直膨式太阳能热泵热水器系统的性能分析与优化设计

直膨式太阳能热泵热水器系统的性能分析与优化设计Abstract：In this study, a direct expansion solar-assisted heat pump water heater (DX-SAHPWH) with rated input power 750W was tested and analyzed. Through experimental research in spring and thermodynamics analysis about the system performance, some suggestions for the system optimization are proposed. Then, a small-type DX-SAHPWH with rated input power 400W was built, tested and analyzed. Through exergy analysis for each component of DX-SAHPWH (A) and (B), it can be seen that the highest exergy loss occurs in the compressor and collector/evaporator, followed by the condenser and expansion valve, respectively. Furthermore, some methods are suggested to improve the performance of each component, especially the collector/evaporator. A methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied. In order to maintain a proper matching between the heat pumping capacity of the compressor and the evaporative capacity of the collector/evaporator under widely varying ambient conditions, the electronic expansion valve and variable frequency compressor are suggested to be utilized for the DX-SAHPWH.r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.摘要：在这项研究中，我们对额定输入功率为750W的“直膨式太阳能热泵热水器”系统进行了测试和分析，通过在春季运行工况下的实验研究和系统性能的热力学分析，对于系统的优化设计我们提出了一些合理化建议。根据分析结果，研制了额定输入功率为400W的小型化“直膨式太阳能热泵热水器”系统并加以试验验证和分析。我们把以上两个系统分别命名为A和B，通过对比分析发现，两套系统各主要部件的火用损失以压缩机和集热/蒸发器为最大，然后依次是冷凝器和热力膨胀阀。此外，我们还对提高各部件性能尤其是集热器和蒸发器的性能提出了一些方法和建议。为了保持热泵压缩机的容量和集热/蒸发器的蒸发量之间的合理匹配，我们在“直膨式太阳能热泵热水器”系统中应用了电子膨胀阀和变频压缩机。2006Elsevier Ltd公司保留专利所有权。关键词: 热泵；热水器；性能系数；太阳能集热效率；火用。1.引言：太阳能是一种免费可再生能源，它像是空气热源的热泵。为了提高热泵的COP，来自世界各地的研究人员已经提出了把热泵系统与太阳能应用系统相结合的观点。所谓直膨式太阳能热泵，就是把集热器和蒸发器组合成一个单元（集热/蒸发器），在热泵循环系统中,制冷剂被入射的太阳能（和/或周围空气的能量）蒸发吸收。直膨式太阳能热泵系统与传统的太阳能热泵系统相比有很多优势，如优越的热力性能，较低的系统制造成本和集热/蒸发器较长的使用寿命。据估计，在中国太阳能热水器每年的销售额约达100亿元人民币。另据报道，在2000年中国约有500万家庭安装了太阳能热水器，并且它的发展速度越来越快。与传统的热泵热水器相比，直膨式太阳能热泵热水器凭借其优势将在中国有一个巨大的潜在市场。直膨式太阳能热泵系统的概念是由Sporn和Ambrose在西弗吉尼亚州1首次提出的。通过他们的共同努力，他们在过去27年里记录报道很多理论和实验性研究的结果。此领域的审查文件表示，在不同的试验条件下，当直膨式太阳能热泵系统的COP测试值从2到9变化的时候，集热/蒸发器的效率将从45%变化到75%。系统组成的匹配程度对系统的COP和集热器的效率高低由一定的影响，尤其是集热/蒸发器与压缩机系统组成的匹配程度。因此，每个组件之间的适当匹配对直膨式太阳能热水泵热水器的的性能有很重要的影响。几何参数 符号Ac 太阳能集热/蒸发器面积，m2 集热/蒸发器的吸收率COP 性能系数 （火用）损系数Cpw 常压下水的比热容，kJ/kg.K 集热/蒸发板发射率D 管道外直径， m 效率EQW 火用热水率，KW v 容积效率Erad 太阳辐射，KW v1 吸入制冷剂蒸气的比容m3/kge 具体的火用 ，kJ/kg 斯忒藩常数W/m2K4F 翅片效率 时间，或时间间隔，sF 集热效率因子 下脚标H 焓值率，KJ 0 环境的参数H 比焓，kJ/kg comp 压缩机Hw 风的传热系数，W/m2K coll 集热/蒸发器Irr （火用）损率，kWcond 冷凝或冷凝器IT 太阳辐射总强度，W/m2 eva 蒸发或集热/蒸发器mr 制冷剂的质量流量，kg/s ex （火用）Mw 水箱中水的质量，kg f 制冷剂液体N 压缩机电机的转速，rpm p 集热/蒸发器板P 压力，Pa rad 太阳辐射QCond 冷凝中制冷剂散热量，KW r 制冷剂Qeva 蒸发中制冷剂散热量，KW sa 溶胶-空气S 熵, kJ/K v 膨胀阀S 特殊条件下的熵, kJ/kgK w 水箱的热水T 绝对温度，k i 进气口，或DX-SAHPWH系ULcond 冷凝器热损系数，W/m2K 统的第i个组件Vd 排水量cm3/rev j 第j段的数据采集间隔Vw 周围环境风速，m/s o 出口W 集热/蒸发器的管间距，m 1,2,3,4 状态点Wi 压缩机的指示功率，kW Wcomp 压缩机总输入功率, kW目前，在制冷和空调行业，除集热/蒸发器外，其余的直膨式太阳能热泵热水器系统均采用普通的材料和部件。为了使直膨式太阳能热泵热水器系统的能得到更好地发展，我们对集热/蒸发器性能增强的研究显得更有重要意义。 在这项研究中，我们的主要目的在于开发出一种更高性能的直膨式太阳能热泵热水器系统，以适应潜在的中国市场。目前，这两个系统原型（直膨式太阳能热泵热水器系统（A）和（B）被依次放置在中国教育部太阳能发电及制冷工程研究中心（上海交通大学，北纬31.22N，东经121.48。）。在季节性试验中，我们分别用热力学第一定律和热力学第二定律对直膨式太阳能热泵热水器系统（A）和（B）进行了火用分析。同时我们对集热/蒸发器系统也提出和运用了一些优化设计方法。应当指出的是，这项研究中使用的制冷剂R-22，在发展中国家，例如中国，尽管它将会在2040年前被淘汰，但是现在它仍然广泛应用于热泵系统。为了促使发展中国家能够节省能源，运用R-22作为制冷剂来提高热泵系统的热力性能对我们来说显得尤为重要。另一方面，我们可以运用同样的分析方法来分析其他类型的制冷剂热泵系统。2. 系统描述和实验装置2.1直膨式太阳能热泵热水器的热力循环 图1 直膨式太阳能热泵热水器循环原理图图1显示的是直膨式太阳能热泵热水器系统（A）在此研究中的示意图。此系统是由一个无光太阳能集热器作为蒸发器，一个制冷剂为R-22的旋转式封闭压缩机，一个带有再绕式铜管的热水槽作为蒸发器，一个恒温膨胀阀（TEV）和一些辅助配件组成的。这些压缩的的制冷剂液体从冷凝器通过膨胀阀直接进入太阳能集热/蒸发器，并在那里得到入射太阳能（和/或周围环境大气能量）的加热。周围环境的空气作为热源或者冷源取决于制冷剂的温度是否低于或高于周围环境的温度。从蒸发器出来的制冷剂通过压缩机的压缩，最后高温高压的制冷剂蒸汽被输送到冷凝器，在那里得到冷凝。这些能量在冷凝器中被冷却介质水吸收，通过一种（铜管线圈型）热交换器把能量转换成水槽中水的能量。图2 热水箱由热泵得热过程示意图图表2显示的是制冷剂在理想外界条件下的一个特定的热泵循环。在图中，1-2,2-3,3-4和4-1分别代表压缩过程，冷凝过程，节流过程和蒸发过程。制冷剂相应的热力状态点1,2,3，和4分别代表蒸发压力下的过热蒸汽，冷凝压力下的过热蒸汽，冷凝压力下的过冷液体和蒸发压力下的过冷液体。如图2所示，由于太阳能集热/蒸发器的压力是下降的，1点的蒸发压力总比在4点蒸发压力小。只要加热集热/蒸发器中的制冷剂，水槽中的水也将得到加热，类似的周期反应也会反过来发生。2.2.样机设计直膨式太阳能热泵热水器系统（A）的实验样机的设计和制造如图 3所示。在表1中列出的每个主要组件规格。图3 试验样机安装的照片图表1 系统A主要部件参数名称 规格及型号 备注压缩机 滚动式转子 额定功率0.75KW，排气量13.40cm3 /rev,蓄水150L，内置沉浸式。热水箱 承压式保温水箱 长60m的铜盘管（9.900.75mm）作为冷凝换热器 。太阳能集热/蒸发器 铝板 4板式集热板，分2个流程并联，总集热面积为4.20m3 热力膨胀阀 TEX-2型由 外部平衡型Danfoss, Denmark制造一系列没有任何玻璃或背绝缘热源设备的太阳能集热器 （总面积为4.20m2)，以R22作为制冷剂的蒸发器。它包括4个铝集热板，分2个流程并联，这种网络式的管道设计经特殊工艺使两片铝板能够粘合在一起，从而形成肋片，以至于流体能够在周围流动。其结果是，铝集热/蒸发器重量轻，非常薄，所以它可以轻松地安装在任何地方。本实验研究中，我们把集热/蒸发器面朝南部，固定在一个倾斜度为31.220（上海纬度）的屋顶上，如图3所示。为了提高其吸收率，我们在集热/蒸发器表面涂有选择性的涂层。系统中使用R22的额定输入的功率为750W旋转式全封闭压缩机，为避免过载，在压缩机上装有过热保护器和低高切断开关。冷凝器铜管（9.900.75mm）线圈总长度约60米，它们被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保温层厚度38mm）。打开和关闭电源的的直膨式太阳能热泵热水器系统是由位于水箱内的温度计控制的，所以热力膨胀阀（外部平衡型）控制制冷剂的流量是通过太阳能集热/蒸发器来实现的。2.3 测试设备环境温度由铂热电偶温度计（A级精度)测量，不同系统的收集器表面温度和制冷剂温度是有另一热电偶(T型，具有不确定性0.5。C）测量的。水的温度是有位于热水槽的温度热敏电阻测量的。压力的高低是由压力传感器测定的。为了测定集热/蒸发器流程中的压降，我们在集热/蒸发器的里外各装了一个低压压力传感器（不确定性0.5bar）。在冷凝器的外面装了装了一个高压的压力传感器。为了测量太阳辐射的瞬间强度，我们在集热/蒸发器周围安装了一个太阳辐射强度计（具有敏感性7.464V/Wm2，不确定性为10W/m2）。我们用电子功率测量计（准确性级别0.5，不确定性约为10-15W）测量压缩机的瞬间功耗。以上过程是由基于D-A系统的个人电脑指导和控制的。为了以后分析的方便，数据记录器（Keithley Model-2700数据采集系统）分析记录了这些数据。3.系统的热力学分析热力学第一定律和热力学第二定律是比较简单的热力学分析方法。火用分析实际上是能量分析的一部分。火用分析的理论是实质上的可用的能源分析。火用是常温常压下系统最大有用功的一种测量方式。在直膨式太阳能热泵热水器系统中热力学第一定律和热力学第二定律比较简单的运用体现在系统的合理设计上。这些结果会使工程设计者更容易有效地识别组件的火用损失，为进行进一步的修改提供合理的量化的指导。3.1 .热力学第一定律分析在这项研究中，直膨式太阳能热泵热水器系统的能量守恒可以表示为 (1) 其中表示传热量，下标cond表示冷凝器，eva表示集热/蒸发器。i代表压缩机的指示功率。集热/蒸发器从周围环境中的热量可以表示为制冷剂从集热/蒸发器入口到出口焓值的变化。 (2)对于恒定速率运行下的压缩机来说，在压缩机中循环流过的制冷剂的质量的为 (3)其中发动机的转速为N，制冷剂流量为, 型号为2830, 13.40cm3/rev，91%的直膨式太阳能热泵热水器系统（A）上的旋转封闭式压缩机的容积效率v。压缩机入口处的比体积是由压力Peva和通过管道的制冷剂温度T1决定的。压缩机的指示功率可有通过压缩机入口和出口处制冷剂的焓差决定的。 (4)其中为压缩机总输入功率，为压缩机的效率，效率0.75用于下文中直膨式太阳能热泵热水器系统（A）的计算。冷凝器的传热量可以由以下焓值变化来表示 (5)节流过程可近似认为是等焓过程： (6)由热力学第一定律知，太阳能集热器的效率coll和直膨式太阳能热泵热水器系统的性能系数COP可以定义为 (7) (8)公式中代表的是以上提到的2分钟的时间采集间隔，下标j代表第j段的时间间隔，代表太阳能集热器的面积代表太阳总的辐射强度，代表水从冷凝器获得的热量，它可以近似认为是冷凝器制冷剂的散热量，也就是说热水通过覆有38mm厚的聚氨酯的水槽到外界环境的热量损失可以忽略不计。3.2 热力学第二定律的分析一个热力系统的(火用)平衡方程式： (9)表示火用的输入量，表示火用的输出量，表示火用损失，表示火用变化。直膨式太阳能热泵热水器的用平衡方程式可以表示为： (10)其中表示火用，其下标rad表示太阳能辐射，下标表示从冷凝器到水的热交换。表示直膨式太阳能热泵热水器系统的压缩机总的火用损失。下标i代表直膨式太阳能热泵热水器系统第i个压缩机。每个压缩机的火用损失可以按以下方式估算：我们可以得到在集热/蒸发器中的火用损失 (11)其中表示入射的太阳能的火用，14，表示总的太阳辐射强度，表示集热/蒸发器平板表面的温度。压缩机的火用损失可以总结为 (12)冷凝器的火用损失可以总结为 (13)膨胀阀的火用损失为 (14)由热力学第二定律的评价指标知，火用效率并没有标准化。在本文中，直膨式太阳能热泵热水器系统火用效率可以定义为 (15)通过火用损失效率的概念我们可以比较清楚的算出系统中每个压缩机的火用损失，火用效率可以定义为 (16)ex和ex的关系为 (17)4试验结果及讨论目前，我们选择2005年4月的一个天气晴朗的日子，在上海对系统A的性能进行了一系列研究。其试验数据结果如表2所示。它显示了对于150L的水从14-20加热到50度大概需要90-98分钟，压缩机的总耗功为0.98-1.06KW。平均的性能系数和效率分别为5.21-6.61和88-105%。它表明当蒸发温度低于环境温度时，集热/蒸发器的效率是可能大于1。这个特点对于太阳能集热/蒸发器性能的提高是有很大作用的。图表2 系统A在春季里的试验结果2005年4月22，我们用一组典型工况下的试验数据分析直膨式太阳能热泵热水器系统（A）的性能。图4 系统A的太阳能辐射强度和温度随时间的变化从图4的数据中我们可以得到，在此试验条件下太阳能辐射的平均值IT和环境的平均温度分别为812W/m2和24.4度。瞬间的环境没有太大变化，但是由于云的影响太阳辐射的变化是难以预测的。4.1 直膨式太阳能热泵热水器系统的性能系数和效率 从2005年4月22日的研究结果中我们可以看出，直膨式太阳能热泵热水器系统（A）的性能系数和效率分别为5.21和88%。我们把系统A开始运行30分钟后直到一小时后运行结束的阶段称之为“相对稳定阶段”。在这个阶段，系统的运行参数，例如Tcond,i, Tcond,o, Teva,o, Teva,i, Tw, Tp等，都随时间的增加而直线上升。为了研究直膨式太阳能热泵热水器系统的性能系数是随时间而变化的，在本实验中，我们把稳态工作的时间分成七个小的时间段。他们是a占前1/8的时间段，b-1/4,c-1/2,d为整个时间段，e为后1/2,f-1/4，g-1/8。直膨式太阳能热泵热水器系统（A）a-g七个间隔的平均性能系数和效率可以有方程式计算出。图5显示的就是7和8及7个间隔所对应的阶段。图5 系统A的COP和TW随时间变化的特性图6 系统A的Pcond，Peva，in和Peva，out随时间的变化特性从图5中我们可以看出系统A的集热/蒸发效率几乎达到90%，它们比常规的太阳能集热器的效率高的多，并且其波动范围变化不大。但是性能系数的增加主要是因为Tw 和Tcond的减少。值得注意的是，图5中的TW的的测量值是瞬时值。根据实验测定，当TW达到55C时，压缩机将自动停止工作，热泵中的循环水将会在水槽中与热水混合。根据实验结果，平衡水水的温度TW2将比测量值低约4.8C。如上所述，为了测定集热/蒸发器的压降，在集热/蒸发器的里外各装两个低压传感器。为了测量冷凝压力，我们在冷凝器的外面安装了一个高压传感器。图6显示的是三个压力的测定值。从图6中我们可以注意到，Pcond和 Peva都随TW的增加而增加，并且Pcond的增加速率比较快。压缩机的排气温度越来越高。当实际的Tw,2的值达到50.5C时排气温度将达90.4C。因此，过高的温度TW将会对直膨式太阳能热泵热水器系统的稳定性和可靠性产生负面影响。4.2 系统部件的不可逆性在以上提到的7个中间环节中，直膨式太阳能热泵热水器系统（A）火用效率和和用损失系数可以有公式估算得到。实验数据决定了9-17中的状态参数，结果如图7所示。在图7中，系统A的火用效率随着时间的也逐渐增加。那是由于周围环境比较低的热力学能通过系统A以热水的形式转换成比较高的热力学能。然而，除了膨胀阀每个系统的火用损失系数都是减小的。如图7所示，最高的火用损失发生在压缩机中，然后分别是集热/蒸发器，冷凝器，和膨胀阀。这些计算结果证明Hawlader等人的观点是正确的。直膨式太阳能热泵系统的组件是相当匹配的，尤其是压缩机的泵送能力和蒸发器的蒸发能力之间的匹配程度是提高其性能的关键。最高的火用损失发生在压缩机中，它首先表明的是压缩机并不是影响产品性能最主要的因素。其次，由于压缩机的功耗很大程度上取决于进口和出口压力，所以，使冷凝和蒸发温度比较接近可以压缩机的火用损失。因此，较高的太阳能辐射，较高的环境温度都有助于提高压缩机的性能。由于直膨式太阳能热泵热水器系统（A）提供的是家用热水，过高的水温是没有必要的，推荐使用Tw2的终温为45-50C。集热/蒸发器系统在较低的温度下运行将导致更多的火用损失。如果可能的话应该提供较高的蒸发温度。直膨式太阳能热泵最明显的优势在于它能够通过入射的太阳能来提高蒸发温度。图7 系统A的i和ex随时间的变化在下文中，我们将介绍直膨式太阳能热泵热水器系统（B），它含有一种新型的有较低的压力损失的集热/蒸发器。水槽中热水的热损失和周围空气的热损失最终导致了火用损失。在本文中，热量损失可以忽略不计，因此，在图7中估算出的冷凝器的火用损失比实际的是偏低的。为了减少火用损失，我们可以提高水槽的绝热性能，增加热交换和优化冷凝器的外形和在水槽中的位置。如图6所示，随着Tw的增加压缩速率逐渐增加，节流损失也逐渐增加。因此较低终点设置温度Tw2是非常有利的。我们计算出的膨胀阀的火用的大约为2-14%。4.3 最佳的蒸发温度集热/蒸发器从周围环境中吸收的热量为 (18)其中Ac为集热器的面积，S表示常温的条件下集热/蒸发器从外界吸收的太阳辐射与向外界散发的太阳辐射的差值。S=IT-q0，表示集热/蒸发器的吸收率，表示集热/蒸发器发射率，q0表示单位面积常温下黑体辐射的太阳能与外界的辐射能的差值。T表示温度，下标p代表集电板，eva代表制冷剂的蒸发量，0代表周围环境，F代表集电器的效率因子。集热/蒸发器的火用增加等于吸收的太阳辐射乘以ZCarnot，集热/蒸发器的火用效率可以定义为 (19)通过比较，我们可以得到最大的火用效率， (20)在方程式右边的第二项提到了空气的温度 (21)结合方程式（20）和（21）我们可以得到 (22)2005年4月22的试验结果表明，周围环境的平均温度和蒸发器的平均温度分别为24.4和19.8C。最佳的蒸发温度为39.1C。如图8所示，随着Tw的逐渐增加，Teva,optimum和Teva差值逐渐减少。这实际上与图7中集热/蒸发器火用损失效率逐渐降低是一致的。图8 系统A的Teva，optimum，Teva和T0随时间的变化4.4 集热/蒸发器的优化设计根据以上估算，蒸发器的最佳蒸发温度比实际的蒸发温度要高得多。因此，我们需要比较高的蒸发温度。但是，实际的蒸发温度取决于外形设计和系统的运行调件。然而，效率的提高和系统的稳定性是相互冲突的。压缩机的排气温度也许不能承受过高的蒸发温度。根据查图维迪等人的观点，蒸发温度也许低于或高于T0，主要取决于系统的设计和外界条件。他们认为带有无盖的容器和变频压缩机的太阳能热泵系统有一个最佳的性能系数，它使蒸发温度维持在超过环境温度5-10C的范围。但是黄认为太阳能热泵系统在Teva小于T0的条件下运行时，对于压缩机有较低的排气温度和来自太阳和周围环境的双热源是十分有利的。在本实验研究中，我们根据压缩机的吸气压力，把蒸发温度设定为比环境温度低5C左右。如图6所示，由于制冷剂复杂的流程，在集热/蒸发器入口和出口处的压力损失越大。因此，为了减少制冷剂在流动过程中的压力损失，在集热/蒸发器中我们应该设计比较合适的流程。集热/蒸发器的设计步骤如下所示在本实验中，我们选择的测试地点是上海，提供的环境的平均温度为25C，太阳能平均辐射强度为800W/m2，平均风速为3.1m/s，集热/蒸发器的吸收率和发射率大约为0.9。比较方程式（7）和（18），我们可以得到 (23)从方程式中我们可以算出和分别为-5C和90%。的估计值为0.94。集热器的有效因子可以表述为 (24)其中F表示肋效率，F=tanUb/Ub，W表示管子节距，D表示管子的外直径，p =236W/mK表示集热/蒸发板的导电率，p=1.60mm为厚度，D和W分别为12.0和130.0mm。最后Ac是由方程式（18）决定的。理论上，集热/蒸发器优化设计的原理图如图9所示。图9 集热/蒸发器优化设计的原理图图10 系统B集热/蒸发器的原理图但是，由于市场上提供产品的限制，目前实际使用的集热/蒸发器是由8个太阳能集热板构成，如图10所示。集热器的总面积为2.08m2，集热/蒸发器板是由厚度为0.18mm的铜板构成，它的表面涂有被太阳能选择吸收的黑漆材料。铜管内外直径分别为11.0mm和12.0mm，它被焊接在铜管的背面，他们之间的距离为140.0mm。它朝南安装在了与地面呈31.22的屋顶上。基于对直膨式太阳能热泵系统（A）的分析和研究，我们开发出了种小型的，输入功率为400W的直膨式太阳能热泵热水器系统（B），在此研究中，用于估算直膨式太阳能热泵热水器系统（B）的压缩机效率为0.60。直膨式太阳能热泵热水器系统（B）主要组成部分的规格列于表3中。图表3 系统B的主要部件参数名称 规格及型号 备注压缩机 滚动式转子 额定功率0.40KW，排气量7.40cm3 /rev热水箱 承压式保温水箱 蓄水150L，内置沉浸式，50m的铜盘管（9.900.75mm）作为冷凝换热器 太阳能集热/蒸发器 铝板 8个薄板（由0.18mm厚的铜板焊接在一起其直径12.00,50mm），总集热/蒸发器面积为2.08m3 热力膨胀阀 TEX-2型由 外部平衡型Danfoss, Denmark制造4.5 系统（A）和（B）的试验性比较为了检验系统B性能，我们于2005年10月的秋天在上海做了一系列的试验与系统A进行分析和比较。试验数据如表4所示。图表4 系统B在秋季里的试验数据通过表2和表4的比较，我们意识到在相同的外界条件和取得相同的热水条件下，系统B与系统A相比需要比较长的时间。然而，系统A和B消耗的电能都不会超过1KWh。在相似的运用成本下，较低的成本和较小的面积对于安装在房顶或者墙上的系统来说是非常有利的，因此，体统B在这方面远远优于系统A。为了进一步的分析，我们在2005年10月15对系统B在典型工况下进行的分析结果与2005年4月22对系统A的分析结果做出了比较。从图11中我们可以看到，在试验期间，太阳能的平均辐射IT和环境的平均温度T0分别为795W/m2和24.7C，与图4中相似，环境温度几乎是不发生变化的。然而，瞬间太阳辐射在没有云影响的情况下是成正玄曲线变化的。从2005年10月15的实验结果中可以得到，系统B的性能系数COP和集热/蒸发器的效率分别为4.94和86。图11 系统B的IT和T0随时间的变化图12 系统B的coll，COP，和TW随时间的变化如图12所示，系统B的coll，COP，TW,的变化特性与系统A是十分相似的。主要的不同在于，十分钟后系统B进入跨稳态工作条件的阶段。从图5与图12的比较中我们可以看出，系统B的性能系数和集热效率都比系统A较低。在图12中TW时瞬间温度。当实验设备运行的过程中，一旦TW的温度达到54C时，压缩机将会自动停止运行，热泵中的循环水将会与槽中的热水混合。根据实验结果，实际平衡时水的温度Tw2要比实际测量的低约4C。通过比较表2和表4，我们可以得出系统B中的集热/蒸发器的压（温）降要比系统A的要小。从图13中我们可以得出出口和入口处的压力损失大概为0.083Mpa。这对提高集热/蒸发器的效率是非常有用的。图13 系统B的Pcond，Peva，in和Peva，out随时间的变化图14 系统B的i和ex随时间的变化用以上同样的分析方法，我们可以在图14中查出每个组件的火用损失效率和系统B的火用效率。与系统A不同，它最大的火用损失发生在集热/蒸发器，而不是压缩机。尽管随着制冷剂的流动集热/蒸发器压降问题得到了 改善，但是因为市场可利用产品的限制，我们在系统B中集热/蒸发器的结构采用的是板上管而不是单跨管。板上管结构并不能使集热/蒸发器与外界环境的热交换变得更加充分。从表4中可以估算出，在2005年10月15进行的数据测定F大概为0.67。图标15 系统B的Teva，optimum，Teva和T0随时间的变化4.6 进一步改善系统性能的方法随着热负荷与气候，季节和全年性的工作条件的变化，直膨式太阳能热泵热水器系统的也是不断变化的。由于变化的工作条件引起的直膨式太阳能热泵热水器系统每个组件的不匹配（尤其是压缩机与集热/蒸发器的不匹配），都将会导致火用损失。如果我们能够自动控制制冷剂在集热/蒸发器的流动Teva,optimum 和Teva的不同将会减少，那么系统的火用损失也将会减少。如果在没有超过压缩机最大吸气压力的情况下，我们将采用比较高的蒸发温度。在相同蒸发温度的条件下，稍高的性能系数和直膨式太阳能热泵热水器系统有较好稳定性是相互矛盾的。值得提出的是，适度的蒸发压力是由实际工况决定的。为了保持较高的性能系数和系统的稳定性和控制蒸发温度保持一个稳定的范围，我们将在未来在直膨式太阳能热泵热水器系统上安装一个可变速的压缩机和电子膨胀阀控制器。我们将应用于一些适当的控制方法，有效地结合这两种可控元件，在全年广泛不同环境条件下保持压缩机吸热能力和集热/蒸发器的蒸发量之间的适当匹配。然后，压缩机和集热/蒸发器的较高的火用损失也必然得到减少。此外，直膨式太阳能热泵热水器系统的热力性能和稳定性也会得到提高。5. 结论通过对直膨式太阳能热泵热水器系统A（输入功率为750W）在春季里的实验性研究和热力学分析，我们对于系统的优化设计提供了一些合理化建议。然后，我们研制了一种装有新型集热/蒸发器的小型直膨式太阳能热泵热水器系统B（输入功率为400W），通过测试和分析，并使之与系统A进行比较。系统A和B消耗的电能至多为1KWh，在相似的预期成本下，较小的系统需要较低的运营成本，并且较小的集热/蒸发面积也有利于系统在房顶的安装。通过对系统A和B的每个组件进行火用分析，我们可以得到，最大的火用损失发生在压缩机和集热/蒸发器上，紧接着是冷凝器和膨胀阀。此外，为了提高系统中每个组件的性能，我们提出了一些合理的方法和建议。集热/蒸发器的优化一些设计方法得到了应用和实施。在可变的工况条件和实际市场可利用产品的限制条件下，压缩机和集热/蒸发器的选择并不像设计中的那么匹配。在大范围变动的外界条件下，为了能使压缩机的泵送能力和集热/蒸发器的蒸发能力有合适的匹配度，在下一步的工作中我们将对系统A采用变频压缩机和电子膨胀阀。致谢中国科学技术部（合同编号2005BA908B07）和上海科学技术委员会（合同编号05dz05807）对此项研究在一定程度上的支持。作者还要特别感谢马强先生提供的技术支持和孙云康先生，王泰华先生对他们在试验研究中的帮助。参考文献1 Sporn P, Ambrose ER. 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