并联式太阳能热泵热水机组智能控制系统研究.doc

毕业论文并联式太阳能热泵热水机组智能控制系统研究摘要随着太阳能热利用和热泵技术的快速发展，太阳能热泵供热水技术逐步成为目前能源界研究开发的热点，并联式太阳能热泵热水机组（简称）因其节能、环保、运行可靠等特点，广泛应用于各类大中型热水工程。由于太阳能热泵在我国尚属于推广使用初期，其控制采用的是简单的逻辑控制，如何采用先进的控制技术以保证太阳能热泵系统最大限度的节能和稳定供热是其急需解决的一个关键问题。本文对智能控制系统进行了深入研究，在综合分析匕源利用率影响因素的基础上，提出了基于神经网络理论的智能控制策略，针对以上研究内容，开展了如下的具体工作：理论分析了影响匕源利用率的因素，提出了一种全新的以提高眍。源利用率为目的的运行控制策略。实验测试了太阳辐射量与蓄热水箱水温升的关系，确定了开启热泵机组的太阳辐射量临界值；通过实验，研究了环境温度与热泵机组能耗、运行时间及能源利用率之间的关系，热泵机组能耗与运行时间随着环境温度的升高而降低，而能源利用率随着环境温度的升高而增大，实验结果和理论分析能够较好吻合。在此基础上，建立了基于神经网络的能源利用率预测模型，能根据当天的太阳辐射、环境温度、初始水温等参数的变化预测热泵机组的运行时间及能源利用率，针对热泵机组除霜等不确定因素的影响，采用模糊系统对预测结果进行修正。运用软件，对预测模型进行了仿真模拟，整体预测结果良好。结合运行特点，在原有的控制器基础上，设计了智能控制系统软件部分。运用语言编制了上位机控制软件，实现神经网络算法、模糊修正、上位机与西子 之间的数据通讯及数据存储等功能。采用模块化设计思想，运用一编程软件编制了运行程序。测试结果表明：智能控制系统预测效果良好，与原有的控制系统相比，热水能源利用率提高了约，实现了真正意义上的节能。关键词：并联式太阳能热泵热水机组，能源利用率，智能控制，神经网络 ， （） ， ， ， ， ： ， ， ； ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 一 ， ： ， ， 课题来源第一章绪论本课题来源于湖南亿利达公司重点攻关项目节能高效智能化太阳能热泵热水机组产业化，以湖南亿利达公司人工环境研究所的资源条件为基础进行研究。课题研究的背景及意义课题研究的背景能源与环境保护是当今世界发展面临的两大难题，人们在积极开展节能降耗的同时，已开始考虑把能源利用的重点转移到可再生能源的开发和利用上来。太阳能作为一种可持续利用的清洁绿色能源，被认为是世纪以后人类可期待的、最有希望的能源，得到了国际社会的普遍重视。太阳每年到达地球表面的太阳辐射能相当于万亿吨标煤，约为日前全世界一次能源消费总量的国务院通过的（世纪议程文件中明确指出“把开发利用可再生能源（太阳能等）放在国家能源发展战略的优先地位”，“要加强太阳能直接和间接利用的研究”。可再生能源资源潜力巨大，加快可再生能源加快发展，有助于实现能源长期战略替代战略。太阳能热水器是目前商业化程度最高、应用最普遍的太阳能利用技术。据统计，年全世界太阳能热水器的总保有量约万平米，而我国经过多年自主发展，年太阳能热水器总集热面积万平米，占世界的一半以上，已经成为世界上太阳能热水器产量和销售量最大的国家【】。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定的限制。太阳能利用的局限性主要表现在以下几个方面：在夜间或阴雨天没有足够的太阳辐射时，无法实现稳定供热，需要辅助热源加热，依然消耗较多的高品位能源；系统加热周期长；传统的太阳能热水器采用是简单的逻辑控制，不能根据环境的变化实时控制；因此，如何最大化利用太阳能、节约高品位能源是目前太阳能热水器研究领域的一个重要的课题。为了克服太阳能热利用的缺陷，提高热水能源利用率，人们不断探索各种新的更高效率的能源利用技术作为太阳能热水器的辅助热源，热泵技术在此过程中应运而生。热泵技术是目前全世界倍受关注的一项新型能源技术，按热源的种类可分为太阳能热泵、空气源热泵、地源热泵、水源热泵等四种形式。热泵热水机第一章绪论组是基于热泵原理，利用电能驱动热泵中的制冷剂循环运行，“吸收”热源中的能量，加热生活用水的系统，即通过消耗部分高品质能量（电能）把热量从低温热源（空气热量）转移到高温热源（生活用水）的装置，热泵的值恒大于。美、日、西欧等国是热泵发展和应用的主要国家，他们几乎占领了全部的热泵市场，全世界热泵总数大约有万台（其中日本万台，美国万台）【】。我国的热泵工业相对于世界上发达发国起步较晚，但发展速度还是相对较快。早在世纪年代，天津大学的一些学者就已经开始从事热泵的研究工作。年代末，我国就有热泵产品在暖通空调中应用。年代初到年代末，我国暖通空调领域掀起了一股“热泵热”。空气源热泵热水机组因其高效、节能、环保的特点在我国大陆华南地区与长江流域得到广泛应用，目前使用地域向着黄河流域扩展。然而，空气源热泵热水机组受环境温度与环境相对湿度的影响较大，在环境温度较低、环境相对湿度交大的情况下易结霜，仍然需要消耗较多的高品位能源。课题研究的意义能源资源的开发利用促进了世界的发展，同时也带来了严重的生态环境问题。科学观测表明，地球大气中的浓度己从工业革命前的上升到了目前的；全球平均气温也在近百年内升高了，特别是近年来升温明显。全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境的影响总体上是负面】。国际能源机构（）中心对采用热泵，减少排放造福于地球环境进行了评估：预计热泵减少全球排放量的潜力可达左右【。将太阳能热利用技术与热泵技术结合起来的太阳能热泵热水机组使用的是绿色可再生的太阳能与清洁的电能，不仅将环境污染降到最低，而且利用热泵作为辅助热源，在很大程度上节约了高品位能源，它的推广被认为是节约一次能源和保护环境方面现实、可靠的措施，有助于我国十一五节能减排目标顺利完成。我国现有传统的热水供应设备主要有家用燃气热水器、电热水器、太阳能热水器，工业用各种锅炉，如燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉等。图为不同类型的热水供应设备加热吨水消耗的标准煤的情况，表列出了不同供热设备的运行经济性能对比。可以看出，太阳能热泵热水机组不仅能耗最少，也是最经济的一种供热设备。从科学利用热能的角度来说，使用电力、燃气、燃油、燃煤等高品位的能源，来加热的淋浴用热水足极不合算的，这样的加热过程即使达到的热效率，表面看是没有热能的损失，但实际上已经伴随着巨大的熵增损失u65292X是一种极大的能源浪费。太阳能的利用大大节省了高品味能源的消耗，热泵代替电热水器，在很大程度上节省了电能，因此，两者的结合是目前最符合科学用能的一种第一章绪论热水器。图卜不同类型的热水供应设备加热吨水消耗标准煤并联式太阳能热泵热水机组是一个受太阳辐射、环境温度、水箱设定温度、集热面积、补水方式、运行策略、整机匹配性等诸多因素如影响的复杂设备，整机的运行具有时变性、非线性等特点，还没有成熟的模型及相关的智能控制系统。目前，我国太阳能热泵热水机组还处于推广使用初期，现有控制技术都是简单逻辑控制，不能根据运行参数的变化调整热泵机组的开启时间，使得整机能源利用率较低。如何将最大化利用太阳能、提高热泵机组能远离利用率两者进行最佳耦合，提出一种全新的以提高能源利用率为目的的运行控制策略，实现太阳能热泵热水机组的高效智能控制，是本课题的研究重点。表卜不同类型的热水供应设备加热吨水的运行经济性能对比综上所述，从节能减排、经济性能及科学用能的角度来看，对太阳能热泵热水机组进行深入研究及推广应用都是十分必要的。针对目前我国太阳能热泵热水机组的研究现状，智能控制系统的研发已成为太阳能热利用技术研究的一个重要课题，一旦这个关键技术取得进一步突破，整机的经济性得到改善，结合建筑节能，太阳能热泵热水机组必将得到广泛推广，对降低热水能耗，实现建筑节能有重要意义。第一章绪论国内外研究现状将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，形成的太阳能热泵热水机组是一种安全、节能、环保的新型产热水设备。根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式不同，可分为直接膨胀式（）和间接膨胀式（）两种，在间接膨胀式太阳能热泵中，根据太阳能给热泵蒸发器提供热源的方式不同，可以分为并联式（）、串联式（）和混合式（）三种，如图所示。直膨式需要对关键部件太阳集热板进行重新设计，很难被厂家接受，而串联式和混合式也需要对现有产品和技术进行重大调整，故并联式太阳热泵热水器是最容易被接受的方案。并联式太阳能热泵热水机组由传统的太阳集热器和热泵机组共同组成，它们各自独立工作，在最简单的情况下，太阳热水器不需要进行任何改动，只需要在水箱或其接管上为热泵热水器设置进出水通道，就可将热泵系统复合在太阳热水系统中【。整机根据室外具体条件的不同，有种不同的工作模式：当太阳辐射量足够大时，不需要开启热泵，直接利用太阳能即可满足要求；当太阳辐射量很小，直接使用热泵供热；当外界条件介于两者之间时，同时工作。并联式（）国外对太阳能热泵热水系统的研究开展得比较早，最早是由和第一章绪论在世纪年代初的研究中提出。基于太阳能热泵热水机组节能、环保等特点，目前，日本、美国、瑞典、澳大利亚等许多发达国家纷纷投入大量的人力、物力对太阳能热泵系统进行深入研究。我国对太阳能热泵的研究基本上处于初级阶段，天津大学、厦门大学、东南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对各种类型的太阳能辅助热泵热水机组进行了实验和理论研究，取得了一定的研究成果【】。目前，国内外大多学者主要从结构形式、影响因素、计算机仿真、实验研究、运行控制等方面开展较深入研究，以提高太阳能热泵热水机组能源利用率。美国大学的和利用软件对并联式、串联式和混合式三种进行了较全面的模拟分析研究【】，并比较了各种机组的性能，研究结果表明，在空气作为辅助热源的情况下，并联式太阳能热泵是最实用的，比串联式和混合式的热性能更优越；美国的等在早期对太阳能热泵热水机组进行理论分析后【，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，取决于设计及运行工况，这正体现了结构型式在系统设计时的重要性。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【，该装置通过一个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、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，全年各月平均值为，该系统充分利用太阳能，不仅能提高机组的能源利用率，而且提高了整个机组运行的稳定性；等人对并联式太阳能热泵系统的设计方法进行了研究，认为要设计一套高效实用的并联式太阳能热泵系统，首先确定要满足设计负荷太阳能系统能够承担的制热部分负荷和制热水部分负荷各是多少，再确定热泵应该承担的供热或供热水负荷，研究结果表明该方法简单可靠；赵军掣】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，管路中装有管道加热器，用来模拟太阳能，每天向用户提供左右的生活热水。研究结果表明，该系统可以一年四季稳定运行，冬季热水能源利用率达到，春季热水能源利用率可以高达到；等人对压缩机工作时间加以控制，使其经常工作在气象条件比较好的时间内，可使热水能源利用率得到改善。结果表明在非受控方式下，系统夜间运行时间相当长（空气源），使得能源利用率不及常规空气源热泵，将压缩机运行时间限制在白天（：），能源利用率得到了改善，将运行时间限制在中午（：），能源利用率得到显著改善【。】；由，和等学者的实验与模拟研究可以发现，系统设计的优化和运行控制的第一章绪论改进能有效提高太阳能热泵系统的能源利用率【，他们采用双变频压缩机的三种控制方案对系统进行了理论分析，结果表明，在夏季满足热负荷需求的前提下，适当降低压缩机频率可明显提高热泵能源利用率。此后，他们又深入研究了压缩机频率的变化对直膨式太阳能辅助热泵热力性能的影响，提出了针对不同环境温度（，。）和太阳辐射量（）的压缩机变频范（），以保证热泵大于或，应当指出的是，针对不同的气候条件和系统结构，压缩机的变频范围及其控制策略也各不相同，因此应当根据实际情况通过对系统进行技术经济性分析来确定最优化控制方案；此外，等建立了太阳能热泵热水机组实验台，并在他们的实验装置中采用了变频压缩机，研究了压缩机频率对热泵和集热器效率的影响。试验结果表明：机组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【】；黄秉钧等对整体式太阳能辅助热泵热水器处于饱和蒸气循环时的膨胀阀流阻变化规律进行了分析，指出为了使压缩机吸气接近饱和蒸气状态，膨胀阀流阻必须随时间调节（增加），且膨胀阀流阻与压缩比成正比关系，因此可以采用温差或压差控制的方式来调节膨胀阀流阻，如采用带控制器的电子膨胀阀机构，以使能源利用率经常处于最佳值。等【】将压缩机容量控制与节流控制结合起来，在其实验系统中同时采用变频压缩机和电子膨胀阀，并通过一个微处理器进行控制，系统值得到了明显增加。 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，值仍在以上；上海交通大学的李郁武、王如竹等【】采用了太阳辐射量的开环比例控制与集热板过热度的闭环反馈控制相结合的控制方案，通过实验研究的方法逐步制定控制策略，分三种不同情况采取特定参数控制集热板出口过热度。经实验验证，可以实现典型工况下过热度的准确、稳定控制，有效提高了系统能源利用率与系统的运行稳定性，合理改进电子膨胀阀开度的控制算法，并结合变频压缩机实现对制冷剂流量的串级控制，为提高热水能源利用率，并实现整个机组全年优化运行提供了研究方向。值得一提的是，针对工况多变，该方法控制效果不理想，而要实现整个系统在全年各个工况下的优化运行，控制方法还有进一步改进的必要，可以考虑结合模糊控制、神经网络等智能控制手段。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，并对此一体化装置在热泵制热水模式下的运行工况进行了实验研究，热水能源利用率平均在以上，最大可达到，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；旷玉辉等】模拟第一章绪论分析了太阳辐射、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机组性能的影响；余延顺等对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，建立了各种运行工况下的数学模型，保证在最大化利用太阳能及不频繁启动机组的情况下，对哈尔滨地区进行了模拟计算，系统在动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高了和；日本的掣也介绍了一系列仿真实验研究，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；赵军等【通过做实验得出：平均冷凝温度是影响其实验系统能的主要参数，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，而制热系数的变化受压缩比的直接影响；冯诗愚等瞄对并联式太阳能热泵子系统循环性能进行研究，建立了相应的数学模型，通过模拟计算得出，循环水量对热泵子系统的性能系数、压缩机功耗、加热时间以及保温水箱的实际终了加热温度有较大的影响；此外，他们还对热泵辅助太阳能中央热水系统年运行特性研究，结果表明，利用热泵代替传统的电加热器可有效降低高品位能源的消耗，并结合西安地区的气象数据，建立了运行数学模型，通过模拟得出了整个机组的能源利用率，指出可以通过增加热泵机组的功率可减少热泵开启的时间，对热泵开启时间的控制策略需要进行仔细研究，从而提出最优控制方案与配置。由此可见，太阳能热泵机组运行控制主要是对直膨式压缩机变频技术与热力膨胀阀开度两方面的研究，对并联式热泵热水机组相关的控制技术的研究很少看到，而采用智能控制来提高其能源利用率的也几乎没有。目前，已报导的相关控制系统大多仅采用水箱内的恒温器来实现简单的压缩机自动停机控制或根据经验手动开启。前者不能根据运行环境的变化对运行参数进行调整，使得热泵机组频繁启动，机组压缩机易损坏，能源利用率低；后者则依赖于操作人员的操作经验，存在很多不确定因素，无法实现全自动化。由于并联式太阳能热泵热水机组能源利用率受太阳辐射、环境温度、环境相对湿度、运行策略等因素的影响，影响因素呈现非线性与多样性，面对这样一个参数时变的非线性系统，目前还没有成熟的模型及相关的控制系统供参考使用。整个机组的能源利用率跟太阳辐射量的多少及热泵机组的运行时间有关，显然太阳辐射的强弱会影响热泵机组的运行时间，而热泵机组的运行时问又受环境温度及环境相对湿度的影响。普通的控制对于难以建立数学模型的非线性系统控制效果较差，且对于不同的系统参数与工况，控制中的比例系数、积分系数及微分系数都有不同的最佳系数组合，而这些系数的选取有较大难度。对于此类的控制问题，用常规的控制方法是很难实现。模糊控制系统擅长处理定性的知识第一章绪论【引，它把操作人员长期积累得到的控制知识，用包含有模糊集合的规则进行描述，并通过模糊推理来确定控制量的一种方法。这种方法能很好的处理非线性复杂系统中存在的大量不确定信息，控制效果也好于常规控制方法，但它缺乏自学习能力，模糊规则和隶属度函数的确定依赖于人们的主观经验，这样得到的控制规则不够完善，势必会影响到控制的效果。而神经网络具有较强的自学习能力，可以直接从系统的输入输出数据中学习得到网络结构模型，它具有逼近任意非线性映射的能力【。通过学习，获知系统差分方程中的位置非线性函数，对于静态系统的建模预报，多层前向网络能够取得良好的基础。而且它可以发展知识，所以它的推理能力可以超过设计者原有的知识水平，控制效果较好。因此，本文运用神经网络对已有的实验数据进行训练，建立并联式太阳能热泵热水机组能源利用率预测模型，能有效提高整个机组的热水能源利用率。神经网络的应用现状人工神经网络（，简称）技术是一种全新的模拟人脑功能的信息处理系统，它具有联想记忆、分类与识别、优化计算、非线性映射等功能【，广泛运用到计算机科学、控制论、信息科学、微电子学、心理学、认知科学、物理学、数学与力学等学科【叫u12290X作为智能控制的一个分支，以其独特的非传统表达方式和固有的学习能力，引起了人们的广泛关注。非线性系统的建模与辨识是控制理论中具有重要应用价值的研究领域之一，实际的控制对象往往具有复杂的非线性和时变性，难以建立精确的数学模型。传统的系统辨识手段主要是针对线性定常系统的，对非线性时变系统尚无成熟的、系统的辨识方法。将神经网络模型引入到非线性系统建模和辨识中，利用神经网络逼近任意非线性函数的能力，来预测实际系统的输入一输出关系；同时利用神经网络的自学习自适应能力，可以方便地给出工程上易于实现的学习算法，经过网络训练最终得到系统的正向或逆向模型。人工神经网络以其特有的表达任意非线性映射能力，为非线性系统建立预测建模提供了新的思路和方法【删。近几年，国内外许多学者在使用神经网络进行预测建模方面作了大量的研究工作，取得了许多的研究成果。， 】与等研究者根据时间（年一月一同一时）、干球温度、相对湿度、太阳辐射照度和风速个参量，利用神经网络建电负荷（）、冷水负荷（）和热水负荷（）预测负荷模型，实现了集合映照功能；用神经网络（附加动量法修权值）预测一大型旅馆综合会议中心的耗电量，预测结果良好；分别用定点温度、变温度控制预测摔制管理中央系统的能源，通过试验他们证明了在保证舒适度的条件第一章绪论下，管理系统比另外的两个系统节能；】在部分负荷冰蓄冷空调系统中，用将预测和控制结合起来，即采用预测控制方法。他们研究的目标是在整个仿真季节里，满足舒适度的条件下，使设备在最小费用下运行。值得一提的是预测负荷的逐时气象参数（室外温度和太阳辐射照度）是根据当天的最高温度、最低温度和天气计算所得。该研究将神经网络预测控制与制冷机优先控制的能耗和运行费用比较得出，预测控制的耗电量比制冷机优先控制的耗电量少（试验期间，制冷机在较差的下运行），预测控制的运行费用比制冷机优先控制低。非线性系统的复杂性和多样性，使得越来越多的非线性模型和相关的辨识方法受到重视。目前用于预测建模所采用的大多数是网络，网络为静态网络，准确性高，在实际应用中，应首先考虑静态网络。作为一种工具，在预测建模研究中显示了它的生命力。采用非神经网络模型的优点是逼近精度高，缺点是辨识比较困难。而神经网络模型由于能模拟实际对象的输入输出，网络结构和学习算法可以选择，其应用前景十分广阔。当然如何选取网络的最佳模型、学习算法的收敛性讨论、提高辨识精度使用智能优化算法以及含噪声的系统如何辨识等问题都是目前的研究热点。本文的主要研究内容本文对并联式太阳能热泵热水机组（简称）的主要性能参数能源利用率（，）及其影响因素进行理论分析和实验测试，将人工智能与控制技术相结合，对控制技术进行研究，并开发出以提高能源利用率为目的的智能控制系统，主要研究内容如下：）对进行理论分析，研究了太阳辐射、集热面积、环境温度、环境相对湿度、整机的补水方式、整机匹配与运行策略等参数对能源利用率的影响；）建立了实验平台及数据采集系统，运用编制了远程数据采集软件，实验测试了太阳辐射量与蓄热水箱水温变化关系、环境温度与热泵、功率消耗、运行时间、能源利用率之间的关系；）提出了一种全新的以提高能源利用率为目的的运行控制策略，确定最优匹配及节能运行智能控制方案。采用神经网络算法，建立了整机能源利用率预测模型，并采用模糊算法除霜等不确定因素影响的预测结果进行修正。最后运用软件神经网络工具箱仿真，验证预测模型的正确性；）在原有控制器基础上，设计了智能控制系统。运用语言编第一章绪论制上位机软件，主要包括神经网络算法模块、模糊修正模块、上位机与通讯模块、数据处理模块；采用模块化编程思想，运用一编制了运行程序。最后将上位机软件及运行程序嵌入，通过实际运行，验证控制器的预测及节能效果；第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析能源利用率总体数学模型分析是一种将太阳能热利用技术与热泵技术相结合的节能供热设备，主要由太阳集热部分、空气源热泵热水机组及蓄热水箱三部分组成，太阳集热部分与热泵机组相互独立运行，二者相互补充，简图如图。当太阳辐射强时，不需要开启空气源热泵热水机组，仅启动太阳集热系统就能直接得到预定温度的热水；当太阳辐射中等时，太阳集热系统获得的热量不足以将水箱中的水加热到预定温度时，启动空气源热泵机组辅助加热到预定的温度；太阳辐射弱时，太阳集热系统无法获取足够热量，所缺少的热量由空气源热泵热水机组提供。图结构图太阳集热器太阳集热部分循环泵蓄热水箱热泵循环泵节流阀蒸发器压缩机冷凝器根据热力学第一定律，能源利用率（简称，）为水箱获得的总热量与耗能的总功率之比，其数学模型可表示如下：，：u65351X（），。陟乙印陟陟么节哆式中，为太阳能加热水箱获得的热量，单位为；为热泵加热水箱获得的热量，单位为；彬唧为热泵机组压缩机消耗的功率，单位为；为太阳集热部分水泵消耗的功率，单位为；彬帅为热泵机组水泵消耗功率，单位为；孵为风机消耗的功率，单位为。）太阳辐射强时，不需开启空气源热泵热水机组辅助加热，的能源利用率为：第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析）太阳辐射中等时，太阳集热器提供部分热能，热泵提供剩下的热能，耗电量为能源利用率为：）太阳辐射弱时，全部的热量都由热泵提供，因此能源利用率就是热泵机组的制热性能系数，可以表示为：由公式可以看出，当太阳辐射强时，能源利用率就等于太阳集热部分的锻；而太阳辐射弱时，能源利用率就等于热泵的；而当太阳辐射中等时情况较复杂，热泵机组与太阳集热部分同时供热，使得能源利用率同时受，与影向，而且这两种影响不是简单的线性叠加，还与补水方式、运行控制策略及匹配性等因素有关。本节将在以下分别进行讨论。能源利用率影响因素分析太阳辐射强时能源利用率影响因素根据能量守恒原理，太阳能集热部分能量平衡方程为：一（）式中，为蓄热水箱内能量变化，为真空集热管吸收的总热量，为系统热损失假设：）蓄热水箱是充分混合的水箱；）忽略管道的散热损失，一段时间内系统的热损失可以视为水箱的热损失；）忽略风速与湿度的影响；因此，式（）可以改写为：为蓄热水箱中水的质量，为水的比热容，（。），为蓄热水箱的水温度，为真空管集热系统有效集热面积，为太阳辐照强度，仉为真空管集热系统瞬时效率，为蓄热水箱的散热系数，（），为蓄热水箱的外表面积，为环境温度，其中：国外对太阳辐射模型的研究已经相当成熟，文献【删提供了各种计算晴天太阳辐射量的模型，现阶段应用较多的模型主要有半正弦模型、比例模型、傅里叶级数模型、和模型（简称模型）等【。根据本文模拟的要求，采用半正弦模型如下：）式中：为日总辐射，（为逐时辐射量，为辐射终止时刻，乙为辐射开始时刻，为辐射小时数，结合公式（）、（），用欧拉法解方程（）可得水箱水温数值模型为：（）模拟初始条件为：蓄热水箱水的质量，水的比热容。（蚝），真空管有效集热面积彳。，太阳辐射量，水箱的散热系数 （），水箱的外表面积九，环境温度，水箱水的初始温度为，模拟计算结果如图、。图、为不同太阳辐射量、集热面积蓄热水箱水温变化情况，水箱水温随着太阳辐射量、集热面积的增大而半正弦增大，这是由于太阳逐时辐射量呈半正弦变化，致使蓄热水箱水温变化也呈半正弦增加，且水箱水温变化率也随着日辐射强度的增大而增大。由公式（）可知，在相同的运行时间内，电能消耗相同，与太阳系统集热量成正比，因此，在水泵消耗功率一定的情况下，随着太阳辐射量、集热面积的增大而半正弦增大。时问图不同太阳辐射量时蓄热水箱水温随时间变化图皇堕奎堂堡士学位论文第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析图不同集热面积时蓄热水箱水温随时间变化图图不同环境温度时蓄热水箱水温随时间变化图由图可以看出，在其他条件相同的情况下，蓄热水箱水温变化受环境温度影响很小，即使环境温度相差，蓄热水箱水温变化也不到，系统集热量基本相同。这是由于水箱保温效果良好，水箱水温与外界热交换少，热损失也很少。因此，在蓄热水箱保温效果良好的情况下，环境温度对影响很小。，太阳辐射弱时能源利用率影响因素太阳辐射弱时，能源利用率就等于热泵机组的值，可以通过热泵机组压焓图（如图）所示来分析的影响因素，各状态点及其对应过程如下】：第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析图理论循环热力性质图点表示制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度的饱和蒸气。点表示制冷剂出压缩机时的状态，也就是进冷凝器时的状态。过程曲线表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（置岛）。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，点表示过热蒸气状态。点表示制冷剂出冷凝器时的状态。它是与冷凝温度乙所对应的饱和液体过程线一表示制冷剂在冷凝盘管内的冷却（）和冷凝（）过程。点表示制冷剂出热力膨胀阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。过程线表示制冷剂在通过热力膨胀阀时的节流过程。节流过程是一个不可逆过程所以用虚线表示过程。过程线表示制冷剂在蒸发器中的气化过程，这样制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点，从而完成一个完整的理论供热循环。理论循环中，蒸发温度等于环境温度，冷凝温度等于回水温度，而实际循环中蒸发温度略小于环境温度，冷凝温度略大于回水温度。实际循环与理论循环存在一定偏差，但是理论循环的各个过程均是实际循环的基础，可作为实际循环的比较标准，为方便起见，可根据按理论循环来分析，所得的结论也同样适用于实际循环【。）蒸发温度对的影响在分析蒸发温度对影响时，假定冷凝温度保持不变。当蒸发温度由“降低到，时，循环由原来的变为一一一一，如图所示。下面分别讨论蒸发温度“改变时，比容积功、单位容积制热量和热泵系统制热性能系数变化情况。）单位容积制热量蒸发温度为时，循环的单位制热量吼，。由于冷凝温度不变，故呜是固定不变的。而当蒸发温度由降到，时，稍有增加。因而忽，一红稍高于见一鬼，图给出了这种变化关系。单位容积供热量为：厶一厶口。，生垒（）尽管，。的变化对上式中的分子略有影响，但：的降低使蒸发压力随之第二章能源利用率数学模型建立及影响冈素分析下降，因而压缩机的吸气比容增大，使分母有较大改变，随，的降低而下降。它意味着对一台给定的压缩机而言，随的下降，制热量将明显下降。竺。譬理论比功吃一抚，随的降低而增加，这是因为压缩机的压力比随的下降而增加所致。但由于吸气比容的降低而增加，故比容积功，可能增由式（）可以看出，当及时，均为零，所以当蒸发压力由：盟：（）发温度由降到，时，。稍有降低。值是单位制热量。与比功之比值，第二章能源利用率数学模型建立及影响冈素分析）单位容积制热量冷凝温度为时单位制热量吼吃一呜，由于岛保持不变，固曩保持不变。当厶升高到气，时，吃、绣都有所增加。但吃、呜的同向变化导致单位供热量的变化很小。由于如不变，故压缩机吸入蒸气的比容，没有变化，所以单位容积制热量随的升高而增加。从而可知热泵的制热量随气的升高而增大。）比容积功理论比功红一啊，厶升高到气，时压缩比增大，红增大到。因为啊没有变化，所以昂随气的升高而增加。由于没有变化，所以比容积功，是随的升高而增加，即压缩机消耗的功率昂是随乙的升高而增加。）热泵机组制热性能系数由式（）可知，气升高时，。降低，升高，因而热泵机组制热性能系数急剧下降。）环境相对湿度对的影响空气源热泵机组以室外空气中储存的显热为工作热源，冬季供热运行时，空气流经蒸发器后温度降低，若换热器表面温度低于周围空气的露点温度，则气流穿过室外换热器时会在其表面析湿。当蒸发器表面温度低于时，就形成霜。霜形成后，蒸发器内侧制冷剂与空气间的传热热阻增大，造成换热量减小，同时，热泵蒸发器多为翅片式换热器，翅片间隙逐渐被霜阻塞，将使空气的过流通道变窄，因而通过蒸发器的风量随霜层的增厚而不断减少，这都会使热泵空气侧的换热量显著降低，为保证达到预定的供热效果，必然会导致压缩机与风机耗功增加，压比增大，运行性能恶化。一般来说，环境空气温度高于时，霜层不易形成，因而可以忽略空气相对湿度对热泵运行性能的影响；当空气温度在以下，但相对湿度小于时，由于这种状态下空气的露点较低（气温在，相对湿度时，露点为一左右），也不会结霜。因此，根据我国目前空气源热泵机组的产品现状，成霜的气象条件可确定为【：室外环境温度环境相对湿度空气源热泵热水机组在结霜时换热量减小，除霜时机组按制冷模式运行，从水中取热换向融霜，不仅影响供暖效果而且增加了能量消耗。天津大学有学者提出了结霜除霜损失系划这一概念来反映其影响，定义为：式中：，为结霜除霜损失系数，为有结霜除霜时热泵的性能系数，第二章能源利用率数学模型建立及影响因素分析热泵的稳态性能系数太阳辐射中等时能源利用率影响因素太阳辐射中等时，能源利用率除了受太阳辐射量、集热面积、环境温度、回水温度、环境相对湿度等因素的影响，由于两个热源同时工作，还与补水方式、匹配及运行策略有很大关系，以下将分别讨论。）补水方式主要有三种补水方式：蓄热水箱水温恒定补水、蓄热水箱水位恒定补水和集中补水。）蓄热水箱水温恒定补水当水箱水温在允许补水控制温度以上时，补水进行，自来水补充到水箱底部。当补水较快，供热小于补水带入的冷量，水温逐渐下降到允许补水控制温度以下时，补水暂停，继续运行，将水温提升到控制温度以上，补水重新开始。这样不断循环，直到补水停止信号产生。）蓄热水箱水位恒定补水此补水方式完全由水位控制，自来水直接补充到水箱底部，循环也在水箱底