（制冷及低温工程专业论文）太阳能热泵复合热水系统的建模与实验研究.pdf

摘要 摘要 目前，能源问题已经成为我们国家和政府密切关注的热点问题，建筑能耗在我国国家总能耗中 所占的比例已超过2 5 而在建筑物的使用能耗中，供热、通风和空调的能耗约占建筑物使用能耗 的5 0 以上。太阳能与热泵技术因其节能环保的优势而得到广泛应用，从而显著降低了建筑能耗， 这对于缓解能源紧张问题具有重大的意义。本文以太阳能热泵复合热水系统为主要研究对象，建立 了太阳能热泵复合热水系统的热力分析与理论模型，对其进行了实验和模拟研究，并初步探讨了太 阳能热泵系统在低温热水地板辐射供暖方面的应用。本文所做的研究内容主要包括如下： ( 1 ) 根据复合系统的基本原理搭建了与之对应的较为完善的实验装置与测试系统，在秋冬季太 阳能一空气源热泵制热水和太阳能热泵供暖( 利用太阳能集热器获得的热水作为热泵系统的低温热 源进行室内供暖) 两种运行模式分别进行了实验研究。结合实验数据分析了系统制取热水过程中的 运行特性，并探讨了运行参数对太阳能热泵复合热水系统性能的影响，同时通过改变自来水的流量 来调节水箱出水温度，分析了出水温度的变化对系统制热水性能系数a 9 尸的影响情况。 ( 2 ) 建立了太阳能热泵复合热水系统主要部件的数学模型，并编制相应的计算机程序，对秋冬 季制热水工况下模拟结果与实验结果进行了对比研究。在实验研究的基础上，模拟分析了秋冬季制 熟水工况下将6 0 l 水加热到5 0 的运行特性，并探讨了系统的环境参数、结构参数和运行参数等对 系统性能的影响以期为系统的选型设计和运行控制提供一定的参考依据。 ( 3 ) 阐述了太阳能热泵低温热水地板辐射供暖系统的工作原理和构成，并以南京地区为例，设 计了太阳能集熟器、蓄熟装置，地板换热盘管等设备探讨了系统的构建和设计方法，并初步分析 了太阳能热泵系统在地板辐射供暖方面应用的可行性，节能潜力及其应用前景，研究表明，以太阳 能热泵作为热源的低温热水地板辐射供暖系统是利用太阳能供暖中一种经济、高效的理想方式。 关键词：太阳能，太阳能热泵，复合热水系统，节能，系统模拟，地板辐射供暖 a b 吼r a c t a b s t i a c t a tp r e 孵o i l rc o u n t r yh 船p a i dm o 化卸dm o ma t t e m i o nt ot h e 如e f g yp m b i e m s t h e 训oo f e r g y c o n s u m p t i o ni nb “i d i n g st o 朗e r g yc o n s u m p t i o ni i l 讹lc o u n t f yh 丛e x c e e d e d2 5 ，锄dt h ef “oo f e 鹏r g yc o m 唧p t i o no fh 、，a ct 0 h et o t a le n e r g yc o 惦u m p t i o ni i lb u i l d i n g sh 越b e e nc l et 0 5 0 t b c l l | l o l o 鲥o f h 越s i s t e db e a lp u m pl 璐慨nu t i l i z c dw i d e l yd u et oi 协a d v 卸t a g e so f e 哟7 蚰v i n g 卸d 蛐v i r 蚰m e n 协1p 耐c c t i o i i t i l e r e b yo b s e r v a b l yr e d u c i n gt l l e e r 科c o n s u m p t j o ni r ib u 订d i n g s ，w h i c hj s w i t i ls i g n m c a n c ef o f 化1 e 鹊i n gt l l ep m b l e mo f 朗e t g ya b s 朗1 n 廿i j st i l e s i s ，l a r 硒s i s t e dh e a lp i l t l 叩 h y b r i dw 龇e rh t i l l gs y s t e mi st 1 1 em a i n 他s e a r c ho b j e c t t h 盯m a la i l a l y s i sa 【l d 他o r e t i c a lm o d e l 伽s o l 越 笛s i 靠e dh e a lp u m ph y b r i dw 硼盯h e a t j n gs ”t e ma 陀m a d e ，、v i t l ls i m u l a t i o n 柚de x p 酣m e m a ls t i l d i e s t h e 吗 s o l 甜a s s i 蛐e dh e a tp u m ps y s t e m mt h e 印p l i c a t i o no f r a d i 锄tf 1 0 0 rt 他鲥n gs y s t c m s 他危n 札t h ef o l l o w i r 喀 a 糟t h ep r i m a r y 嘣柚da c 劬w 舶帕n t s ： a c c o r d i n gt ot h eb 瓠i cp 血c i p l eo f h y b r i ds y s t e l | l ，c x p c r i m 舶谢e q u i p m e n t 柚dt c 科i n gs y s t e mi ss 科 u p a 衄l ”i c a i 柚dc x p e r i m e n t a ls | i j d i 髓a 陀c a r r i e do i l t 缸血ew o r l 【i f l gm o d eo fh e a tp u m pw a t e rh e a t i n g 锄ds o l 盯w a t c fh e a lp 岫叩f 打l l e 鲥i l gs u p p l yc o m b i l l i n g “p e r i m e n t a ld a 札吐屺s y s t e mo p e m t i r i g c t 扭m m c n s t i c so ft h cp r o c e s so fw a l e rh e a l i n gi s 蝴l y z c d 觚dt h e 访n 嘴n c eo fs y s t e m 彤瞄m e t e r so nt l l e p e r f o r n l a n c eo f c ，c l ei sp r c s e n t e d b yc k m g i n gw a t e rn o w t 0r e g u l a t eh o tw a t e rt e m p e r a n 鹏，t i l ei “1 n o f h o tw d t e r 佃珥峙咖”c h 锄g e so nt l l ec o e 历c j e n to f p e r f b 丌i l 锄c ci ss t u d i e d m a t h e m 砒j c a lm o d e lo ns 0 1 盯豁s i s t c dh e a tp u m p1 1 y b d dw a t c rh e a t i n gs y s t e r na 陀c s t a b l i s h e d b y i t i l l gc o 腓s p o n 曲l gc o m p u t e fp r o g r a l t l ，c o m p 撕s o ns i m u i a t i o n 他s u 恼w 油e x p e r i m e n t a i 佗s u 惬a tm e ，0 r k i i l gm o d eo f a u n l 砌a n dw 砷盯h e a tp u m pw a 栅l l e a t i n ga 伸s h l d i e d b a s c du p “p e 一腓n t a l s u l 乜， s i m u l a t j 叩s t u d i e s 彻t 1 1 ei n n u c n c eo f 锄b i 叽tp a 舢n 盯s ，s t n l c t l j r 。p a 埘眦t e r sa n d 叩e r a t j n gp 猢e t e r s 彻t h es y s t e mp e 而n n a n c ea 陀p r e s e n t e d ，如丛t oi l a v es o m eh e i pf o rs y s t e md e s i 凹锄do p e r a t i o nc o n 仃o i 1 1 1 eb a s i ct i l e o r yo f s o h 越s i s t e d h e a tp 哪p 圳i 柚tn 0 0 r h e a t i n gs y m mi s “p o t m d e d 1 酞en 删j n g 笛柚“舯p l c ，l 村c o e c t o r 汕e a ts t o r a g ed e v i c ea i l d 玎0 0 r h e 砒c o 1e q u i p m e 呲a r ed e s i g n e d 1 1 i e n ，t h e f b 越i b i i 吼e n e t 酣s “i n gp o t e n t 瑚a | l db p r o s p e c to f s 0 k s b t e dh e a tp u m pi nt h ea p p i i c a t i o f r a d i t n o o rh e a t i n gs y s t e m 盯ep r e l i i l l i r 蛐r ya 1 1 a i y d r e s e 缸c hi n d i c a t 髓t t i a 士t a k i n gs o l 盯勰s i s t c dh tp u f n p 勰 h e a ts o u r c ef o rr a d i 卸tn o o r h e a t i n gs y s t 咖i s 卸e c o n o m i c a i 鲫de m c i e n tw a yo f u s _ m gs 0 1 a fe n e r g 弘 k e yw o r d s ：s o l 盯e f g y l a ra s s i s t e d 他a tp 岬p ，h y b dw a t c rh e a t i n gs y s t e i i l 伽e r g ys 吖i n 岛s y s t e m 查查查兰堡圭兰垡丝苎 s i m u l a n o n ，r a d i a n tn o o rh t i n gs y s t c m 主要符号表 下标 v s 印 c 主要符号表 面积( m 2 ) 定压比热容( j ，( k g ) ) 直径( m ) 湍流摩擦因数 质流密度( k g ( m 2 s ) ) 太阳辐射强度( w m 2 ) 质量流量( k g ，s ) 努塞尔数 压缩过程多变指数 普朗特数 压力( p a ) 热量( w ) 压缩机理论排气量( m 3 ，s ) 雷诺数 开氏温度( k ) 液相 气相 过熟 两相 冷凝 蒸发 摄氏温度( ) 热损系数( 、w ( m 2 ) ) 容积( i 一) 压缩机耗功量( w ) m a r t m c l “数 制冷荆干度 导热系数( w ，( m k ) ) 压力比 容积效率 集热器效率 换热系数( w ( m 2 ) ) 析湿系数 比容( m 弧g ) 动力粘度( p a s ) 时间( s ) 制冷剂 水 内部 临界 压缩机 环境 ， u 矿 以x 五 f 仉g f y f ：袅 彳 q d 厂g ， 小 雄 h p q “耻 r 院 ， w ， 仃 口 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：三终日期：掣7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 竺卫叩 第l 章绪论 1 。1 研究背景 第l 章绪论 随着社会的进步和人们生活水平的不断提高，追求舒适的工作环境和精神生活是当代社会赋予 人类的目标。制冷空调设备系统的广泛应用是实现此目标的一种具体形式，而传统制冷空调设备的 大量使用带来了两个重大问题：能源问题和环境问题。 由于人类工农业生产的进步，世界能源消费量大幅度增长煤炭、石油、天然气等矿物燃科在 地壳中的储量虽然丰富，但终究是有限的。根据己探明储量，按照目前的开采速度，地球上的煤、 石油、天然气等能源都将在不远的将来面i 临枯蝎。空调设备是耗能大户，随着空调使用量的增长。 用电负荷急剧增加。据上海市华东建筑设计院调查，1 9 9 8 年夏攀上海市用电量的l ，3 是用于空调系 统，发达国家空调韵用电负荷已占总用电负荷豹4 0 以上，空调设备耗能巨大造成了世界关注的能 源问题。 人类所依赖的化石能源无节制的使用带来了温室效应、酸雨等全球性环境污染问题，这是近年 来制冷空调领域凸现的另重要问题，已经引起了业界专家学者的普遍关注由于人工制冷所消耗 豹能量主要来自矿物燃料，伴随能量产生地同时，燃烧过程中向大气排放了大量的c 0 2 、s 0 2 等有 害气体，严重地污染了大气环境，在最近十几年里，大气中0 0 2 含燕由o 0 2 9 增搬到了o ，0 3 4 加剧了“温室效应。更为严重的是。目前的制冷空调设备大量使用c f b 类制冷工质，这些c f c s 类正在给人类赖以生存的地球大气层中臭氧层造成破坏。当前，我国的能源消费总量已经达到世界 第二位，而我国能源结构中煤炭仍占有最大的比重，它成为环境污染的昂大根源。 不论是从世界发展的趋势还是从我国的现实情况来说，有缀的资源和有限的空间环境都要求人 类在合理利用常规能源及寻求可再生新能振方面进行积极地探索与研究。近年来太阳能热水系统 因其节能环保的优势在我国得到了迅猛的发展，但是常规的太阳能热水系统加热周期长，无法全天 候供热水，在冬季和阴雨天气下需要辅助热源加热依然消耗较多的高品位能源，并且存在安装地 点受限制、影响城市美观等诸多问题。目前在很多西方国家，热水器的主流产品也都是耗电多、耗 能丈的电热水器和：i l ! 气热水器节能已经成为新一代熟水器发展的圭题【l 田】。 热泵技术是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护生态平衡的有效 途径之一，热泵装置通过消耗部分高品位的电能作为驱动能源，从低温热源( 环境中) 吸取热量 将其提升到高温热源，从而具有节约商品位能源的作用，这就给人们提供了一条节约矿物燃料，合 理利用能源、减轻环境污染的途径，因此热泵具有节能和环保的双重功效。相对于太阳能热水系统， 空气源热泵热水系统突出的优点在子：在环境温度较高的情况下能够连续运行，不受外界太阳辐照 强度的影响，因此用户用水的可靠性太大增强：同时该系统的循环效率较高，相对于电热水系统有 明显的节能效果。但是它有一个很大的缺陷，即随着外界环境温度的降低其系统效率迅速降低。 在北方比较寒冷的季节，由于极低的效率和严重的结霜现象甚至无法正常使用。 正是在这种背景下，太阳能与热泵技术引起了专家学者们的广泛关注，国内外进行了大量的理 论与实验研究。太阳能热泵系统( s a h p ) 将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，发展型 式各异的太阳能熟泵复合热水系统，既克服了太阳能低密度、不稳定的缺陷，又弥补了空气源热泵 寒冷季节效率较低的不足这对降低热水能耗，实现建筑节能、环保具有重要意义。基于以上这些 突出优势考虑，开发一种性能良好的太阳能热泵复合热水系统便成为社会与技术发展的一种必然趋 势 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究进展 国外对太阳能熟泵热水系统的研究开展得比较早，这种太阳能与热泵联合运行的思想，即可同 时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能最早是由j 0 r d a n 和1 1 i k e l d 在2 0 世纪5 0 年代初的研 究中提出。随后，许多发达国家纷纷投入大量的人力、物力对各种型式的太阳能热泵系统进行深入 研究。在市场应用方面，美国的s o 豳k i n g 系列以及澳大利亚的q u t u m 系列走在了产业化的前端。 基于该领域目前的发展现状，国内对该方面的研究仍然处于初级阶段，在这方面的研究不多， 研究的内容还不够丰富，我国天津大学、东南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太 阳能热泵熟水系统进行了初步地实验和理论研究，井取得相关成果。 纵观国内外对太阳能热泵热水系统的研究主要围绕以下几个方面： 1 2 1 系统结构型式的研究 太阳能热泵的结构型式多种多样，不同结构型式的系统具有不同的性能特性。美国 w i s c o t l s i n m a d i s 伽大学的f r c c i i 啪和m i t c h e l l 对s a h p 系统进行了模拟分析例，并比较了各种s a h p 系统的性能。加拿大的c l l a n d r h e k mk 等人i ，1 根据加拿大七个代表性城市的天气资料，对多种 不同结构型式的s a h p 系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。可见，安装地点的环境气候是选 择不同型式太阳能热泵热水系统的一个重要因素。l u y c 等”埘传统太阳能热水系统、空气源热泵 系统、太阳能热泵系统三种不同类型的系统在澳大利亚不同城市进行了性能比较及经济性分析，指 出是否采用太阳能热泵热水系统在很大程度上也取决于当地的环境。 系统的结构型式决定了该系统的总体特点。美国的c h a n - r v c d i 等在早期对太阳能热泵热水系统 进行理论分析后【7 j ，提出系统的蒸发温度取决于太阳辐射和环境温度，蒸发温度可能低于也可能高 于环境温度，取决于系统设计及运行工况。这正体现了系统结构型式在系统设计时的重要性。 台湾的h u gbj 和c h y n gjp 等在1 9 9 9 年首先提出整体式太阳能热泵热水系统概念”j ，把热 泵和太阳能集热器及冷凝水箱合并成一个单元，体现出结构的紧凑性。该系统最大的特点是：在实 验中保持压缩机吸入口接近饱和状态，通过对系统中制冷循环的有效设计，使得蒸发温度小于环境 温度，集热器不仅可以吸收太阳辐射，同时可以吸收环境中的热量，即获得了双热源9 j 。随后。他 们又对系统进行了模拟研究【l 叫i i “，把除水箱之外的其余所有组成过程都设为准静态过程，模拟结果 和实验结果非常吻合。对一年内系统的日平均性能模拟研究得出，在台湾省的气象条件下，由于季 节和气候的变化，系统性能系数( c d p ) 为1 7 2 5 ，系统在每天运行4 8 小时的大多数情况下， 日平均c o p 值在2 0 以上。表1 1 给出了1 9 9 8 年8 月份几种典型天气下的系统件能值。由以上分 析可见，该型式的系统虽然全年运行p 值有所降低，但就整体来看，系统性能的稳定性有了很大 的提高。 表l l 系统在9 点一1 5 点间各种天气下的性能值 x u gy 等设计了一种适合于家庭使用的新型太阳能一空气复合热源热泵热水系统1 1 2 】，该装置通 过一个独特而实际的螺旋翅片蒸发管的平板型集热蒸发器，来实现系统同时或交替地使用太阳能、 2 第1 章绪论 空气两热源，在不同的天气情况下，以不同的热源模式( 太阳能热源、太阳能和空气双热源、空气 源) 运行，充分利用太阳能提高了热泵c d _ p ，并以空气源的补充提高了系统稳定性，箕装置示意图 见图1 l 。文中根据当地的气象资料，模拟了全年逐月的平均性能参数，全年各月平均c d p 在3 9 8 4 3 2 之间，平均每升水耗电量0 0 0 7 0 _ 0 1 5 k w h 。 膨胀阀 图l l 系统装置示意图 s a a do d e h 等研究了一种采用类似套管式冷凝器的蒸发器的非直膨式太阳能热泵系统，其中 水箱热水从内管通过，制冷剂从环形空隙流过，不仅吸收了热水的热量还有空气的潜热。设置的蓄 热水箱使得系统可以在没有太阳辐射时运行，研究表明在当地工况下该系统的热效率明显高于其它 类似系统。 于立强等对串联式( 非直膨式) 太阳能热泵供暖系统进行了实验研究i l q ，采用单层盏板的平板 集热器。由文中蒸发器和集热器的得热量曲线可以看出。只靠集热器保证不了蒸发器连续得热，必 须还得依靠蓄热水箱和室外管道从室外空气取得热量，不保温的室内管道和联箱从室内获得更多热 量，蓄热器的作用就是保证均衡不断地向热泵供热。在整个供暖测试期间，尽管室外温度在一4 l 之间变化，室内温度能够保持在2 0 左右，热泵平均c 0 p 达到2 0 7 。 赵军等对采用真空管集热器的串联式太阳能热泵热水系统进行了理论分析和实验研究【l ”，管路 中装有管道加热器，用来模拟太阳能。结果表明该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供5 0 左 右的生活热水致热系数达到2 6 4 2 8 5 ( 冬) 、2 6 卜，3 5 ( 春) 。 我校的李舒宏等研制了将热泵与太阳能热水器结合的多功能热泵空调热水器装置【l ”，并对此一 体化装置在夏季制冷、制热水工况下的运行工况进行了实验研究，能效比最大可达到3 8 5 ，平均在 3 o 以上，并在此基础上作出了耗能分析，从节能和节约费用角度看，这种装置大大优于其他的热水 装置。 l ，2 2 系统运行参数的研究 李舒宏等的研究中i l6 】分析讨论了室内空气源温度变化对出水温度，系统制热水能效比的影响情 况，实验结果显示，出水温度随着室内温度的升高而升高，室内空气源温度在2 9 5 3 0 5 之间变 化时，对该系统的能效比影响最大。同时还研究了出水温度对系统制热水能效比、压缩机吸排气压 力的影响情况。综合文中分析，为了提高此装置的能效比可以从全方位考虑。降低冷凝器中的压力 损失，以降低压缩机的排气压力；使用适合系统运行工况的新型制冷剂；对系统做相关模拟从而改 善系统的容量匹配。 系统运行参数的相关研究在赵军等的实验中i i “也有涉及，平均冷凝温度是影响其实验系统性能 的主要参数。太阳辐射的变化趋势及冷凝温度和蒸发温度的上升规律影响太阳能集热量，从而引起 3 东南大学硕士学位论文 蒸发吸热量和冷凝放热量的变化。压缩比的变化受冷凝温度与蒸发温度变化速度的影响，而致热系 数的变化受压缩比的直接影响。 1 2 3 系统容量匹配的研究 国内外许多学者都对系统容量匹配问题进行了分析研究。h a w l a d e r 等建立了太阳能熟泵热水系 统实验台【1 7 j ，在新加坡气候条件下对系统循环进行性能测试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 d p 值为4 9 。在此基础上建立了该系统的数学模型，模拟结果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1 0 0 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 i - a t i gyh 等模拟分析了太阳辐射、环境温度、集热面积及水箱容积等系统参数对直膨式太阳 能热泵热水系统性能的影响【j ”。为减小系统不匹配问题带来系统性能下降的影响提出采用变频压 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 d 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 n l r v e d i 等在其研究的变流量太阳能热泵热水系统中【i ，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 d 尸值和水侧 的熟容量系数与理论预测值比较致。 日本的h o 等唧l 也介绍了一系列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的间距合理增大等 措施不会给系统的c d p 值带来太大影响，却可以降低设备成本。这几点应值得在系统设备选型时加 以考虑。 1 2 4 系统循环工质的研究 对太阳能热泵的研究已有相当长的一段时间，但所采用的制冷剂大多数是r 1 2 或l 也2 。近年来， 太阳能热泵热水系统新型工质的适用性研究引起了广泛关注。g o z a b e i 等“”分析了在不同工质条 件下太阳能熟泵热水系统的性能表现几种工质包括r 1 2 、r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 4 a 、r 4 0 7 c 、r 4 1 0 a 。 结果发现在使用r 1 2 的条件下能获得最高c 0 p 值，随后是r 2 2 和r 1 3 4 a 。对于混合工质，r 4 1 0 a 的效果比r 4 0 4 a 和r 4 0 7 c 都好，但比r 1 3 4 a 稍差一点，r 4 l o a 条件下获得的c d p 比r 1 3 4 a 条件 下获得的p 大约低1 5 2 0 。 在文献【2 2 伸介绍了r 2 2 、r 1 3 4 a 及r 4 0 4 a 在空气源热泵系统、常规太阳能热水系统、太阳能 热泵系统及传统电加热系统四种系统下的性能比较，研究结果表明s a h p 系统性能明显优于其它系 统，在s a h p 系统中，r 1 3 4 a 是r 2 2 的良好替代工质 文献【2 3 】对r 1 3 4 a 应用于直膨式太阳能热泵系统的适用性方面作了相关理论分析，结果表明在 较宽的环境温度、冷凝温度和太阳辐射强度范围内，采用r 1 3 4 a 作为工质，熟泵系统的性能系数可 达到4 o 6 5 ，热泵性能系数比r 1 2 的略低6 左右，但压缩机的排气温度较r 1 2 的要低，这将有 利于压缩机的冷却和良好运行。 1 2 5 有待迸一步解决的问题 目前，虽然我国太阳能热泵的发展和应用非常迅速，但仍然存在以下几个方面的问题有待于进 4 第1 章绪论 一步解决。 在经济投资方面，这是首先需要克服的一个关键问题。太阳能热泵热水系统初投资偏高必将影 响其市场竞争力，国内的能源结构和燃料市场直接影响太阳能热泵的普及性如果系统部件能够实 现标准化生产必将加快此技术的产业化发展与应用步伐。 在性能稳定方面。对于任何一种推向市场的产品都必须具备相当可靠的性能。结构型式与循环 工质的改善是解决太阳能热利用间歇性和不可靠性问题的重要途径，同时兼顾整体化设计，将系统 设计与建筑设计结合起来。 在控制完善方面，系统控制方案的合理设计对于充分发挥该技术节能优势有着至关重要的作用。 实现紧凑的系统结构和简单安全的自动化操作，这样才能切合许多家庭用户使用的实际需要。 在市场推广方面，政策的倾斜对太阳能热泵发展初期是十分必要的。在市场培育阶段需要更 多的关注和投入使之成为一个真正意义上的划时代产品。目前制约太阳能热泵应用的主要障碍，除 系统初投资较高以外，公众对这一技术缺乏足够的了解和认识也是一不可忽视的因素。 1 3 本课题研究的内容和意义 基于该领域目前研究现状可以看出，对太阳能热泵热水系统的研究仍然处于基础阶段虽然在 理论、实验及应用方面作了大量的工作，但是在形成能适用于变化较大工况的实际产品方面还存在 相关问题，考虑到该种热水系统在节能和环保方面的巨大优势，为形成适合我国特定的气候条件并 且稳定可靠、成本较低的家用太阳能热泵热水系统，本文对可实现制冷、采暖及制取热水等多种功 能的太阳能热泵复合热水系统进行了初步研究通过研究其性能变化趋势寻求该系统运行的最合理 容量匹配和系统结构的晟佳组织方式，希望能为未来产品的实用化以及相关课题的深入研究提供参 考。 本课题的研究工作主要包含以下内容： ( 1 ) 由于当前对不同太阳能熟泵热水系统结构型式的选取研究说法不一，而且较为笼统，本文 将对本校李舒宏老师提出的一种新型的多功能热泵热水器结合太阳能集热器进行尝试性联合循环研 究。 ( 2 ) 目前对太阳能热泵热水系统的整体优化设计方面还没有很大的突破，特别是缺少实验对模 型的验证，无法为循环的优化提供可靠的实验保障，本论文将建立太阳能热泵复合热水系统主要设 备的数学模型，并编制相应的计算机程序，对系统性能进行模拟研究并结合实验如以验证。 ( 3 ) 当前对热泵空调器和太阳能热水器两个独立的系统研究很多，但是把两者放在一个独立的 太阳能复合热水系统中研究还比较少，对系统核心部件容量匹配的研究就更少了，本文也将在此方 面加以适当的探讨。 ( 4 ) 太阳能热泵复合热水系统作为一种具有广阔市场前景的装置，必须具备相当可靠的性能， 因此对该系统容量匹配方面必须加以研究，利用搭建的实验装置对系统循环进行性能测试，用获 得的实验数据为系统匹配和控制优化服务，并模拟分析系统的运行参数如环境温度、水箱容积，冷 凝面积、压缩机容量等因素对系统性能的影响。 ( 5 ) 如果将太阳能热泵复合热水系统作为地板辐射供暖系统的热源，那么消耗少量电能就可 将流经太阳能集热器升温后的热媒水温度提升到地板辐射采暖系统需要的温度，不但利用了太阳能， 还可以尽量减少商品位能源的消耗，系统的节能效益将会更加明显。目前对本系统在该领域的研究 还是比较少，不是很成熟，本文将对此方面内容予以适当的分析探讨。 东南大学硕士学位论文 第2 章太阳能热泵系统的工作原理 太阳能与热泵联合运行这一概念的最早提出是在二十世纪五十年代“j ，j o r d m 和n b l k e l d 等研 究者发现，太阳辐射的增强和环境温度的升高导致太阳能集热器的集热表面温度较高，从而引起集 热效率下降和熟损失增加因此人们希望集热表面处有较低的温度；而对于热泵系统来说。当蒸发 温度升高时其效率较高。所以研究者们考虑将太阳能系统和热泵系统结合起来，用太阳能集热系统 作为热泵系统蒸发器的热源，这样将同时有利于太阳能集热系统和热泵系统效率的提高，即：以太 阳能作为热泵系统的热源，将热泵节能技术与太阳能供热水、供冷和供暖有机地结合起来，既有效 地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性又解决热泵系统冬季效率低的问题。 这一思想的提出不管对于太阳能应用领域还是热泵技术领域都是一个很大的发展。太阳能热泵 能够实现采暧、空调及热水供应等多种功能，具有结构紧凑、形式多样、运行安全可靠、系统性能 稳定、节能效果明显等一系列优点，是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术，非常具有研 究意义和应用价值。 2 1 太阳能热水系统和热泵的基础知识 人类所依赖的化石能源无节制的使用带来了温室效应、酸雨等全球性的生态问题，使得能源问 题已经成为我们面临的最大环境挑战。因此开发利用洁净新能源，实现人类社会的可持续发展已经 成为大多数国家2 l 世纪能源发展战略的基本选择。人类在积极寻求利用新能源的同时，更在不断努 力探索新的能源利用技术。 太阳能是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能，水能等皆源于太阳能，人类直 接利用太阳能已有上千年的历史”j 在各种新能源的开发利用中，太阳能以其在节能和环保方面巨 大的优越性得到人们的高度重视。在能源和环境问题已成为人类两大社会问题的今天，太阳能作为 常规能源的替代能源己经成功应用于诸多领域，利用热泵与太阳能设备、蓄热机构相连接，向建筑 物提供热水不仅可以节约高位能，而且可以减少环境污染。太阳能的广泛应用对于保护人类居住 环境、解决能源危机、实现可持续发展具有重大的意义。 从1 8 5 2 年威廉汤姆逊提出热泵的设想。热泵已经经过了1 5 0 多年的发展，而热泵工业的迅速 发展和成熟在上世纪7 0 年代“能源危机”以后，在工业和民用的各个领域都有广泛的应用。热泵广 泛地用于建筑物的供热，棉、纸张、农作物在较低温度下的干燥，工厂的工艺过程如造纸厂，化工 厂等废热的回收利用。 2 1 1 太阳能热水器基础知识 太阳能是地球上最丰富的永久能源它是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，到达地球 表面的太阳辐射功率约为8 1 0 1 、w ，相当于全世界发电量的几十万倍。它具有取之不尽、廉价安全、 无需运输、清洁无污染等显著的优点，很早就在人们的生产生活中得到广泛应用。太阳能供热水是 目前商业化程度最高、应用最普遍的太阳能利用技术口 【2 6 】。据统计，1 9 9 8 年全世界太阳能热水器的 总保有量约5 0 0 0 万平方米，而我国经过2 0 多年自主发展已经成为世界上太阳能热水器产量和销售 量最大的国家8 ”。我国的太阳能资源丰富，按照年辐照强度总量的大小可以把我国分为5 个太阳能 辐射资源带，其中三分之二以上地区的年辐照强度量大于5 0 0 0 m j ，m 2 ，年日照时数在2 2 0 0 小时以上， 属于太阳能利用条件较好的地区。因此我国开发利用太阳能的条件得天独厚，然而人们在使用的过 程中也发现了太阳能应用上的一些重要局限性：虽然总能量很大，但是能量密度较低；随昼夜时间 6 第2 章太阳能热泵系统的工作原理 变化、季节更替太阳辐射具有间歇性和周期性；不同的地理位置上所能利用的太阳能资源相差很大。 这些特点在很大程度上限制了太阳能利用更为广泛的发展。尽管如此，主要用于供应生活热水 的太阳能热利用技术因其成本较低、技术上容易实现等原因发展成熟，各种形式的太阳能热水器己 经成为向建筑供应热水的重要组成部分。 图2 1 太阳能热水器结构示意图 太阳能热水器就是利用温室原理，把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一 种装置。所谓温室原理就是指由于对流、辐射损失减少，使热量聚积，温度逐渐升高的种自然现 象。具体来说，太阳光透过玻璃进入密封的集热器内，大部分能量被集热器内的黑色吸收体吸收 然后将热量传给冷水，冷水加热后重量变轻，自动流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自 动流入吸熟体继续获得热量，周而复始，水箱内的全部冷水将被加熟。显然，在此过程中，没有任 何废渣、废水、废气产生，也不产生任何噪音。一般家用太阳能热水器结构如图2 1 所示，通常由 太阳能集熟器、蓄热水箱、循环连接管道、支架及其辅助零部件组成。 太阳能热水器的种类很多，按照太阳能集熟器结构不同，可分为闷晒式、平板式、真空管式等 类型。 具有代表性的闷晒式太阳能热水器有塑料袋式热水器、浅池式热水器及筒式热水器。它们的集 热器和水箱合为一体，因而结构简单，价格低廉。该类产品具有一定的热效率，但保温效果较差 平板式太阳能热水器的关键部件是集热器，为提高吸热效率，集热器表面有选择性吸收涂层。 由于集热器结构类型不同，就有了各种类型的平板式太阳能热水器。整体平板家用太阳能热水器， 其特点是集热器和水箱结合紧密，上下循环管很短，不仅省料而且减少了管道热损失，此外水箱前 侧板对太阳光还起到反射作用，增加了集热体对太阳能的吸收，有利于热效率的提高。 真空管太阳能热水器的关键部件是真空管集热器。真空管集热器又可分为全玻璃真空管集热器 和热管真空管玻璃与金属结合集热器两种。全玻璃真空集热管由两根同心圆玻璃管组成内外圆管 间抽成真空。在内管外壁有选择性吸收膜，外管为透明玻璃，两管尾部间用不锈钢弹簧卡子支承内 管自由端，卡子顶部带消气剂。消气剂的作用是吸收集热管在长期使用中放出的气体，以维持夹层 内的真空。全玻璃真空集熟管结构和制作工艺简单，可靠性好，便于大规模生产，成本较低，应用 前景较广泛。 集热器效率目是衡量太阳能热水系统性能的重要指标，其定义为某时间段内集热器的有效得 热量与在相应时间内投射到集热器上的总太阳辐射能之比： 7 东南大学硕士学位论文 珑州= 式中 目。，广一集热器效率： “广集熟器瞬时有效得热量( w ) ， 热器面积( m 2 ) ： 卜瞬时太阳辐射强度( w ，m 2 ) ； f 一实验时间( s ) 。 2 1 2 热泵基础知识 ( 2 1 ) 熟泵是通过消耗一定量的外功把热能从低温热源输送到高温热源的设备，由压缩机、冷凝器、 蒸发器和节流装置等主要部件组成。根据原理不同又可分为吸收，吸附式、蒸汽喷射式、蒸汽压缩式 等热泵形式，其中，蒸汽压缩式热泵因其结构简单，工作可靠，效率较高而得到广泛应用，其工作 流程如图2 2 所示。系统工作时，低温低压的湿蒸汽在蒸发器处吸收外界( 一般是周围环境) 的热 能，蒸发变为干饱和蒸汽或过热蒸汽进入压缩机，压缩后变为高温高压的过热蒸汽进入冷凝器，在 冷凝器处被外部冷却介质冷凝为饱和液，放出大量潜热，然后经过节流装置绝热节流降压，变为湿 蒸汽后再进入蒸发器完成一个循环。 蒸发器 压缩机 膨胀阔 图2 2 蒸汽压缩式热泵示意图 冷凝器 按照熟源不同热泵又可分为空气源、水源、地源等热泵形式。 空气源热泵以室外空气作为熟源具有系统简单，年运行时间长、初投资较低、技术比较成熟 等优点，在冬季气候较温和的地区如我国长江中下游地区，已得到相当广泛的应用。空气源热泵 的主要缺点在于其制热量的变化与建筑熟负荷的需求趋势正好相反，而且在夏季高温和冬季寒冷天 气时热泵效率会大大降低，甚至无法工作。由于除霜技术尚不完善，在寒冷地区和高湿度地区热泵 蒸发器的结霜阋题成为较大的技术障碍。 水源热泵以水为载体可高效地利用量大面广的地下水、地表水、电厂冷却循环水及工业废水、 污水等作为低位热源热泵c d p 一般可达到4 5 ，节能效果十分明显。由于水体温度一年四季相 对稳定，其波动范围远小于空气温度的变化，因而水源热泵不仅性能稳定、工作可靠、运行费用低， 而且可以实现一机多用，满足供暖、空调及生活热水的需要。但是水源热泵也不是十全十美，它也 要受到可利用的水源条件、水层的地质结构、水资源使用政策以及能源结构和价格等因素的限制。 例如，应用地下水热泵需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。 土壤源热泵是利用地下岩土中储存的太阳能和地热能作为热源的闭路循环地源热泵系统，即通 3 麓 第2 章太阳能热泵系统的工作原理 过循环液( 水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。 冬季熟泵从岩土中取熟用于建筑供暖，同时蓄存热量以备夏用；夏季热泵逆向运行，将建筑物内的 热量转移到地下对建筑进行降温同时蓄存热量以备冬用。因此，土壤源热泵既保持了地源热泵高 效、稳定运行及维护费用低等优点，叉可利用岩土的天然蓄热能力，且对周围环境影响较小，是一 种可持续发展的建筑节能新技术。根据国外经验。由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3 7 年内收回，地热热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。但是，研究表明， 土壤源热泵的系统性能将随着运行时间的增加而逐渐下降，其经济性取决于多种因素，受到不司地 区、不同地质条件、不同能源结构和价格的直接影响。 为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量，发展了各种复合热源形式的热泵， 如太阳一空气源热泵、土壤一水源热泵，太阳一水源热泵、太阳一土壤源热泵等。 熟泵系统的性能通常用其性能系数p ( c o e m c i c mo f p e r f o m ) 来衡量： nn c d p = 兰l = 1 + 兰l ( 2 2 ) 式中 q l 热泵向高温热源的放热量( w ) ； q 2 熟泵从低温热源吸收的热量( w ) 职唧一压缩机耗功量( w ) 。 2 2 太阳能热泵系统的分类及基本工作原理 太阳能利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可以分为太阳能驱动 热泵( s 0 1 盯p o w e r c d h e a lp u m p ，s p h p ) 和太阳能辅助热泵( s 0 1 甜罄s i s t e d h e 砒p 岫p ，s a h p ) 两大 类。 太阳能驱动熟泵主要是指以太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳能直接驱动的吸收 式、吸附式、喷射式和化学热泵等。这类热泵大多数以实现太阳能制冷空调为主要目的，一般对太 阳能集热温度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题。 太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以 太阳能辐射能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多以供热为主涉及建筑采暖、生活热水供应以及 工业用热等应用领域，对太阳能集热要求不高而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性 能和良好的商业实用化前景。 根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合型式。太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两 大类。 2 2 1 直膨式太阳能热泵热水系统 在直膨式太阳能热泵热水系统中，是一种基于逆卡诺循环的系统，将太阳能集热器与熟泵蒸发 器结合成一体。它主要由太阳能集热，蒸发器、压缩机、冷凝嚣、熟力膨胀阀、储热水箱等部件组成， 如图2 3 所示。该装置的具体工作过程如下：晴天，经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太 阳能集热，蒸发器中，通过吸收太阳辐射而蒸发后的制冷剂在压缩机内形成高温高压气体，然后被捧 入冷凝器中，制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝同时水得热而升温，冷凝后的制冷剂经 膨胀阀又重新流入太阳能集熟，蒸发器中，由此构成一次循环：阴天或夜间，太阳能集熟，蒸发器也 可以通过吸收大气中的显熟和潜热来维持全天候地生产热水。 9 东南大学硕士学位论文 压缩机 图2 3 直接膨胀式系统示意图 来 与常规的太阳能热水系统相比较，直膨式太阳能热泵热水系统具有以下一些优势： ( 1 ) 常规太阳能热水系统通常是直接利用水在太阳能集热器内的单相流动来吸收