微型有机朗肯循环系统实验及仿真研究

作     者：孙知 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高岩;叶凌

授予年度：2020年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：有机朗肯循环 TRNSYS 土壤源热泵 余热回收 

摘      要：在能源与环境问题日益受到关注的今天,有机朗肯循环(ORC)被认为是利用热能资源发电的最有效和最灵活的解决方案之一。本文总结了前人的理论研究成果,尽管有机朗肯循环相关的的研究得到了很大的进展,但是在市场上还没有大批生产和应用。对现有有机朗肯循环系统适应性的研究相对较少,并没有工程级的预测和仿真模型。根据质量守恒定律、能量守恒定律,并且依据移动边界法和ε-NTU算法,本文建立了相关换热器的模型。根据以往的研究和相关经验,搭建了一套2kW的微型有机朗肯循环实验系统。该实验装置由生物质锅炉驱动ORC系统运行,并在稳定条件下进行了系统运行调试实验。本文提出用机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统作为辅助热源与GSHP系统联合运行,通过季节性蓄热,保持土壤热湿平衡,提高热泵效率,降低能源消耗。为说明此方法的可行性,基于TRNSYS平台,搭建有ORC-GSHP系统的模型,进行长周期数值模拟。通过该系统给小型住宅供热,从土壤温度场、系统能耗等方面分析了蓄热地源热泵系统的运行特性,并与无蓄热土壤源热泵系统进行比较研究,TRNSYS中的动态仿真结果表明,使用ORC-GSHP系统时,节能潜力很大。对哈尔滨进行研究的仿真表明,通过长周期模拟,所提出的新系统功率可达到42.3 kW,由于在蓄热季ORC系统将多余热量散发到土壤中,土壤温度基本稳定,系统可保持高效运行。而常规土壤源热泵系统的COP从3.9降至3.2,供热性能逐年下降,不利于长期供热。该系统能够胜任发电和冬季供暖。关于常规GSHP系统与ORC-GSHP组合系统的比较,在常规GSHP系统中,经过10年的使用,GSHP单元的年平均COP和年平均供热能力分别下降了13.5%和17.7%操作,而使用ORC-GSHP系统,由于ORC单元将热量散发到土壤中,因此与传统系统相比土壤年均温度稳定,年均COP保持在3.9左右。10年来ORC-GSHP组合系统的总功耗为100MWh,而常规GSHP系统的总功耗为330MWh,是前者的三倍以上。在过去的10年中,ORC-GSHP组合系统和常规GSHP系统每平米的总功耗为0.17MWh/m和1.1MWh/m。