（热能工程专业论文）太阳能空气源双源一体式热泵系统研究.pdf

摘要 摘要 本文通过理论研究和试验结合的方法完成了太阳能一空气能双源一体式高效热 泵的理论和实验研究。集热蒸发器是太阳能空气源热泵最关键的设备，其性能和造 价对太阳能一空气源热泵系统性能和经济性有十分重要的影响。 本课题研究的高效集热蒸发器要能同时高效吸收太阳能和空气能，但单独吸收 太阳能和单独空气能时集热器的最优结构参数有所不同，对于吸收空气能，要求增 强对流换热，减少空气流动阻力；对于吸收太阳能，要求翅片能较好得面向太阳， 减少太阳入射角的同时增加太阳直射面积。 本文首先通过计算机进行理论模拟研究。模拟出集热蒸发器最优结构参数和在 各种结构参数下的太阳直射辐射量及总辐射量，并与平板、普通空气源热泵蒸发器 直接暴露在空气中，接受太阳能辐射进行了对比分析，本高效集热蒸发器对太阳能 的吸收要比普通空气源热泵集热蒸发器多2 5 3 5 ，比平板式集热器略高7 3 。 其次通过f l u e n t 对高效集热器的结构对空气流动的影响进行仿真模拟，通过 调整翅片的形状、角度和间距等结构参数，使得空气与吸热板充分接触，同时促进 气流流动，减少流动阻力，提高对流换热能力的同时提高太阳辐射能的吸收，比较 集热蒸发器的热量收益比例，得出集热器的最优结构参数，形成完整优化设计方法。 最后，在理论研究的基础上，进行样机的试制，并进行了室内和室外实验。室 内实验主要模拟在不同的工况下双源一体式热泵系统和k r s 1 5 0 l 空气源热泵系统 的性能比较，并研究了在不同温度和不同风速下双源一体式高效集热器的对流换热 系数的变化；另外，本文在室外不同的天气情况下对双源一体式热泵系统和 k r s 1 5 0 l 空气源热泵系统进行了试验，实验结果表明，本双源一体式高效热泵热 水系统不但可以有效地吸收太阳能，还能有效地吸收空气中的能量，具有良好的热 性能，在不同的天气情况下，其c o p 大约在2 7 5 0 之间，优于传统的空气源热泵 系统的2 7 4 5 。 关键词：太阳能空气能，双源，一体式，性能，f l u e n t 仿真模拟 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t i v es o l a r a i rd o u b l es o u r c eh e a tp u m ps y s t e m h a sb e e nd o n et h r o u g ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t s t h ek e ye q u i p m e n to fs o l a r e n e r g y - a i r s o u r c eh e a tp u m pi sh e a tc o l l e c te v a p o r a t o r i t sp e r f o r m a n c ea n dc o s t s i n f l u e n c eh e a v i l yo ns o l a re n e r g y - a i rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sp e r f o r m a n c ea n d e c o n o m y t h eh i g he f f i c i e n c yh e a tc o l l e c te v a p o r a t o rr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l es h o u l da b s o r b s o l a re n e r g ya n da i re n e r g yh i g he f f i c i e n t l ya tt h es a m et i m e b u tt h eo p t i m a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r so fh e a tc o l l e c t o rt h a to n l ya b s o r b ss o l a re n e r g ya n do n l ya b s o r b sa i re n e r g y a r ed i f f e r e n t c o n v e c t i v eh e a te x c h a n g ei s r e q u i r e db e e n h a n c e da n da i r sf l o w r e s i s t a n c ei sr e q u i r e db er e d u c e dw h e na i re n e r g yi sa b s o r b e ds i n g l y a n df i n ss h o u l d f a c et h es u nw h i c hc a l lr e d u c es u n si n c i d e n ta n g l ea n di n c r e a s es u n sd i r e c ts u r f a c e w h e ns o l a re n e r g yi sa b s o r b e ds i n g l y t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c ht h r o u g hc o m p u t e rh a sb e e n d o n e f i r s t l y t h e o p t i m u ms t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd i r e c ts o l a rr a d i a t i o n 、t o t a l s o l a rr a d i a t i o nu n d e r d i f f e r e n ts t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t h s o l a r r a d i a t i o no fp l a t 、c o n v e n t i o n a la i rs o u r c eh e a tp u m pe v a p o r a t o re x p o s e dd i r e c t l yi na i r a r ed o n e t h ea b s o r b e ds o l a re n e r g yo fh i g he f f i c i e n c yh e a te v a p o r a t o ri s2 5 - 3 5 h i g h e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a la i rs o u r c eh e a tp u m ps o l a rc o l l e c t o r e v a p o r a t o r , a n da l s o h i g h e rt h a np l a tm o d e lb y7 3 s e c o n d l y , t h ee f f e c to fh i g he f f i c i e n c yh e a tc o l l e c t o r ss t r u c t u r eo na i rf l o wi s s i m u l a t e d b yf l u e n t t h r o u g ha d ju s t m e n to fs t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c h a l sf i n s s h a p e 、a n g l e 、s p a c i n ga n ds oo n ，t h ea i ri si nt o u c hw i t ha b s o r b e rp l a t es u f f i c i e n t l ya n d t h ea i rf l o wi s p r o m o t e d ，f l o wr e s i s t a n c ei sr e d u c e da tt h es a m et i m e c o n v e c t i v eh e a t e x c h a n g ei se n h a n c e da n da b s o r p t i o no fs o l a re n e r g yi si n c r e a s e d t h eo p t i m a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r so fh e a tc o l l e c t o ra r eo b t a i n e db yc o m p a r i n gw i t hh e a tc o l l e c t o r si n c o m e r a t i oo fh e a t a n dt h ei n t e g r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o di sf o r m e d b a s e do nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，p r o t o t y p eh a sb e e nm a d ea tt h ee n da n dt e s t e du n d e r d i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n ss u c ha ss u n n yd a y s 、c l o u d yd a y s 、n i g h t s e x p e r i m e n t a l i i a b s t r a c t r e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g he f f i c i e n c yh e a tp u m ph o tw a t e rs y s t e mi n t e g r a t e db yt o w s o u r c e sc a nn o to n l ya b s o r bs o l a re n e r g ye f f i c i e n t l y , b u ta l s oc a na b s o r ba i re n e r g y e f f i c i e n t l yw h i c hh a sag o o dt h e r m a lp e r f o r m a n c e t h ec o p i sa b o u t2 7 5 0u n d e r d i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n sw h i c hi sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a la i rs o u r c e dh e a tp u m p s y s t e mw h i e hi sa b o u t2 7 - 4 5 k e y w o r d s ：s o l a r a i re n e r g y , d o u b l es o u r c e ，i n t e g r a t e d ，h i g hp e r f o r m a n c e ，f l u e n t s i m u l a t i o n , i i i 广东工业大学硕士学位论文 物理量名称及符号表 s 沿着管方向的翅片节距 管中心到翅片顶端的长度 口 翅片与翅片管之间的夹角 p集热蒸发器倾角 ，翅片与水平面的夹角 k 太阳直射辐射量 气太阳散射辐射量 么地面反射辐射量 l每小时垂直太阳辐射方向的直射 辐射量 l每小时垂直太阳辐射方向的散射 辐射 l每小时水平总辐射的值 厶大气层外水平面辐射强度 a 埘高效集热蒸发器的吸收率 口。太阳光线垂直照射时高效集热蒸 发器的表面吸收率 6太阳赤纬角 9太阳入射角 太阳时角 缈地理纬度 高效集热蒸发器方位角 p地面反射率 址。平均温差 d 。基管外径 r 盯雷诺数 ， 空气的运动粘性系数旯，翅片的导 i v 艿，翅片厚度 a ：翅片表面空气侧的相当传热系数 髻结露时翅片表面的析湿系数 6 ，翅片表面上的霜层厚度 以霜层的导热系数 占发射率 l集热器平板温度 瓦环境温度 等效天空辐射温度 以湍流粘度 b 体积力合力 肛包含湍流的有效粘度 p 修正压力 h 对流换热系数 n u努塞尔数 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t 摘要i a b s t r a c t 。i i s y m b o lt a b l e i v c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do fs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n 1 1 2d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hl e v e lo fs o l a re n e r g yi nd o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r y 2 1 3r e s o u r c e s r e s e a r c hp u r p o s e sa n dc h i e fc o n t e n t s 5 1 4t h ea n a l y s i so fi n d u s t r i a l i z a t i o no u t l o o k 6 c h a p t e r 2d i r e c t - e x p l a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a tp u m ps y s t e m 8 2 1s o l a re n e r g yh e a t p u m ps y s t e m 8 2 2t h ew o r kp r i n c i p l eo fd i r e c t e x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a tp u m ps y s t e m 9 2 3 t h em a i nt e c h n i c a li s s u e sa n dr e s o l v e n t so fd i r e c t - e x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a t p u m ps y s t e m 10 2 4s u m m a r i e s 1 ：! c h a p t e r 3r e s e a r c ho np h y s i c a lm o d e la n dh e a tb a l a n c eb a s i c e q u a t i o n o fh i g hp e r f o r m a n c e c o l l e c t o r 13 3 1t h ep h y s i c a lm o d e lo f h i g hp e r f o r m a n c ec o l l e c t o r 。1 3 3 2t h eh e a tt r a n s f e rt h e o r yo fh i g hp e r f o r m a n c ec o l l e c t o r 1 4 3 2 1s o l a re n e r g ya b s o r b e n c i e s 1 4 3 2 2a i r e n e r g ya b s o r b e n c i e s 17 3 2 3c o m p r e h e n s i v eh e a tb a s i ct r a n s f e re q u a t i o no fs o l a r a i re n e r g y 19 3 3c a l l i b r a t e dc a l c u l a t i o no f h i g hp e r f o r m a n c ec o l l e c t o rw i t ha i re n e r g y 2 1 3 3 1c o n f i r mt h es i z eo f h i g hp e r f o r m a n c ee v a p o r a t o rc o l l e c t o r 一2 2 3 3 2c a l l i b r a t e d c a l c u l a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ee v a p o r a t o rc o l l e c t o r sa r e a2 3 3 4c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tc o l l e c t o r ss o l a re n e r g ya b s o r p t i o n 一2 7 3 4 1c o m p a r a t i v ew i t ha i re n e r g yh e a tp u m p se v a p o r a t o r 一2 7 3 4 2 c o m p a r a t i v ew i t hp l a ts o l a rc o l l e c t o r 2 9 3 4 ：；s u m m a r i e s ：；1 c h a p t e r 4n t j m e r i c a i s i m i ，i ，a t ec a i ，c iy i 芦汀1 0 no fh i g hp e r f o r m a n c e v i i i c o n t e n t e v a p o r a t o rc o l l e c t o r 7 sc o n f i g u r a t i o ni m p a c to na l rf l uw 3 3 4 1f o r e w o r d 3 3 4 2r e a c ho b j e c ta n dt h em a t h e m a t i c sm o d e l 3 4 4 2 1r e a c ho b j e c 3 4 4 2 2m a t h e m a r l c sm o d e l 3 5 4 2 3m e a s u r eo fg r i d d i n g 3 7 4 3n u m e r i c a ls i m u l a t ec a l c u l a t i o n 3 9 4 3 1d e f i n et h es o l v e r 3 9 4 3 2d e f i n et h el i q u i dm a t e r i a l 4 0 4 3 3d e f i n et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 1 4 4t h ea n a l y s i so fr e s u l t 4 2 4 4 1t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ff i n - p i p ei nd i f f e r e n tw i n ds p e e d 4 3 4 4 2t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ff i n - p i p ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 4 8 4 4 3t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ff i n - p i p ei nd i f f e r e n ta n g l e 4 9 4 5s u m m a r i e s 5 2 c h a p t e r 5t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fh i g hp e r f o r m a n c e s o l a r a i rs o u r c ei n t e g r a t i v eh i g h h e a tp u m ps y s t e m 5 3 5 1t h ec o n s t r u c t i o no fe x p e r i m e n td e v i c ea n dt h ew o r k i n ge l e m e n t s 一5 3 5 1 1t h ec o n s t r u c t i o no f e x p e r i m e n td e v i c e 5 3 5 1 2t h et e c h n i co fb u i l d i n gt h ee x p e r i m e n td e v i c e 5 4 5 1 3t h ew o r k i n ge l e m e n t so ft h ee x p e r i m e n td e v i c e 一。5 5 5 2t h ec o n t e n t sa n dm e t h o d sf o r t h ee x p e r i m e n t 5 6 5 2 1e x p e r i m e n tc o n t e n t s 5 6 5 2 2e x p e r i m e n te l e m e n t s 5 8 5 2 3e x p e r i m e n tm e t h o d sa n dp r o c e s s 6 1 5 3d a t ep r o c e s s i n ga n da n a l y z er e s u l t 6 4 5 3 1i n d o o re x p e r i m e n t 6 4 5 3 2o u t d o o re x p e r i m e n t 7 2 5 4s u m m a r i e s 7 8 c o n c l u s i o n sa n do u t l o o k s 8 0 i x 广东工业大学硕士学位论文 c o n c l u s i o n s 8 ( ) o u t l o o k s ；( ) r e f f e i 沁n c e 8 2 p u b l i c a t i o nd u r i n g s t u d y 。8 6 a c k n o w l e d g e m e n t 8 8 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 太阳能能源利用背景 当今世界，能源问题已经成为影响人类可持续发展的一个重要话题。国际油价 的高涨，石油、煤炭、天然气等不可再生能源获得的有限性以及环境污染的加剧，环 境和能源问题已是当今世界各国关注的焦点。随着社会经济的发展和人民生活水平 的提高，我国的能源消费量急剧增长，己成为继美国之后全球第二大能源消费国， 电荒、煤荒、油荒等常规能源短缺的现象日益加重。为了保证我国国民经济继续保 持较高的增长势头，能源可持续发展问题已成为全党、全国共同关心的重大问题。 大力开发和推广节能降耗、综合利用和提高环保效益的新技术、新设备，形成具有 自主知识产权的技术系列和技术系统，全面推动我国经济、社会、资源与环境的协 调发展，成为我们必须肩负的历史重任。 从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的 趋势。从新能源的可再生性、永久性、可利用地域的普遍性和情节性来看，太阳能 是最有发展前途的。据研究，地球截取的太阳辐射通量为1 - 7x1 0 1 4 k w ，地球每天 接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的2 0 0 倍。据科学家们预计，太阳 释放巨大能量的时间还将持续几十亿年。因此，太阳可称得上是人类取之不尽、用 之不竭的能源宝库。因此，加快对太阳能等新能源的研究开发及推广应用，是当前 节能减排的一项重要工作。 目前人们利用太阳能的方法主要有三种，一种是使太阳能直接转换成电能；第 二种是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换，如太阳能发动机等；第三种是 使太阳能直接转变成热能，即光热转换，如太阳能辅助热泵热水器等。 当前，我国建筑能耗与发达国家已很接近，民用与商业建筑采暖通风空调约占 社会总能耗的3 0 。同时工农业中的能耗中约一半为低温热量。这些需求均可使用 品位不太高的能源，有用太阳能替代的可能。 然而，由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳 能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。太阳能热水器产生热水依赖当地的 天气和日照变化，所以不能稳定提供恒温的热水。尤其在阴天或者冬天日照时间较 广东工业大学硕士学位论文 短、室外气温又较低的情况下，很难达到合乎需要的热水温度和供应量。太阳能热 水系统需设置备用加热设备，常用电加热或各种能源的锅炉，其投资和运行费用都 很高，使太阳能的进一步推广利用受到影响。 将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，以太阳能一空气能作为热泵系 统的热源，既有效地克服了太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，又解决空气源热 泵系统冬季效率低的问题。太阳能一空气能热泵技术的研究和发展是建立在太阳能 一空气能热利用技术和热泵技术发展的基础之上的，并随着这两种技术的日益成熟 和大规模应用而获得了广阔的发展空间和应用。 1 2 国内外太阳能发展现状及研究水平 太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术 之一。目前，国内外学者对于太阳能热泵的不同形式做了深入的研究。根据太阳集 热器与热泵蒸发器的组合形式，可分为直膨式和非直膨式。在直膨式系统中，太阳 集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在集热器中吸收太阳辐射能和空气 能而得到蒸发；而在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介 质( 一般采用水、空气、防冻溶液) 在集热器中吸收太阳能和空气能，并在蒸发器 中将热量传递给需要预热的空气或水。直膨式系统中制冷蒸发器同时作为太阳能集 热器，制冷工质在蒸发器内直接吸收太阳能或和空气能而蒸发，在夜晚和阴雨天从 空气中吸收热量制热。直膨式太阳能热泵系统是一项极具开发和应用潜力的节能、 环保技术。根据国内外的研究，具有很好的节能效果，能效比达到5 0 以上。 太阳能热利用先驱者j o d a n ，t h e r k e l d 和l o f 等首先对太阳能与热泵的联合供暖 系统进行了研究，指出了该种系统在美国大部分地区进行供暖的技术和经济可行性 【1 。3 1 。自1 9 5 5 年美国西弗吉尼亚的s p o r e 和a m b r o s l 4 通过实验研究第一次提出了直 膨式太阳能辅助热泵的概念，以及c h a r t e r 和t a y l o r 5 】在1 9 7 6 年开发出了一种无玻 璃盖板平板式太阳能集热器作为直膨式热泵系统的蒸发器，之后各国学者开始了关 于直膨式热泵集热器进行了研究。集热器是太阳能供热供冷中最重要的组成部分， 其性能和成本对整个系统的成败起着决定性作用。提高集热器的集热效率的方法主 要是两个方面，一是加大对太阳能的吸收能力，一是尽量减少集热器的损失。加大 对太阳能的吸收能力的关键技术对平板型集热器和真空管式集热器都是一样的，是 在集热器吸热板表面涂镀太阳能选择性吸收涂层，这种技术已经广为利用。在减少 2 第一章绪论 集热器的损失方面，平板型集热器与真空管的做法完全不同。真空管本身保温良好， 不需另外保温。常规平板型太阳能集热器将吸热板放入隔热良好，上有透明盖板的 外壳内，这种结构的集热器集热效率在o 4 o 6 。我国目前常用透明盖板多为单层 普通玻璃盖板或玻璃钢板。由于普通玻璃的太阳透射率低于0 8 3 ，甚至仅0 7 6 ，有 2 0 左右的反射损失，所以玻璃盖板应逐渐采用太阳透射率大于0 9 的低铁太阳能 玻璃。 八十年代初，用裸平板、有底部保温的铜板铜管太阳能集热器作为直膨式太阳 能热泵蒸发器的居多，集热板表面喷涂光谱选择性吸收涂层，吸收比可达9 0 ，制 冷剂多采用r 1 2 ，这种集热器结构简单，成本低，缺点是跟空气对流换热弱，太阳 不足时效率比较低。c h a t u r v e d ia n ds h e n 6 】在这方面做了大量的研究，系统c o p 是 2 3 ，集热效率4 0 7 0 。 图1 1 底部保温平板式太阳能集热器 f i g u r e1 1f l a t p l a t es o l a rc o l l e c t o ri n s u l a t e da tt h eb o t t o m 平板型集热器对空气能的吸收不够理想，在太阳辐射微弱或阴雨天时，导致集 热效率急剧下降或系统无法运行。为了进一步提高热泵性能和集热效率，增加集热 器对空气能的吸收能力，近几年螺旋管翅式集热器作为蒸发器已逐渐应用在直膨式 太阳能热泵上。东南大学徐国英、张小松【7 ，8 】等人对南京冬季环境下配备2 2 m 2 全裸 式螺旋管翅集热器作为直膨式热泵系统蒸发器进行模拟和实验研究。螺旋翅片管作 为蒸发盘管嵌在板间，翅片管为基管铜一铝材料，表面喷涂光谱选择性吸收涂层， 广东工业大学硕士学位论文 吸收率高达0 9 6 ，结果显示冬季系统c o p 达到3 4 8 6 0 7 ，集热效率达8 5 - - 一9 5 。 该类螺旋管翅式集热器综合利用了太阳能和空气能的热量，使得系统在太阳辐射强 度不是很强时仍具有较高的性能系数，但由于螺旋翅片管是嵌在板间，板的存在阻 碍了空气间对流换热，减少了对空气能的吸收；而且螺旋管与螺旋管间浪费部分有 用的集热空间；螺旋管翅片虽然有跟踪太阳的能力，但在每时每刻翅片上只有一点 跟踪太阳，其它点都不能充分吸收太阳，尤其正午时浪费了大量的太阳辐照。阳季 春，季杰【9 】等人提出了一种太阳能与多功能热泵技术有机结合的间接膨胀式太阳能 多功能热泵( i e s a m d h p ) ，该系统由两部分组成，其一为大阳能系统，由有效采光 面积约为l o m 2 的太阳能全玻璃真空管集热器，1 5 0 0k g 蓄热水箱组成，其二为多功 能热泵系统，他们在合肥地区根据不同太阳辐射及室外环境条件，对系统在供热运 行模式下进行了系统的测试，当系统冷凝器侧进水温度为2 0 ，室外蓄热水箱的起 始温度为1 5 时，c o p 在4 0 4 4 7 1 之间变化，当系统冷凝器侧进水温度为4 0 ， 室外蓄热水箱的起始温度为1 8 时，c o p 在3 3 0 3 5 3 之间变化，明显高于传统的 家用空气源热泵，但此系统随着蒸发器入口水温升高，系统的平均火用性能系数会 降低，在0 1 7 o 3 l 变化，相对偏低。 系统容量匹配性对整个热泵系统也有很大影响，国内外许多学者都对此问题进 行了分析研究。h a w l a d e r 等建立了直膨式太阳能热泵热水系统实验台【8 】，在新加坡 气候条件下对系统循环进行性能测试，利用获得的实验数据为系统匹配和控制优化 服务。对于当地的气候条件，当水箱水温为3 0 5 0 时，集热器效率大约为4 0 7 5 ， 系统c o p 值为4 0 9 0 ，在此基础上建立了该系统的数学模型，模拟得出该系统的 性能主要受集热器面积、太阳辐射以及压缩机转速等因素的影响。对于当地气候下 的该系统，研究得出对于l o o l m 2 的水箱容积匹配能够获得最优化的性能。此外还 进行了经济性分析，结果表明系统热性能较为稳定，且具有明显的节能效果，最短 投资回收期约为2 年。k u a n gyh 1 0 , l l 】等模拟分析了太阳辐射、环境温度、集热面 积及水箱容积等因素对直膨式太阳能热泵热水系统性能的影响。为减小系统不匹配 导致系统性能下降，提出采用变频压缩机和电子膨胀阀，模拟结果显示即使在冬天 环境温度较低和太阳辐射较弱的情况下，c o p 值仍在2 5 以上。研究还表明，系统 单位集热面积所匹配的水箱容积约为7 5 1 2 5 l 。c h a t u r v e d i 1 2 1 等在其研究的变流量太 阳能热泵热水系统中，采用无盖板集热器和变频压缩机，对系统进行实验与模拟研 究得出：在环境温度由冬季向夏季过渡时，通过降低压缩机的转速，可以明显地提高 4 第一章绪论 系统性能系数；当系统频率调节在4 0 7 0 h z 范围内时，由实验所测得的c o p 值和水 侧的热容量系数与理论预测值比较一致。日本的 t o 等也介绍了一系列d x s a h p 仿真实验研究，得出了系统匹配相关方面的一些结论：集热器的面积要与热泵系统匹 配，集热平板厚度适当减小、平板后的制冷剂管道间距的合理增大等措施不会给系 统的c o p 值带来太大影响，但可以降低设备成本。这几点应值得在系统设备选型时 加以考虑。 青岛科技大学的何燕t 1 3 】等提出提出了一种带有蓄热器的直膨式太阳能热泵系 统。该系统通过使蒸发温度维持在一定的范围内，从而降低太阳能辐射强度的变化 对系统稳定性的影响。性能系数能达到5 0 以上，节能效果好。通过经济性分析发 现，该系统制取相同热量的热水可以比用天然气、原煤和电能节能6 9 4 ，4 4 6 ， 8 4 9 ，节能效果明显。 就目前发展水平而言，太阳能一空气能热泵装置在我国n i j l 目w j 起步，还未实现大 规模商品化，其主要原因在于系统初投资普遍较高，集热器难以与建筑外观协调一 致，且由于蒸发器同时也是集热器，在太阳辐射强烈时，集热器蒸发器内压力升高， 温度迅速上升，导致热量散失加大，效率反而下降，加上各地气候条件、结构参数 和匹配关系的差异，已有研究的各种直膨式热泵的热性能差别很大，且商业实用进 程十分缓慢。要使直膨式太阳能热泵在我国真正走向商业化发展和规模化应用，还 必须在系统设计、部件匹配、运行控制以及与建筑一体化结合等方面进行全面而深 入的研究和探讨，并尽快使之产业化。 1 3 本课题的来源、研究目的及主要研究内容 本课题在0 7 年广东省科技攻关“太阳能空气源双源一体式高效集热器研究开 发”的支持下进行有关双源高效集热蒸发器和太阳电池热性能的理论理论及实验研 究。 通过文献检索可知，当集热蒸发器采用全裸直膨式，在各项设计参数匹配时能 达到很高的效率，但是在太阳辐射十分强烈时热量散失加强，效率反会下降，此时 有针对性地采取一些措施，可进一步加大系统能效比。因此，提出了集热蒸发器如 何在整体性能优化中取得最佳设计参数的问题。重点研究太阳能充足、太阳能不足 和完全没有太阳能三种情况下，双源一体式高效热泵系统的传热特性变化规律，以 及整体性能最优的方法。使其能够在不同天气和时间条件下，并行或交替地使用太 广东工业大学硕士学位论文 阳能、空气能两种能源，既能够连续供应热量，同时达到效率高、用电少，初投资 和占地面积均令人满意的水平，进一步推动太阳能一空气能热泵的发展，为节能和 环保做出积极贡献。 综上所述，本论文主要研究以下内容： 1 新型双源一体式高效直膨式热泵系统动态传热理论 2 集热蒸发器的优化设计方法研究 3 系统匹配性对整个系统的性能影响研究 4 试验方法及测试系统设计 5 样机的试验与改进分析 6 系统整体最优性能参数的实现对于整个热泵系统的要求 以上问题中，要重点研究解决的问题是 1 直膨式热泵系统工作特性的转变太阳能充足、太阳能不足和完全没有太阳能 三种情况下热泵系统的工作特性转变规律，获得整体最优性能的方法。通过该问题 的圆满解决获得热泵系统的综合最优参数，使热泵在不同工作模式下，均能保持较 高的集热效率和性能系数，提高能源利用率。在达到用户供热要求的同时，经济合 理，体积较小。 2 直膨式热泵系统的匹配性问题针对太阳辐射强或者环境温度高时压缩机工作 不稳定甚至反复启停，系统效率和寿命下降的问题，分析了工作温度对太阳能热泵 系统的太阳能集热器、压缩机工作点和热泵效率的影响，通过对国内外变工况或极 端工作条件下的压缩机保护、能量调节的成熟解决办法的调研分析，解决高温状况 下热泵的反复启停对压缩机的损害和能量的浪费，增加了运行稳定性，提高了系统 c o p 。 1 4 项目的产业化前景分析 前所未有的寒冷天气，煤电油气告急，加上前不久召开的哥本哈根会议，让人 们想起了节能又环保的太阳能。本项目研究开发的太阳能一空气能热泵采用了集成化 的太阳能空气能双源一体式高效集热蒸发器，集热效率可达到8 0 - 9 5 ，作为 太阳能低温热利用的基本设备，能广泛应用于建筑采暖，生活热水供应，工业用热 水预加热，太阳能制冷空调，这些领域对于低温热能有着巨大的需求，在达到建设 部提出的建筑节能5 0 - 6 0 目标时，提供了大量先进节能设备需求的空间。以空 6 第一章绪论 气源热泵的发展为例，据相关数据显示，2 0 0 2 年国内空气源热泵热水器市场总产值 不到2 0 0 0 万元，但到2 0 0 3 年就突破一个亿，2 0 0 4 年达到近2 亿元，2 0 0 7 年市场产 值超过8 个亿，年增长速度3 0 0 - - 4 0 0 。2 0 0 9 年空气源热泵热水国内销售额1 8 亿， 同比增长销量3 2 3 5 。而太阳能空气能双源一体式热泵在空气源热泵的基础上能 效比大大提高，有着更加广阔的发展前景。另外，本项目依托广东五星太阳能有限 公司进行试制和发展，五星太阳能有限公司是华南地区太阳能行业规模最大、技术 力量最雄厚、跨地区、跨行业、科工贸一体化的企业集团，属广东省高新技术企业 和国内知名太阳能产品生产企业。拥有一批包括享受国务院特殊津贴的专家在内的 太阳能产品科研和生产高级人才，依托国内外十余所著名院校和科研机构强大的支 持，研制出许多环保节能的优质产品，产品畅销全国，远销东南亚、欧美等国家和 地区，受到国内外用户的一致好评，项目具有非常广阔的产业化前景。 广东工业大学硕士学住论文 第二章直膨式太阳能热泵 2 1 太阳能热泵系统简介 热泵实际上就是制冷机，所不同的只是工作温度的范围不同。它从周围环境吸 取热量传递给高温物体，实现供热目的。其特点是：只需供给少量高位能，就可以 高效地从周围环境提取低位能。在供热循环中，太阳能集热器收集到的1 0 - - 2 0 的 低温热能，通过热泵的作用，可使热媒温度提升到3 0 - - ，5 0 c 作为采暖和供热水的热 源。这种系统由于集热温度低，即使一层普通玻璃盖板的涂有黑漆的集热器，集热 效率也可高达6 0 - - 一8 0 ，甚至不用玻璃盖板也是可能的，所以其最大优点是集热 成本低。 太阳能空气能双源一体式热泵可分为直膨式和非直膨式两种。在非直膨式热泵 系统中，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集 热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环 升温后再加热物体。非直膨式系统按太阳能集热系统与热泵系统的结合方式又可分