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圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 摘要 环境和能源问题已是当今世界各国关注的焦点，太阳能作为一种取之不尽的清洁能 源，如何更有效地利用太阳能，已是各国竞相开发研究的热点。热泵的特点在于能将热 量从低温热源传到高温热源，提高低温热源的利用率：将热泵技术与太阳能热利用技术 相结合，发展前景广阔。本文分析研究了太阳能热泵热水系统的分类及技术特点，直膨 式太阳能热泵技术国内外发展趋势，从六个方面对直膨式太阳能热泵热水系统的研究进 行了归纳总结；在此基础之上，从太阳辐射的最佳接收考虑，提出了集热器蒸发器为 圆台侧面的圆台型直膨式太阳能热泵热水器的设计模型，理论上分析了这种热水系统所 接收的太阳辐射和得热量，并与圆柱型、平板型的直膨式太阳能热泵热水系统进行对比 分析，通过计算机辅助模拟计算出：系统不但可以有效地吸收太阳能，还能有效地吸收 空气中的热量，具有良好的热性能；在昆明，以2 月为代表的冬季，其太阳辐照较低， 系统的制热系数c o p 值也能达到4 2 ，效能比e e r 值为2 9 ；系统的得热量高出圆柱 型、平板型的直膨式太阳能热泵热水系统，节能效果明显。 关键词： 太阳能辅助热泵太阳热水器制热系数效能比 圆台型直接蒸发集热器 墨查堑垫查堂堡主笙兰 t h e o r e tic a i s t u d yo fat r u n c a t e dc o n ed ir e c te x p a n sio n s oia r - a s sis t e d h e a tp u m pw a t e rh e a t e r m a s t erc a n did a t e ：h ey o n g f e n d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n go fa g r o b i o l o g i ce n v i r o n m e n ta n de n e r g y t h i sw o r kf o rm a s t e rd e g r e ew a sf i n i s h e du n d e rs u p e r v i s i o no f a s s o c i a t e p r o f p us h a o x u a n a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n th a v eb e c o m eaf o c u sm a t t e r so ft h ew o r l d s o l a re n e r g y i sas o r to fn e v e r f a i l i n gc l e a ne n e r g ys o u r c e s ：h o wt om o r ee f f e c t i v e l yu t i l i z e i th a si n c r e a s i n g l yb e c o m eah o t s p o ts c i e n t i s t st a pw i t he f f o r t s ah e a tp u m p h a st h ef e a t u r et h a ti tc a nt r a n s f e rh e a tf r o ml o wt e m p e r a t u r et oh i g ht e m p e r a t u r e a n di m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo fl o wt e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e s i tw i l lh a v ea g r e a t f u t u r et h a ti n t e g r a t i n gs o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o n i n t oh e a t p u m p t e c h n i q u e s t h i st h e s i sa n a l y z e st h et y p e sa n da r tt r a i to fs o l a r a s s i s t e dh e a t p u m pw a t e rh e a t e r ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fd i r e c te x p a n s i o ns o l a r a s s i s t e dh e a t p u m pw a t e rh e a t e r ，m a k e sas u m m a r yo ft h e s er e s e a r c hr e s u l t sf r o ms i xa s p e c t s o nt h eb a s i so ft h e s e w o r k sa n df r o mt h ep o i n to fv i e wo fr e c e i v i n go p t i m u ms o l a r r a d i a t i o n ，t h et h e s i sd e v e l o p san o v e ld e s i g n m o d e lo fd i r e c te x p a n s i o n s o l a r a s s i s t e dh e a tp u m pw a t e rh e a t e rw i t hat r u n c a t e dc o n ec 0 1 1 e c t o r e v a p o r a t o r t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h eh e a tt h a tt h es y s t e mc a na b s o r b ，c o m p a r e si t sa b i l i t y w i t ho t h e rt w ot y p e so fc y l i n d e ra n df l a tp l a t eo n e s ，a n dc a l c u l a t e sc o pa n d e e rw i t hc o m p u t e ra i d s t h er e s u l t ss h o wt h a tat r u n c a t e dc o n ed i r e c te x p a n s i o n s o l a r a s s i s t e dh e a tp u m pw a t e rh e a t e rc a na b s o r bn o to n l ym o r es o l a re n e r g yb u t h e a te n e r g yi na i r i tt a k e so nf a v o r a b l et h e r m a lp e r f o r m a n c e u n d e rt h ea v e r a g e d a yi nf e b r u a r yw h i c hi so ft h ew o r s tw e a t h e rt h r o u g h o u tt h ey e a ri nk u n m i n g ， t h ec o pi sa b o u t4 2 ，e e ri sa b o u t2 9 t h eh e a ta b s o r b e db yt h es y s t e ma r e m o r et h a nt h o s eo ft h eo t h e rs y s t e m s t h es y s t e mi sv e r yg r e a ti nt e r m so fs a v i n g i l 羽台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 e n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：s o l a r a s s i s t e dh e a tp u m p s o l a rw a t e rh e a t e r sc o pe e r t r u n c a t e dc o n ed i r e c ta b s o r b e ra n de v a p o r a t o r i i 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，除文中已经标 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诃永芬 渤易年，月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云 南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：粥 洲年r 月三p 日 指导教师签名：俑砀毪 知易年j 月纠日 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 0 引言 全球的能源危机日益突出，石油原油油价一路飙升，直创历史高峰。环境和能源问 题已是当今世界各国关注的焦点，3 e 的三角矛盾已成为最重要的课题，即经济( e c o n o m y ) 的发展将伴随着能源( e n e r g y ) 消耗，而以化石能源为主体的资源需求构成又将导致地 球环境( e n v i r o n m e n t ) 的破坏。因此，寻求经济、社会、资源和环境的相互协调，实 现人类文明的可持续发展，已经成为各国政府和公众关注的热点和各行各业专家学者研 讨的焦点。我国是世界上人口最多的国家，也是近年来经济发展最快的国家之一。最新 资料显示，1 9 8 9 2 0 0 1 年间我国经济年平均增长9 3 ，大大领先于世界3 2 、发达国家 2 7 和发展中国家5 2 的速度，也超出亚洲新兴工业化国家5 8 的速度“3 。与此同时， 我国的能源消费量也急剧增长，已成为继美国之后全球第二大能源消费国。常规能源短 缺的现象日益加重，据专家估计，我国石油、天然气、煤等常规能源的开采年限已十分 有限。1 ( 见表1 ) ，能源的消费也造成了严重的环境污染。据世界银行按“人力资本”方 法估算，1 9 9 5 年中国大气和水污染造成的损失高达2 4 0 亿美元，占当年g d p 的3 5 。1 。 我国温室气体排放量也居世界第二位，若按此发展趋势持续下去，预计将于2 0 2 5 年超 过美国。面对如此严峻的形式，我国政府于1 9 9 4 年公布了中国2 1 世纪议程一2 1 世纪人口、环境与发展的白皮书，从具体国情出发提出了促进全面可持续发展的总体战 略、对策和行动方案，并在2 0 0 0 中国可持续发展战略报告中阐述了我国2 1 世纪能 源战略的基本依据，即“在未来的几十年中我国将把降低能耗、提高能源利用效率和减 少环境污染作为新世纪能源战略依据”“3 。顺应国家政策，我们应该大力开发和推广节 能降耗、综合利用和提高环保效益的新工艺、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。 热泵技术是众多节能技术中最重要的一种，热泵是通过消耗一部分高品质( 如电、 气、煤等) 的能量把热量从低温热源( 冷源) 转移到高温热源( 冷源) 中的一种装置。 转移到高温热源中的热量包括消耗掉的高品质热量和从冷源中吸收的热量，所以热泵是 一种高效节能的制热方式。热泵不是热能的转换设备而是热量的搬运设备，因此热泵制 热的效率，不受能量转换效率( 1 0 0 为其极限) 的制约，而是受到逆向卡诺循环效率的 制约，其理论上的最高效率为：( 工作温度+ 2 7 3 1 5 ) n 、低温差，从这里可以看出， 只要有效地降低工作温差，就可以提高制热效率。例如高低工作温差在2 0 c n ，系统的 云南师范大学硕士论文 理论制热系数就可以达到1 5 倍以上。 在积极研究和推广各种节能技术的同时，可再生的清洁能源( 如太阳能、风能、地 热能、生物质能等) 也得到的国际社会的普遍重视。太阳能是地球上一切能源的主要来 源，每年到达地球表面的太阳辐射能为5 5 7 x1 0 。8 m j ，相当于1 9 0 万亿吨标煤，约为目 前全世界一次能源消费总量的1 5 6 x1 0 4 倍。相对于人类发展历史的有限年代而言，太 阳能可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。我国的太阳能资源十分丰富，年日照时 数超过2 0 0 0 h 的地区约占全国总面积的三分之二，尤其是一些经济发展较为滞后的地区 更具有太阳能资源的优势。我国太阳能资源的分布情况。1 见表2 ，其中i i i i 类地区为利 用太阳能较有利的地区，只要具有一定的技术水平和必要的资金投入就可以自由利用； i v 类地区太阳能资源较为欠缺，必须采取有效手段来提高太阳能的转换和利用才能满足 实用化的要求。 表1 我国能源剩余资源探明储量和可开发年限 表2 我国太阳能资源的划分 综上所述，随着经济的高速发展，常规能源日益短缺，开发研究新能源来替代常规 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 能源是当今各国竟相研发的重要课题之一。而我国有三分之二的地区太阳年日照时间大 于2 0 0 0 小时，因此在我国开发研究新型能源的高效节能产品有得天独厚的地理背景， 加上热泵技术的节能特性，为更有效地利用太阳能提供了技术保证。本课题将本着节能 与环保的用能模式，将太阳能热利用与热泵技术相结合，提出了一套圆台型直膨式太阳 能热泵热水系统的模型，并进行了计算机模拟计算。 云南师范大学硕士论文 1 太阳能热泵热水系统的分类及其技术特点 1 1 太阳能热泵热水系统的分类 太阳能热泵热水系统根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式 ( d 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 p d x s a h p ) 和非直膨式两大类。在 非直膨式系统中，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为串 联系统、并联系统、双源式系统等。 1 1 1 直膨式系统 所谓直膨式系统，即将热泵系统的蒸发器与太阳能集热系统的集热器合二为一，制 冷剂直接在集热器中蒸发( 见图1 ( a ) ) 。其集热器通常是不加盖层的太阳能集热器，这 样集热器上下两面均为集热面，同时吸收太阳能和空气中的能量。由于系统没有水介质， 从而解决了常规太阳能热水器在夜间出现冰冻、防腐问题。 1 1 2 串联系统 所谓串联系统，即热泵置于太阳能系统与用户之间( 见图l ( b ) ) 。系统设置一个集 热水箱，集热器中以水作为传热介质，热泵工质不直接进入集热器，而是设置在集热水 箱中的蒸发器中蒸发。对串联系统来说，具有如下优点：由于热泵不断从集热器中获取 热量使其工作温度较低，从而具有较高的集热效率；另一方面，由于吸收了太阳能，热 泵的蒸发温度得以提高，从而提高了热泵性能参数。但由于系统必须设置蒸发器和集热 水箱，大大增加了设备费用，对小系统来说尤为不可取。另外，它还有一个致命的弱点， 就是它不能解决连续工作问题，在没有太阳、阴天或者夜间，就不能工作或不能正常工 作。 1 1 3 并联系统 所谓并联系统，即太阳能收集的热量直接供给用户，另外与之并联一台以环境空气 作为热源的热泵系统( 见图1 ( c ) ) 。对并联系统来说，除了系统结构复杂外，一方面， 在太阳能集热器侧，系统运行时对集热温度要求较高，从而使集热效率得不到提高；另 4 圆台型直膨式太阳能熟泵热水系统的理论研究 一方面，在风机盘管侧，该系统以环境空气为热源，蒸发温度较低，热泵性能系数得不 到提高，再就是这样的结合同样存在运行时系统的转换问题。 1 1 4 双源式系统 所谓双源式系统，即热泵两个蒸发器，一个蒸发器由太阳能集热器充当，即以太阳 能为热源，另一个与之并联是传统的以空气为热源的蒸发器( 见图1 ( d ) ) 。双源式系统 由于并联了风机盘管，因而结构复杂，且带来了制冷剂流道在太阳能集热板与风机盘管 之间转换的控制问题，成本高且性能也不理想。 - - - - c i r “l a f i n g f l u i d - e r e f i i g e c a m 图l 太阳能热泵热水系统的类型：( a ) 直膨式：( b ) 串联式：( c ) 并联式：( d ) 双热源式 1 2 太阳能热泵热水系统的技术特点 1 2 1 与现有的燃气、燃煤、电热水器的比较 现有的热水器实质上都是能量转换装置，从科学利用热能的角度来说，使用电力、 燃气、燃油等高品位的能源，来加热仅四十度的淋浴用热水是极不合算的，如燃气热水 器因为有高温废气的排放、不完全燃烧、强制排烟及换热效率方面的损失，实际的制热 系数仅在0 5 一o 7 之间，而从热泵的工作原理中知道热泵的制热系数高达1 5 ，因此在 制取低温( 3 5 4 5 。c ) 的热能方面，以消耗电能或燃料的化学能这种传统方式已经开始 逐步让位给热泵制热方式。 云南师范大学硕士论文 1 2 2 与传统的太阳能直接供热系统的比较 太阳能热泵将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，与同传统的太阳能直接 供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是采用制冷剂作为工作液体从而减少了夜晚冷冻 和腐蚀的问题，同时可以采用廉价铜制低温集热器，集热成本非常低。在直膨式系统中， 太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源，集热介质温度通常为2 0 3 0 c ，因此集热器 的散热损失非常小，集热器效率也相应提高。研究表明，在非寒冷地区即使采用结构简 单、廉价的普通平板型集热器，集热器效率也高达6 0 8 0 ，甚至采用无盖板、无保温的 裸板集热器也是可以的“1 。由于太阳能有低密度、间歇性和不稳定性等缺点，常规的太 阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置，并且配备相应的辅助热源，这不仅 造成系统初投资较高，而且较大面积的集热器也难布置。太阳能热泵基于热泵供热的节 能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器 容积等都要比常规系统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。 1 2 3 与空气源热泵的比较 在太阳辐射条件良好的情况下，太阳能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发 温度，因而具有更高的供热性能系数( c o p 可以到4 以上) ，而且供热性能受室外气温下 降的影响较小。考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题，直膨式太阳能热泵一般适用小型供 热系统，如户用热水器和供热空调系统。因其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率 和热泵性能高、适应性好、自动控制节能、安装方便、全天候等优点，其造价与空气源 热泵热水器相当，性能却更优越。 1 2 4 与水源热泵的比较 由于太阳能无处不在、取之不尽，因此太阳能热泵的应用范围非常广泛，不受当地 水源条件和地质条件的限制，而且对自然生存环境几乎不造成影响。而水源热泵受到地 理水源的限制，同时对水质的要求较高。 1 2 5 太阳能热泵热水系统的其它优势 太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点，即冬季可供暖，夏 季可制冷，全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置，因此夏季可利 用夜间谷时电力进行蓄冷运行，以供白天供冷之用，不仅运行费便宜，而且有助于电力 6 网台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 错峰。系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等优点，适合于集中供暖，空调和供 热水系统。如果能够将系统整体设计与建筑设计有机结合起来，并提高智能化自动控制 水平，将使该系统获得臻于完美的效果。 可见，直膨式太阳能热泵系统结构紧凑，成本较低，又能很好地解决非直接蒸发式 太阳能热泵系统集热水箱夜间可能出现的冰冻现象。因此研究开发直接蒸发式太阳能热 泵系统具有较大的潜力。 云南师范大学硕：1 ：论文 2 直膨式太阳能热泵技术的国内外发展趋势 2 1 太阳能热泵技术的国外研究史 太阳能热泵技术的研究和发展是建立在太阳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。随 着工业革命的发展，1 9 世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较 高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家j p j o u l e 提出了“通过改变可 压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1 8 5 4 年，w t h o m s o n 教授( 即大家 熟知的l o r dk e l v i n 勋爵) 发表论文，提出了热量倍增器( h e a tm u l t i p l i e r ) 的概念， 首次描述了热泵的设想。当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是 对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木 材，因而热泵的发展长期明显滞后于空调的发展。上世纪3 0 年代，随着氟利昂制冷机 的发展，热泵有了较快的发展。此间由于第一次能源危机的出现，世界范围内也相继掀 起了有组织有计划地开发新能源特别是太阳能的高潮。太阳能热利用的先驱者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“。“9 。1 。1 9 5 5 年，美国西弗吉尼亚的s p o r n 和a m b r o s e 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。虽然他们的压缩 机容量太大，集热器面积太小，二者严重不匹配，但他们的实验研究还是表明了直膨式 结构可以同时提高热泵机组和太阳能集热器的热性能1 。2 0 世纪7 0 年代第二次能源危 机的出现，使得热泵和太阳能利用的发展产生了飞跃，1 9 7 7 年，在美国能源部的赞助下， s i g m a 研究中心的f r a n k l i n 等开发出一种直膨式太阳能辅助热泵系统。该系统采用裸板 式集热器作为热泵蒸发器，并在其背部设置一个反光板使其正反表面均可以吸收太阳辐 射。根据所报道的有限实验数据可以发现，在相同环境条件下，直膨式太阳能辅助热泵 系统的性能比常规的太阳能直接采暖系统有显著的提高，值得进行深入研究“。1 9 7 9 年，c h a t u r v e d i 等研究者对直膨式太阳能辅助热泵在饱和稳定工况下的性能进行了初步 的理论研究“。与此同时，太阳能热泵技术作为热泵与太阳能结合的综合性技术，各国 也纷纷制定了太阳能利用的发展规划并不断增加投资。例如，日本从1 9 7 4 年开始就制 定了直至2 0 0 0 年的“阳光计划”，投资额与年俱增，总投资额高达9 3 0 亿日元；美国自 1 9 7 5 年以来，每年用于太阳能利用方面的投资几乎连年翻番，由1 9 7 5 年的0 1 5 亿美元 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 增至1 9 8 0 年的近5 亿美元“”。进入2 l 世纪，随着能源和环境问题的日趋严峻，各国又 加大了对热泵技术的研究力度，使得太阳能热泵技术又迎来了新一轮的发展机遇。尤其 是，随着世界上一些发展中国家经济的快速发展和对能源问题的逐步重视，它们已经成 为了推动太阳能热泵技术继续向前发展的一股强大的新兴力量。 表3 国外实验样机的研究状况 1 m o r g a n ( 马来西亚) 2 k r a k o w 等 ( 加拿大) r 1 1 1m 2 ( 裸板式) r 1 2 6 8 8 m 2 3c h a t u r v e d 等r 1 2 ( 美国) 4 s h i n o b u 等r 2 2 ( 日本) 5m o r r i s o n ( 澳大利亚) 6 a x a o p o u l o sr 1 2 等 ( 希腊) ( 单层玻璃，背 部保温) 33 9 m 2 ( 无盖层 背部保温) 6 m ( 裸板式) ( 裸板式) 2 m 2 ( 裸板式) 水冷( 1 5 l ) 空冷+ 水冷 水冷 ( 壳管式) 水冷 ( 套管式) 水箱( 每天提供 2 0 0 4 0 0 l 热水) 水冷沉浸式 ( 1 5 8 l 水箱) 1 4 0 w 3 0 0 0 r p m ( 全封闭式) 7 4 6 w 6 7 5 r p m ( 开启式) 3 7 3 w ( 开启式) 5 0 7 5 7 9 8 4 0 7 0 7 5 0 w - 1 1 4 、，a c l0 6 0 h z ( 变频旋转式) 5 0 0 w 3 5 0 w ( 全封闭式) 25 3 5 ( 平均值) 2 0 - - 3 0 ( 冷凝温度： 4 0 - 5 0 1 3 1 37 ( 年平均值) 25 3 4 ( 月平均值) 34 2 ( 平均值) 7 t o r t e s r e y e sr 2 2 4 5 m 2 空冷 ( 全封闭式)25 6 “3 6 等 ( 翅片管式)( 冷凝蒸发温度 ( 墨西哥) 差：4 3 2 4 98 1 8 黄秉钧等 r 1 3 4 a18 6 m 2 热虹吸式2 5 0 w 3 5 2 0 r d m l0 2 5 。37 ( 台湾地区) ( 裸板式) ( 1 0 5 l 水箱) ( 全封闭式)( 瞬时值，水箱 水温：2 5 6 1 1 9 i t o 等 r 1 2 3 2 4 m 2 水冷3 5 0 w 2 8 ( 日本) ( 无盖层， ( 旋转式)( 瞬时值。入口 背部保温) 水温：3 0 - - 6 0 c ) 1 0 h a w l a d e r 等r 1 3 4 a3 m 2 水冷沉浸式开启式，变频4 0 ，7 5 4 - - 9 ( 新加坡) ( 无盖层，( 2 5 0 l 水箱) ( 瞬时值，水箱 塑塑堡垫! 查塑兰! 二! ! ! ! 国外在直膨式太阳能辅助热泵实验研究方面所做的工作，可用表3e 旧作一总结。从 9 云南师范大学硕士论文 中可以看出国外的样机研究取得了一定的成果，并且表明直膨式太阳能辅助热泵技术用 于建筑热水领域具备较强的技术优越性，但我国内地直膨式太阳能辅助热泵的样机开发 和性能研究的相关报道却很少。 2 2 太阳能热泵技术的国内研究发展史 国内热泵的发展可追溯到2 0 世纪5 0 年代“，但由于受当时燃料价格、电力供应、 人们的认识等多种因素影响，进展缓慢，阻力很大，因此长期未能形成气候。近三十年 我国对太阳能热利用的研究主要集中在被动式太阳房及太阳能热水器上，而对太阳能热 泵的研究基本上处于初级阶段。进入9 0 年代，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( 串联式、太阳能一土壤双热源、直膨 式等) 的太阳能辅助热泵系统进行了实验和理论研究，取得了一定的研究成果“7 1 ”州。 但就目前发展水平而吉，太阳能热泵装置在我国尚难以实现商品化，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，且系统性能亟待进一步的改善和 提高。因此，当前的研究重点之一就是尽可能地提高太阳能辅助热泵系统的综合性能和 降低设备初投资，开发出具有自主知识产权和符合本国国情的太阳能辅助热泵装置，这 将对我国节能和环保技术的推广利用起到极大的推动作用。 o 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 3 直膨式太阳能热泵热水系统的研究内容 太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，如何更有效地利用太阳能，已经成为当今各 国竟相开发研究的热点。2 0 世纪8 0 年代以后，国内外许多学者从直膨式太阳能热泵的 系统结构、热力性能、工质特性、运行控制、计算机模拟到经济性分析等多方面进行了 研究。以下从上述六个方面对直膨式太阳能辅助热泵技术加以总结。 3 1 系统结构 直膨式太阳能辅助热泵的系统形式一般有分体式和整体式两种。所谓分体式，是指 将太阳能集热蒸发器单独布置，与其它部件通过制冷管路连接。这种形式的最大优点 在于集热蒸发器的布置非常灵活，其余部件可整体放置室内便于系统控制和维修，因 而被大多数实验系统所采用。“2 。“”“2 7 2 “4 “3 。3 2 ”3 。整体式是将太阳能集热蒸发器、冷 凝器及压缩机等系统部件集成一个整体，其优点在于所有部件均可在工厂装配完毕，节 省了安装费用，但是整个装置必须放置在室外或屋顶之上以便充分地接受太阳辐射能 。”“+ “。冷凝器与储热水箱的连接方式也各有不同，有通过在冷凝器与储热水箱之间 附加一个循环水泵来达到互连的，有将冷凝器直接装入储热水箱。2 2 “”1 或将冷凝盘管环 绕在水箱外壁上的。，也有在储热水箱外壁上附加一个热虹吸冷凝换热器的。3 “”1 。 另外，为了增加系统的换热量，将系统一个冷凝器冷凝的负荷变为由低、中、高压三级 冷凝来完成e ”。 在直膨式系统中太阳能集热蒸发器通常工作在环境温度上或低于环境温度，集热器 的散热损失很小，吸热量不仅来自于太阳辐射而且可以来自于环境空气，因此绝大多数 系统采用了无玻璃盖层、无保温的裸板集热器，从而在提高了热效率的同时减少了系统 初投资的造价。k r a k o k 和l i n 通过实验和理论研究证明在寒冷地区宜采用带有盖层的集 热器，而在气候温暖地区采用裸板集热器可能更有利“1 。太阳能集热蒸发器大多为管 板结构或铝复合板式结构。i t o 等对集热蒸发器的结构参数( 面积、板厚、管间距等) 进行了优化分析，指出热泵c o p 随集热面积的增大而增大，但对于具有额定容量的压 缩机，进一步增加集热器面积带来的c o p 增长非常小：对于厚度大于0 5 m m 的铜板， 厚度对c o p 的影响非常小，而对于热传导率为铜的1 7 的铁板，当厚度大于2 m m 时厚 度的影响才减小；当管间距由5 0 m m 增加到1 9 0 m m 时，对于铜板、铝板和铁板，c o p 分 云南师范大学硕士论文 别减少4 、7 和2 0 。c h a t u r v e d i 等对两种结构类型( 蛇形管板、平行管束板) 以及 三种组装形式( 底部保温、单层玻璃加底部保温、裸板) 的太阳能集热蒸发器进行了 理论分析。结果表明，当制冷剂通过并联数大于6 的蛇形管板时产生的压降小于8 0 k p a ， 而通过并行管束板的压降小于l o k p a ；采用廉价的裸板形式也具有较高的c o p 和集热器 效率“0 3 。云南师范大学太阳能研究所的唐润生等就集热器的外型和倾角进行了理论与实 验分析，指出圆形或拱行的集热器在干燥的热带地区较平板的集热器其日热流量高出 4 0 “”1 ，同时指出集热器的倾角与当地气候条件，地理纬度和使用期间有关，如昆明地 区，全年的固定集热器的倾角应为地理纬度加4 “，因此本课题所设计的圆台型直膨式 太阳能热泵热水系统其蒸发集热器的倾角为3 0 ”。 3 2 热力性能及其影响因素 直膨式太阳能辅助热泵系统热力性能的诸多影响因素可大致分为三种，即结构参数 的影响，运行参数的影响，气象参数的影响。 3 2 1 结构参数的影响 直膨式太阳能辅助热泵系统中，蒸发器所吸收的热能大多数来自太阳能，而太阳能 随着季节、早晚时差的不同而不同，而压缩机的容量又是额定的，因此c h a t u r v e d i 等 指出，在其它条件一定的情况下，集热器吸热量与压缩机容量是否匹配直接影响着系统 的工作性能“0 1 。由于系统通常是在非设计工况下运行，按设计工况确定的集热器面积与 压缩机容量往往是不匹配的，因此研究人员建议在系统设计时采用双变频或多变频压缩 机，通过改变压缩机容量来解决非设计工况下的不匹配问题，并对此进行了理论和实验 研究。“”3 。其中，c h a t u r v e d i 等对采用变频压缩机的直膨式辅助热泵热水器进行了 全年预测，指出针对不同季节的气象条件，压缩机频率存在不同的最佳值以兼顾热泵 c o p 及集热器效率，通过适时改变压缩机频率可使系统达到最佳的全年工作性能嘶。 3 2 2 气象参数的影响 直膨式太阳能热泵热水系统主要的能量来源有：太阳能的直接照射，空气中的热 量，空气中水分在蒸发器上凝结放热等。从其热源可知，系统的热性能强烈地依赖于太 阳的辐照强度、环境温度、室外风速、大气湿度等气象参数，而太阳能本身所固有的间 断性和不稳定性等特点是太阳能利用装置达到实用化目的所必须克服的难题之一。为了 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 缓减太阳能的不稳定性，国内外学者对相变储热材料及其装置进行了大量的研究“” 3 2 3 运行参数的影响 运行参数包括蒸发温度、过热度、冷凝温度、过冷度、管路中的压力降、传热器的 传热温差及其传热效率等。通过热泵工作原理可知，当蒸发温度为定值，降低冷凝温度， 制冷机的制冷量增加，增大制冷系数，从而增大系统的制热系数。过热度是系统的不良 因素，而过冷度是有利因素，因此直膨式太阳能热泵中可以通过增加冷凝器的传热面积 来实现制冷剂的过冷，不过这样增加初投资和设备运行费用，因此应进行全面的经济技 术分析比较；过热度对系统性能的提高是不利因素，在吸气管道上敷设隔热材料，以减 少有害过热，从而达到增大系统制热系数的目的。传热温差的存在使系统的制冷系数下 降，从而制热系数相应降低，因此蒸发集热器和冷凝器的材质一般采用热传导性能好的 铜质材料，尽量减少传热温差对系统性能的影响。传热器的传热效率直接影响系统的热 力性能“”。 3 3 工质特性 直膨式太阳能热泵热水系统常用工质是r 一1 1 ，r - 1 2 ，r - 2 2 等卤素( c f c s ) 工质，但 其臭氧破坏能力( o d p ) 和温室效应( g w p ) 已得到了全球的广泛重视，世界各国纷纷签 署了各种国际法规和协议来限制并最终于2 0 1 0 年废除r 1 1 、r 1 2 、r 1 1 3 、r 1 1 4 、r 1 1 5 等 c f c s 的使用，而目前已被广泛使用的r 2 2 ( h c f c ) 也将于2 0 4 0 年被全面废除。c f c s 制 冷介质的替代物可以分为两组：短期替代工质和长期替代工质。短期替代工质有：h c f c s 和h f c s 如r 一2 2 ，r - 1 2 4 ，r - 1 3 4 a ，这些工质有较低的o d p ，但还是有较高的g w p ；长期 替代工质是非卤素自然工质，如c 0 ：，他们有着很低几乎为零的o d p 和g w p 4 6 o 国际制 冷学会在1 9 9 8 年6 一1 2 月曾进行了热泵新替代制冷剂的调研结果为：低温热泵越来越常 用的是r 4 0 4 a ；中温热泵较多使用r 4 0 7 c 和r 1 3 4 a ，西欧的德国和奥地利主要使用丙烷 工质。一些新的替代工质混合工质r 2 2 r 1 4 2 b 、r 1 2 3 r 1 3 4 a 及r 2 2 r 1 5 2 a r 1 1 4 等 也已经陆续被各种制冷装置所采用。如a z i z 等利用两相流模型对采用混合工质 r 1 2 3 r 1 3 4 a 的直膨式太阳能辅助热泵系统进行了热力学分析，并讨论了集热器质量流 量、运行压力、集热管直径和太阳能集热量对集热管长度、换热系数以及管内制冷剂温 度分布的影响。结果表明，质量流量和太阳能吸热量的变化对集热管长度和制冷剂换热 云南师范大学硕j 论文 系数有较大影响，集热管内径和集热器压力对集热器尺寸的影响不大而对制冷剂换热系 数有明显影响，而蒸汽质量在绝大部分管段内逐步增加，仅在出口管段内迅速增大5 “， h z a b o u z i y a n 等将相关系数高达0 9 9 的r 2 2 ，r 4 0 4a 和r 1 3 4a 在蒸发温度o 一4 5 ，冷凝温度在5 0 7 0 。c ，空气质量流量在i 0 0 0 2 0 0 0 k g h 的范围内就系统的c o p 值做 了对比，得出r 1 3 4 a 系统的c o p 值高出r 4 0 4a 的2 3 “”。天滓大学的赵军等从理论上分 析了以r 1 3 4 a 作为工质的直膨式太阳能辅助热泵系统的性能，并与采用r 1 2 的结果进行 了比较，指出了r 1 3 4 a 应用于此类热泵后，尽管性能系数c o p 比r 1 2 的略低6 左右，但 压缩机排气温度会更低一些，这将有利于压缩机的冷却和良好运行，并且在较宽的环境 温度、冷凝温度和太阳能辐照度范围内，采用r 1 3 4 a 作为工质热泵c o p 也可达到4 6 5 m 1 。w w s c h a r t e r s 等对工质r 一1 2r 一2 2r - 1 3 4 ar - 4 0 7 cr - 2 9 0r - 7 1 7 的特性做了 对比，其结果如表4 “” 表4 制冷剂的特性 r - 1 2r - 2 2 r 1 3 4 ar 4 0 7r 2 9 0r 7 1 7 制冷工质 c f c h c f ch f ch f c sh ca m m o n i a 分子式c c l 2 f 2c h c i f 2 c h 2 f c f 3 c h 2 c h 3 c h 3 n h 3 分子量1 2 0 9 28 6 4 61 0 2 3 4 4 11 7 0 3 o d p ( 臭氧消耗) 0 9 5 0 0 5 5 o0o0 g m p ( 温室效应)3 1o 3 6o 2 50 3 9 00 e a l 在大气中生命力( 年) 1 2 l1 51 62 8o0 o 。c 时的v r c ( 体积比容) ( m 3 k g ) 2 7 4 04 3 4 42 8 6 03 8 7 04 3 6 0 价格相对值 1l3 53 50 10 2 是否自然物 否否否否是 是 有无毒性有有有有有无 易燃性不易不易不易不易不易易 圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究 3 4 运行控制 直膨式太阳能辅助热泵的运行控制主要是使系统在兼顾热泵c o p 和集热器效率的 同时，热泵蒸发温度保持在一定的温度范围内，从而解决系统在非设计工况下太阳能集 热蒸发器面积与压缩机容量的匹配问题。c h a t u r v e d i 等认为，为了达到较高的集热器 效率和热泵性能，集热蒸发温度应保持在大于环境温度5 i o 。c 的范围内“5 1 ”1 。台湾大 学的黄秉钧等则认为，从工程角度看，系统匹配问题应包括效率和可靠性两个方面，而 系统可靠性主要受压缩机工作温度的影响，尽管提高蒸发温度对提高系统c o p 有利， 但可能使压缩机排气温度超过允许范围，因此使系统工作在蒸发温度低于环境温度的工 况下，既可以降低压缩机排气温度( 1 0 0 * c ) ，又可以获得太阳能和空气两个热源。 对于系统的运行控制，主要有以下几种方式： 3 4 1 压缩机容量控制 根据不同工况，采用变频器来调节压缩机容量，以达到系统的合理匹配和稳定运行。 如c h a t u r v e d i 等为了保证集热蒸发温度高于环境温度5 1 0 的温度范围，对采用双变 频压缩机的三种控制方案进行了理论分析，得出夏季适当降低压缩机频率可明显提高热 泵c o p ，并满足热负荷的需求。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( 2 5 ，2 0 ，1 2 ) 和 太阳辐射强度( 4 0 0 1 i o o w m 2 ) 的压缩机变频范围( 4 0 7 0 h z ) ，以保证热泵c o p 大于 3 0 或2 5 。”。此外，h a w l a d e r 等也在他们的实验装置中采用了变频压缩机，并研究了 压缩机频率对热泵c o p 和集热器效率的影响1 。国内天津大学的赵力，张启关于压缩 机频率和热泵主要参数之间的关联也进行了理论和试验研究。”。 3 4 2 节流( 循环流量) 控制 根据不同工况，采用节流机构在线调节系统循环流量，以使直膨式太阳能辅助热泵 系统经常在最佳状态运行。如黄秉钧等对整体式太阳能辅助热泵热水器( i s a h p ) 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，通过调整膨胀阀的开度来调整系统制冷剂的流量来达到，可以采用温差或压差 控制的方式来调节膨胀阀的开度，如采用带控制器的电子膨胀阀机构，以使i s a h p 的 c o p 经常处于最佳值。5 1 。 云南师范大学硕士论文 3 4 3 运行时间控制 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，可使热泵 性能得到改善。如m o r r i s o n 模拟分析了整体式太阳能热泵热水器在三种热泵运行时间 控制方案下系统的全年工作性能，得出在非受控方式下，系统夜间运行时间相当长( 2 4 空气源) ，使得系统性能不及常规空气源热泵：将压缩机运行时间限制在白天 ( 6 ：o o a m 6 ：o o p m ) ，系统性能得到了改善；将运行时间限制在中午( 1 0 ：o o a 【l 卜4 ：o o p m ) ， 系统性能得到显著改善”“。显然，这种控制方式只适用于热负荷需求不大，并且带有较 大蓄热装置的系统。 3 4 4 太阳能集热蒸发器控制 除了以上的控制方法，还可以通过改变集热器面积的方法来达到蒸发器的吸热量与 压缩机容量相匹配的要求，0 d e l l 等考虑将无玻璃盖层与有玻璃盖层的集热器在同一 系统中使用，当蒸发温度低于环境温度时采用对流换热系数较大的无玻璃盖层集热器， 反之采用保温性能更好的有玻璃盖层集热器。理论分析表明，采用了集热器控制，系统 性能比集热器单独使用时得到了改善。“。也可以将两种结构不同、功能互补的集热器或 蒸发器组合起来使用，如k r