光伏与热泵/空调耦合系统热力学行为及应用评价研究

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我国能源不仅产量较高,而且消耗也很高。以目前产能和消耗速度来计算,我国传统化石能源最多还可以使用30年左右,能源形势相当严峻。而在我国经济产业结构组成中,占据主导地位的建筑业对能源的消耗占总能耗的四分之一以上。我国正处于城市化进程高速发展的阶段,各类建筑总量承指数增长,建筑能量消耗也居高不下。依据第四次政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告,近百年来全球变暖趋势很大程度上也是由于城市的发展所导致的。因此,城市的发展、建筑数量的增长不仅带来了空前的能源压力,还给我们赖以生存的环境造成了巨大的威胁。寻求可再生能源、绿色能源以替代传统的化石能源,同时减少建筑能耗的消耗刻不容缓。现在研究表明,建筑中所采用的空调卫生热水等建筑设备的能耗占据了整个建筑能耗的75%以上,通过将可再生的绿色能源与此类建筑设备耦合在一起,再适当地进行优化设计即可达到降低建筑能耗、减少CO2排放、保护生态环境的目的。但是,可再生能源应该以什么样的形式加以利用与建筑设备耦合在一起?可再生能源、建筑设备和环境之间有着怎样的的热力学行为特征的?耦合系统在设计的时候应当遵循什么样的原则?耦合系统在应用之后又该如何对其进行评价?这些都是尚未解决的关键问题。本文即以一种光伏与空气源热泵耦合系统为对象,通过对此系统的热力学行为和应用评价展开研究,从而获得上述问题的解决方法。具体来说,本文做了以下的工作:(1)综合国内外相关的研究文献,对目前学者所做的有关光伏理论和应用研究、热泵理论和应用研究、以及二者耦合系统的理论和应用研究工作进行了全面阐述,找到了目前研究中仍然存在的问题;(2)为了解决存在的问题,提出了分布式光伏辅助驱动空气源热泵系统的概念方案,并在此概念方案的基础上建立了相应的的实验示范系统;(3)为了研究该耦合系统的热力学行为,本文在前期对光伏电池的发电性能(最大光伏转换效率)采用了不同的方法建模,并进行了对比研究,提出了基于无量纲方法的光伏电池最大光伏转换效率的热力学模型,并将其作为后续研究的基础;(4)在上述光伏电池最大转换效率的无量纲热力学模型基础上,进一步扩展到整个耦合系统,建立光伏与空气源热泵耦合系统的热力学模型(包括(火用)耗模型、(火用)耗经济模型以及CO2排放模型);并利用实验系统的相关实验数据,对此模型进行验证分析。利用该模型可以很好地描述系统之间的热力学行为关系,同时此模型可以用来对耦合系统在中南地区的适用性进行评价,进而建立一套耦合系统的设计方法和准则---即光伏发电系统的装机容量应该根据建筑物最大冷负荷来确定;(5)最后,利用所建立的无量纲热力学模型以及光伏发电系统装机容量根据建筑最大冷负荷确定的设计准则,建立了单体建筑和整体城镇最优热力学条件下所需要的光伏发电量计算方法。以最优热力学条件下所需要的光伏发电量计算方法为基础,提出了单体建筑和整体城镇光伏可用能力评价指标并建立了计算该指标的具体方法。进而形成了对单体建筑和整体城镇全面综合的绿色建筑节能评价方法。本文的研究解决了太阳能光伏如何与建筑设备有效耦合的问题,解决了如何描述太阳能光伏与建筑设备之间热力学行为的问题,解决了太阳能光伏与空气源热泵耦合系统设计时应采用怎样的方案或遵循原则的问题,还解决了此类系统应用后如何进行评价的问题。本文研究中所采用的研究方法和思想也可以为不同地区不同形式的耦合系统研究、设计和应用以及城市光伏应用和绿色建筑节能评价提供参考。
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