能更充分地利用太阳能资源,故值得深入研究。本文首先以天津市某大学学生宿舍楼的既有工程为研究对象,使用TRNSYS软件建立了太阳能与空气源热泵复合热源生活热水供应系统的仿真模型。模拟计算得到系统的年太阳能保证率与集热效率分别为28.63%与43.90%,系统COP与热泵机组COP全年分别在2.76～6.26与2.62～3.93的范围内变化。对比模拟结果与一整年的实测数据发现,太阳能集热量的偏差低于5%,热泵耗电量与制热量的偏差均低于10%,表明模型比较准确。其次,建立了其他热源形式热水系统的仿真模型,结果表明太阳能独立热水系统全年的日供水温度波动较大,故不宜在天津市推广使用,但在夏季单独使用太阳能定时热水供应系统在理论上是可行的。使用MATLAB软件分别拟合出天津市春夏秋冬四季热泵COP随室外空气温度与热泵进口水温变化的公式,拟合优度均较高。太阳能与空气源热泵复合系统与空气源热泵、电加热及太阳能与电加热复合系统相比,年节能、经济及环保效益均十分显著。最后,使用SPSS软件设计正交试验方案对系统的不同组合开展了分析,掌握了太阳能集热器等部件中的关键参数对系统性能影响程度的主次顺序与显著性。系统性能的最优组合为太阳能集热器倾角为40°、太阳能集热器面积为400m2、空气源热泵额定制热功率为20 k W、集热水箱容积为13 m3。系统性能达到最优时太阳能集热器面积与空气源热泵功率的最佳匹配原则为0.05 k W/m2。结合TRNSYS软件与GENOPT软件,采用模式搜索法迭代计算得到了系统经济性达到最优时的设计方案,即太阳能集热器倾角为42.9°、太阳能集热器面积为255m2、空气源热泵额定制热功率为72000 k J/h（20 k W）、集热水箱容积为12.7 m3,单位集热器面积的热泵额定制热功率为0.078 k W/m2,费用年值为86979.67元。
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