论文总字数：27906字

摘 要

随着热泵技术的不断推广与使用，国内对热泵有了越来越多的研究，尤其是具有更高能效的太阳能热泵系统。本文设计了一种采用复合相变材料进行集热和蓄热的直接膨胀式太阳能辅助热泵装置，其中设计的新型直接吸收储热型太阳能集热蒸发器，可以利用石蜡-石墨烯复合相变材料直接吸收和储存太阳能，以提高换热效率和热泵供热稳定性。

首先，对石蜡-石墨烯复合相变材料的吸光度、粘度、熔点、相变潜热等主要性质进行了测试，并对热导率等其他性质进行分析；得出添加石墨烯纳米颗粒会使得相变材料的吸光度大幅增加，粘度和热导率也会有所升高，而对熔点和相变潜热没有显著变化；石墨烯颗粒对相变材料性质的影响支持了其作为直接吸收储热型太阳能集热器中相变材料的可行性。其次，本文选择南京一月且光照充足的设计工况，制取进出水温分别为40℃，45℃的供热用水，对太阳能热泵的主要部件太阳能储热型集热器、压缩机、冷凝器等进行了设计与选型，通过分析计算证明此时热泵的COP_H可以达到6.67，具有较高的性能系数。此外，进一步计算分析了不同蓄热温度下热泵与集热器的性能和效率，证明该系统具有综合能效高，并可以在光照不足时保证系统稳定运行的性能优势。

关键词：太阳能辅助热泵；复合相变材料；纳米颗粒；性质测试；系统设计。

Abstract

With the continuous promotion and use of heat pump technology, there have been more and more researches on heat pumps in China, especially solar energy heat pump systems with higher energy efficiency. In this paper, a direct-expansion solar-assisted heat pump device using composite phase-change materials for heat collection and heat storage is designed. The new direct-accumulation heat-storage solar collector evaporator designed can use paraffin-graphene composite phase change materials. Directly absorb and store solar energy to increase heat transfer efficiency and heat pump heat stability.

First, the main properties of paraffin-graphene composite phase change materials such as absorbance, viscosity, melting point, and latent heat of phase change were tested, and other properties such as thermal conductivity were analyzed. It was concluded that the addition of graphene nanoparticles would cause phase transitions. The absorbance of the material increases substantially, the viscosity and thermal conductivity also increase, but there is no significant change in the melting point and latent heat of phase change; the effect of graphene particles on the properties of the phase change material supports its use as a direct absorption heat storage type solar energy set. The feasibility of phase change materials in heat exchangers. Secondly, He selects the design conditions in Nanjing with sufficient lighting in January to produce water for heating at 40°C and 45°C respectively. The main components of the solar heat pump are solar heat storage type heat collectors, compressors, and condensers. Such as the design and selection, through analysis and calculation proved that the heat pump's COPH can reach 6.67, with a high coefficient of performance. In addition, the performance and efficiency of the heat pump and collector at different regenerator temperatures were further calculated and analyzed, which proved that the system has a high comprehensive energy efficiency, and can guarantee the performance advantage of the system when light is insufficient.

KEY WORDS: Solar-assisted heat pump; Composite phase change materials; Nanoparticles; Property test; Performance analysis; System design.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能资源的特点 1

1.3 太阳能热泵概况 1

1.3.1 太阳能热泵系统的特点 1

1.3.2 太阳能热泵系统的分类 2

1.3.3 研究现状 3

1.4 相变蓄热 3

1.4.1 相变材料特点及分类 3

1.4.2 相变蓄热存在的问题 4

1.5 本课题主要研究内容 4

第二章 石蜡基复合材料的制备与特性测试 5

2.1 石蜡与石蜡-石墨烯复合相变材料 5

2.1.1 石蜡概况 5

2.1.2 石墨烯 5

2.2 石蜡-石墨烯复合相变材料的制备 5

2.3 复合相变材料的性能测试与分析 6

2.3.1 消光系数与吸光系数测试 6

2.3.2 粘度测试 10

2.3.3 导热系数分析 12

2.3.4 DSC测试分析 12

2.4 本章小结 16

第三章 太阳能热泵系统的设计 18

3.1 太阳能热泵系统的选择 18

3.2 太阳能集热器的设计计算与选型 18

3.2.1 集热器结构 18

3.2.2 蒸发温度的确定与压焓图 19

3.2.3 热泵热力性能的计算 20

3.2.4 集热管的布置方案 21

3.2.5 石蜡填充量 22

3.3 其他主要装置设备的选型 22

3.3.1 压缩机 22

3.3.2 冷凝器 22

3.3.3 节流装置 23

3.4 本章小结 23

第四章 系统性能分析 24

4.1 集热器性能分析 24

4.2 热泵系统性能分析 26

4.3 经济性分析 27

4.4 设计创新点 27

第五章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

引言

当今社会都在追求科技的不断突破和经济的快速发展，快节奏的发展导致能源消耗量增加，环境破坏，这也成为人们逐渐关注的问题。我国一直强调可持续发展，这就需要我们提高能源的利用率。我国社会每年的总能耗中，有超过1/4为建筑总能耗。在民用建筑的总能耗中，用于制冷采暖和提供生活热水的能耗占据了大多数。而随着社会的发展，新建筑面积增加，对应着建筑能耗也会持续增加，对环境造成更严重的影响。因此，降低建筑能耗，开发和采用清洁环保的能源，提高制冷采暖等建筑领域的能源利用率，可以有效提高资源利用率，对我国经济的可持续发展和人与自然的和谐发展有着重要意义。

由于长江以南处于夏热冬冷地区的安徽、江苏等地冬季气温相比北方不会很低，若使用低温地板辐射供热作为采暖系统，系统供水温度在45℃就可以满足要求。因此可以使用太阳能作为热泵系统的热源，来将热量传递给系统热水，设计系统使其与建筑一体化便可以被广泛使用。所以用太阳能热泵系统供暖，具有节能、环保等多种优越性，同时在其他季节还可以兼顾供给生活用水，具有广泛的应用前景。

太阳能资源的特点

太阳能是一个巨大的能源，属于可再生一次能源。地球上其他的可再生能源如风能、地热能、水能等都是源自太阳能，所以太阳能是人类赖以生存的能量之源，取之不尽用之不竭。如果可直接使用太阳能，对节约资源尤其是不可再生资源有重要的意义。太阳能资源在我国十分丰富，尤其西北地区的日照时间长，我国太阳能总储量相当于2亿吨标煤的发热量。对太阳能的利用可以缓解我国能源需求量大供应紧张的情况。同时太阳能属于清洁能源，无论是开发还是利用的过程中都不会产生废气、废水等对环境和人体有害的成分，也无需机械开采而造成噪音，避免造成生态污染，有着良好的环保和安全特性。所以太阳能是最理想的能源。

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