直膨式太陽能熱泵熱水器集熱-蒸發(fā)器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化及系統(tǒng)運(yùn)行特性分析.pdf

1、太陽能熱水器與空氣源熱泵熱水器均是利用可再生能源來提供熱水的節(jié)能高效熱水系統(tǒng)，也是目前最具發(fā)展前景的兩種熱水系統(tǒng)形式。但在實(shí)際使用中，太陽能熱水器的運(yùn)行完全依賴于太陽輻照情況，運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性較差；而空氣源熱泵熱水器能效則受環(huán)境空氣溫度限制，低溫環(huán)境下系統(tǒng)能效系數(shù)及加熱功率均下降。而本文所研究的直膨式太陽能輔助熱泵熱水器（Directexpanded solar assisted heat pump water heater，DX-S

2、AHPWH）將太陽能技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，是能夠同時(shí)利用太陽能與空氣熱能的雙熱源熱泵熱水系統(tǒng)。DX-SAHPWH系統(tǒng)集合了太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者各自的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：
　　（1）系統(tǒng)能效系數(shù)高，而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠；
　　（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維護(hù)成本低廉，且易于實(shí)現(xiàn)與建筑外立面的一體化；
　?。?）系統(tǒng)集熱/蒸發(fā)器以制冷劑為流動工質(zhì)，與常規(guī)以水為工質(zhì)的太陽能集熱器相比，一方面制冷劑溫度較低，能

3、夠提高太陽能集熱效率，另一方面不存在管路腐蝕、冬季防凍等問題，使用壽命長；
　　（4）太陽能-空氣源雙熱源的利用使DX-SAHPWH能夠適用于不同的氣候區(qū)域，具有良好的市場開發(fā)和應(yīng)用潛力，也利于推動節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
　　本文采用理論分析，仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，完成了DX-
　　SAHPWH的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化及運(yùn)行特性分析。本文具體工作內(nèi)容主要包括：
　　首先，對DX-SAHPWH系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)第一定

4、律和第二定律分析。通過熱力學(xué)分析，確定了系統(tǒng)性能影響因素及相關(guān)性能評價(jià)參數(shù)。同時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)分析的結(jié)果，提出了DX-SAHPWH系統(tǒng)部件（主要是壓縮機(jī)與集熱/蒸發(fā)器）間的匹配的計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
　　其次，集熱/蒸發(fā)器是DX-SAHPWH系統(tǒng)的技術(shù)核心，集熱/蒸發(fā)器的換熱效果也是影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素之一。本文對吹脹式集熱/蒸發(fā)器的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化以提高其傳熱性能，并搭建了樣機(jī)對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，優(yōu)化后的

5、流道結(jié)構(gòu)改善了集熱/蒸發(fā)器的傳熱性能，并有效提高了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在水箱初始水溫25℃，設(shè)定熱水溫度55℃，環(huán)境溫度26℃，太陽輻射強(qiáng)度700W/m2的運(yùn)行條件下，采用常規(guī)蛇形流道的集熱/蒸發(fā)器（Type I），DX-SAHPWH系統(tǒng)運(yùn)行過程中平均COP為4.58，平均輸出加熱功率為1.37kW；而采用優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)Type II和Type III，系統(tǒng)平均COP分別提高到5.25和5.56，平均輸出功率則分別提高到1.61kW和

6、1.71kW。
　　第三，通過理論與實(shí)驗(yàn)研究，分析了水溫，環(huán)境溫度，太陽輻射強(qiáng)度以及天空長波輻射等因素對于DX-SAHPWH系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。并將不同天氣條件下的DX-SAHPWH系統(tǒng)運(yùn)行性能與同等工況下的空氣源熱泵熱水器（ASHPWH）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。測試結(jié)果表明，與ASHPWH系統(tǒng)相比，DX-SAHPWH系統(tǒng)在晴朗的白天時(shí)段具有顯著的性能優(yōu)勢；在晴朗的夜間時(shí)段則表現(xiàn)出較差的運(yùn)行性能。而在陰雨天氣下，兩種系統(tǒng)運(yùn)行性能差異不大。

7、在?損失方面，ASHPWH系統(tǒng)?損失最大的部件為壓縮機(jī)，而DX-SAHPWH系統(tǒng)最大?損失則發(fā)生在集熱/蒸發(fā)器。
　　第四，建立相應(yīng)的仿真模型，對DX-SAHPWH系統(tǒng)在不同氣候區(qū)域的的全年運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析。通過對不同地區(qū)全年運(yùn)行仿真結(jié)果進(jìn)行的數(shù)據(jù)回歸分析，提出采用全年加權(quán)平均環(huán)境溫度與太陽輻射強(qiáng)度作為系統(tǒng)全年綜合運(yùn)行性能評價(jià)的額定工況。并提出系統(tǒng)全年平均COP與加權(quán)平均溫度及太陽輻射強(qiáng)度之間存在二元線性關(guān)系。同時(shí)，綜

8、合考慮系統(tǒng)投資與運(yùn)行成本，研究了系統(tǒng)壓縮機(jī)排量與集熱/蒸發(fā)器面積的匹配及優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，不同地區(qū)使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的的壓縮機(jī)排量與集熱/蒸發(fā)器面積的比值均處于[0.28，0.35]區(qū)間內(nèi)。
　　第五，空氣源熱泵熱水器的性能主要受環(huán)境溫度與水溫的影響，在晝夜溫差較小的情況下，系統(tǒng)全天不同時(shí)段的運(yùn)行性能相差不大。與之相比，由于太陽輻射強(qiáng)度對于DX-SAHPWH系統(tǒng)性能有著重大影響，而全天太陽輻照情況變化顯著，因此DX-SAHPW