太阳能空气源热泵热水系统

大学学士学位论文 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题 目太阳能辅助空气源热泵热水供应系统设计 学 院 名 称 机械电子工程学院 专 业 班级 热能与动力工程 学 生 姓名 学 号 指 导 教 师 填表时间 2014 年 月 日 大学学士学位论文 摘要摘要 目前 太阳能辅助空气源热泵热水系统已经在建筑中得到广泛推广 太阳能辅助空气源热泵系统实现了空气和太阳能两种可再生能源的综合利 用和优势互补 是一种高效洁净的新型热水制备方式 本设计在简述国内外太阳能辅助空气源热泵系统研究的基础之上 设 计了满足该居民楼全年供应热水要求的太阳能 空气源热泵热水供应系统 运行方案 设计了平板型太阳能集热器 对热泵系统中 建立压缩机 冷 凝器 蒸发器 膨胀阀数学模型 并编制了冷凝器 蒸发器的仿真程序 最后对系统进行经济性分析 其中重点是冷凝器 蒸发器的结构设计 以 及仿真编程和系统的经济性分析 本设计设计的太阳能空气源热泵热水供应系统中 包括太阳能热水供 应回路和空气源热泵热水供应回路 太阳能优先供应热水 当太阳能供应 不足时 空气源热泵再供应热水 最大化的使用太阳能 对系统进行经济 性分析 计算出传统方式和本系统的全年总费用 初投资 得出投资回收 年限 表明该系统具有节能 经济的优势 关键词 关键词 太阳能 空气源热泵 蒸发器 冷凝器 性能分析 大学学士学位论文 ABSTRACT Now the solar assisted air source heat pump hot water system has been widely spread in the building Solar assisted air source heat pump system realized the utilization and complementary advantage of two renewable energy air and solar being a new and high efficient preparation method This design introduces the solar assisted air source heat pump system at home and abroad research Operation scheme of solar hot water air source heat pump hot water supply system meet the residential building year round water supply This subject also designed a flat solar collector and established mathematical model of compressor condenser evaporator expansion valve This paper compiles the condenser evaporator simulation program Finally the design makes analysis efficiency of system which focuses on the simulation programming and the structure design of the condenser and evaporator and systems analysis of the economy Solar air source heat pump hot water supply system designed in this paper composed of the solar hot water supply loop and air source heat pump hot water supply loop Solar energy supply hot water first When the solar energy supply is insufficient the air source heat pump supplies hot water System is maximize used of solar energy to achieve the purpose of energy saving Economic analysis calculates total cost of the traditional way and the annual then we get it s the investment recovery period Above all results indicated that the system has the energy saving and being economical Key words Solar energy Air source heat pump Evaporator Condenser Performance analysis 大学学士学位论文 目目 录录 摘要摘要 2 2 ABSTRACT 3 3 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 本课题的研究目的及意义 1 1 2 太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状 2 1 3 本设计的主要研究内容 4 2 2 太阳能辅助空气源热泵热水系统方案太阳能辅助空气源热泵热水系统方案 6 6 2 1 太阳能辅助空气源热泵热水系统要求 6 2 2 热水供应系统方案设计 7 2 3 本章小结 9 3 3 太阳能集热器数学模型及结构设计太阳能集热器数学模型及结构设计 1010 3 1 设计参数 10 3 2 平板型太阳能集热器的数学模型 11 3 3 平板型太阳能集热器结构 18 3 4 本章小结 19 4 4 热泵装置各部件数学模型热泵装置各部件数学模型 2020 4 1 压缩机数学模型 20 4 2 蒸发器数学模型及仿真 24 4 3 冷凝器数学模型及仿真 33 4 4 膨胀阀模型 40 4 5 辅助电加热器的选取 42 大学学士学位论文 4 6 本章小结 42 5 5 系统节能性和经济性分析系统节能性和经济性分析 4343 5 1 系统的节能性分析 43 5 2 系统的经济性分析 45 5 3 本章小结 46 6 6 总结与展望总结与展望 4747 参考文献参考文献 4949 致谢致谢 5151 附录一附录一 5252 英文翻译 52 附录二附录二 6767 蒸发器仿真程序 67 大学学士学位论文 0 1 1 绪论绪论 进入 21 世纪世界对能源的需求越来越大 然而化石能源 如煤炭 石油 天然气等 面临枯竭的困境 并且化石能源的燃烧也会对大气造成 污染 因此开发研究新型能源和可再生能源是当前重重之重 太阳能作为 最常见 最清洁的能源是首选的新能源 空气源热泵将低位能转变成高位 能 节能清洁 本设计所研究的太阳能空气源热泵热水系统不仅具有节能 清洁的有 点 而且还能节约费用 在以后会用更广泛的用途 1 11 1 本课题的研究目的及意义本课题的研究目的及意义 我国主要是用煤炭 燃油 燃气 电锅炉等形式提供商业建筑热水 主要采用电热水器 燃气热水器 太阳能热水器等形式提供民用建筑热水 我国能耗利用率不高 建筑能耗约占总能耗的 30 其中商业建筑热水能 耗占总能耗 20 一 40 民用建筑热水能耗占 20 1 所以 在建筑节能 工作和提高社会能源使用率上 降低传统燃煤供暖所造成的大气污染 减 少建筑能耗 大力推广及使用清洁能源是顺应时代的趋势 对我国缓解和 解决大气污染具有重要意义 2 从利用热能角度 采用电力 燃气 燃油等高品位热源的热水器 虽 然加热效率较高 但实际加热过程中伴随着巨大的熵增损失 将热泵技术 和太阳能热利用技术有机结合起来 以空气源热泵作为传统太阳能热水器 的辅助热源 来保证太阳能热水器的全天候工作 在我国 对于太阳能资 源十分丰富的地区而言 这项课题具有一定的实用价值和现实意义 太阳 能热水器具有节能及环保等优势 在太阳能资源较丰富的地区得到了一定 的应用 但常规太阳能热水器易受气候的影响 不能全天候运行 热泵作 为一种高效节能装置 其应用逐渐普及 将热泵节能技术与太阳能热水系 大学学士学位论文 1 统有机地结合起来 可弥补后者的不足 并实现其高 全天候运行 对节 能 环保都有重要的意义 3 1 21 2 太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状 太阳能 空气源热泵在建筑中的应用已经得到了广泛的推广 这符合 走可持续发展道路 节约能源 环保的政策 我国地域广阔 蕴藏这丰富 的太阳能资源 因地制宜的在不同的建筑采用不同形式的太阳能 热泵系 统 可有效地促进建筑节能水平的提高和人民生活水平的改善 既节约的 能源 有保护了环境 符合国家资源和环境战略 太阳能热泵有巨大的发 展前景 太阳能集热器本身具有受环境影响大 有间歇性的特点 它与空 气源热泵相结合能充分克服太阳能本身的这些缺点 而且还可以达到节约 高位能和减少环境污染的目的 具有很大的开发 应用潜力 1 2 11 2 1 国内外太阳能国内外太阳能 热泵系统研究现状热泵系统研究现状 国外关于太阳能和热泵联合的研究 可以追溯到 20 世纪 50 年代由 Jordan 和 Therkled 提出早期太阳能热泵系统的研究主要集中在民用建筑 或公共设施供热这样的大型系统 4 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 Chandrasekhar 5 等人根据加拿大 七个代表性城市的天气资料 对多种不同结构型式的太阳能热泵热水系统 进行了室内供暖及供热水的性能模拟 Macarthur 6 对串联式太阳能热泵进 行结构优化 并对其投资回收期进行了计算 研究结果表明 太阳能热泵 储热器的容量和太阳能集热器的面积是太阳能热泵设计的重点考虑因素 储热器容量和太阳能集热器过大或过小都会极大降低太阳能热泵的经济性 同时给出当地条件下 对于 90m2的供热面积 最理想太阳能集热器面积 的储热器容积分别为 30 m2和 3 5 m2 在大规模应用方面 国外的研究侧重于与建筑结构及目标对象相结合 大学学士学位论文 2 包括 以空气源热泵作为住宅的供暖 冷 机组的研究 在大型建筑物或建 筑群的供暖 冷 的研究 在室内或室外露天游泳池中的应用研究 在建筑 物余热 排风废热 回收与利用中的应用研究 对冷凝废热回收与利用中的 应用研究 人工冰场和游泳池相结合的系统研究以及该技术在工农业中的 应用等 美 日 西欧都是热泵主要的应用国家 但他们热泵的发展模式 却不尽相同 美国热泵行业的发展主要以单元式热泵空调为先导 生产以 空气作为低位热源的单元式热泵空调机组 此后又在空气 空气单元式热 泵空调机组的基础上又开发了应用于商业建筑的空气 水热泵和水环热泵 系统 我国对太阳能热泵热水系统的研究起步比较晚 大部分研究集中于直 膨式 而并联式即空气源热泵辅助太阳能热水系统的研究比较少 国内研 究者对于并联式空气源热泵辅助太阳能热水系统的研究主要有 刘业凤 7 等针对现有的太阳能热泵随太阳能辐射强度变化导致系统不 稳定的问题 提出了一种太阳能空气双热源式热泵及热水系统 实现夏季 供冷 冬季采暖和全年供生活热水的功能 此系统有环保节能和运行稳定 的特性 但是系统无法实现太阳能热泵和空气源热泵同时运行 当太阳能 热泵热量不能满足需要的时候使用电加热 王燕俊 8 的太阳能复合热水系 统设置了两个冷凝器 普通空冷冷凝器实现热泵空调器的制冷 制热功能 另外一个水冷冷凝器将热泵热水系统和太阳能热水系统结合 利用太阳能 和热泵的优势生产热水 此系统可以实现制冷 供暖 制备热水同时进行 实验结果表明 系统运行时 适当增加循环水量 在满足水负荷的前提下 降低热水终温 可有效提高系统整体性能 若使用变频压缩机和电子膨胀 阀 不同的工况下实时调节制冷剂的冷量 也可以提高系统整体性能 马伟斌 9 等提出太阳能 空气双热源热泵中央热水系统在太阳能与热 泵结合方面做了很好的尝试 系统可有效解决北方寒冷地区太阳能全年稳 大学学士学位论文 3 定供热水问题 对太阳能空气双热源热泵中央热水系统的原理 特点和应用 前景作了详细的论述 卢春萍 10 等对太阳能 空气源热泵并联供热系统的 主要附件建立热力模型 利用 VC 语言开发了该供热系统的运行模拟软 件 通过模拟来预测该太阳能系统的运行情况 使设计人员对该系统的动 态特性有一个较全面的了解 通过模拟得出 在我国北方比较干燥的地区 使用蒸发式制冷新风机组 将极大地减少初投资和设备的运行费用 上海理工大学教授丁国良 11 对制冷空调装置智能仿真深入研究 提出 制冷系统从部件到整体装置的建模与求解方法 基于现代控制理论的空调 动态负荷计算理论 以及基于模型的智能化仿真 促进了国际制冷界的设 计方法的现代化 林康立 12 通过对某办公楼太阳能和空气源热泵中央热水 系统工程的研究 说明了在热水系统中太阳能与空气源热泵结合可以取长 补短 实现全年全气候供应热水 节能效果明显 环保和减排效果也较好 但是初投资增大 适应范围也有限 太阳能空气源双热源复合热泵将风冷热泵技术和太阳能热水技术有机 结合 突破了风冷热泵系统低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷 充 分利用太阳能和空气能等绿色新能源 可以实现夏季供冷 冬季供暖 全 年提供生活热水等多工况运行 充分满足人们生活的需求 操作灵活方便 能够产生更经济的效益 但是这种热泵在我国的使用还不是很广 主要是 设备比较复杂 初投资较大 另外只能实行切换式运行 不能同时吸收太 阳能和空气的热量 所以如果想大面积推广使用 还需要降低成本 提高 能源的利用率 1 31 3 本设计的主要研究内容本设计的主要研究内容 设计的太阳能辅助空气源热泵热水系统是满足居民生活热水需求 实 现节能经济的特点 设计系统包括太阳能热水循环和热泵热水循环 系统 大学学士学位论文 4 满足 24 小时不间断供应热水 具体内容 1 设计太阳能辅助空气源热泵热水系统的方案 简述其工作原理 和控制方案 2 建立平板型太阳能集热器数学模型 并进行结构计算 计算太 阳能集热器的热效率和系统的太阳能保证率 3 建立压缩机的数学模型 并依据系统的需求经行选型 建立膨 胀阀的数学模型 并进行选型 4 建立蒸发器 冷凝器数学模型 用 VB 语言编蒸发器 冷凝器 的仿真程序 对蒸发器 冷凝器进行模拟仿真和分析 5 对设计系统进行经济性和节能性分析 通过与传统方式的对比 得出设计系统的节能 经济的优点 大学学士学位论文 5 2 2 太阳能辅助空气源热泵热水系统方案太阳能辅助空气源热泵热水系统方案 2 12 1 太阳能辅助空气源热泵热水系统要求太阳能辅助空气源热泵热水系统要求 2 1 12 1 1 热水供应系统的功能要求热水供应系统的功能要求 根据冬季济南某小区一栋楼居民生活用热水的需要 本文设计的太阳 能 空气源热泵热水系统满足该栋居民四季正常生活用热水 如洗澡 洗 手 厨房用水等 系统供应热水必须是 24 小时连续 另外 还要满足当 太阳能供应不上或供应不足时 热泵单独运行能满足居民的正常生活用水 考虑特殊情况 当热泵也无法工作时 使用电加热的方式供应热水 本课题供应热水运行模式系统是基于济南某小区一栋居民楼居民热水 的需求进行的 1 一栋五层居民楼 每层六户 每户大约 80m2 楼顶平面积为 480 m2 2 每户按照 4 口人计算 一共 120 人 3 系统的应用地点选在山东省济南市 2 1 22 1 2 热水供应系统构建要求热水供应系统构建要求 借鉴现在很多热水供应系统的装置都放置在楼顶 特别是学校的澡堂 宾馆 这样既美观又减小了占地面积 本课题设计的太阳能 热泵热水系 统中的太阳能集热器 热泵 恒温水箱 储热水箱放置在居民楼的楼顶 这样可以不用再使用泵将热水打到每户 减少初投资 如果居民楼楼顶是 阁楼式的 便在楼顶搭建铁架 支撑太阳能集热器 热泵 供热水的管道必须用保温材料包裹好 以避免在热水运输工程中的热 量的损失 特别是在冬季 太阳能集热器最好的朝向是正南 北半球面向 正南接受太阳能最多 但是如果居民楼建筑特殊 允许南偏东或者南偏西 大学学士学位论文 6 10 15 储热水箱尽量靠近太阳能集热器 13 2 22 2 热水供应系统方案设计热水供应系统方案设计 根据太阳能辅助空气源热泵热水系统运行模式功能要求 构建要求及 主要设计参数资料 依据易实现 构造简单 投资成本低的原则 参考了 一些成功的案类资料和经验 设计本文系统运行方案 2 2 12 2 1 系统组成系统组成 本文设计系统有两个子循环回路组成 太阳能集热器热水循环回路和 空气源热泵热水循环回路 太阳能集热器热水循环回路主要由太阳能集热 器 温度传感器 水泵 控制器 储热水箱 恒温水箱 空气源热泵热水 循环回路由蒸发器 压缩机 冷凝器 热力膨胀阀 循环水泵等组件组成 太阳能 空气源热泵热水系统原理图如 2 1 所示 储热水箱 恒温水箱 生活供水 辅助电加热器 太阳能集热器 自来水 冷凝器 膨胀阀 压缩机 蒸发器 空气 图 2 1 系统原理图 大学学士学位论文 7 2 2 22 2 2 系统工作原理系统工作原理 该热水供应系统当晴天的时候太阳能集热器工作产生热水 利用水泵 使热水在储热水箱和太阳能集热器之间循环 不断加热 储热水箱中的水 达到设定温度时进入恒温水箱 恒温水箱中的水保持恒定温度 并提供给 用户使用 自来水直接供应给储热水箱 以便自来水在太阳能集热器和贮 热水箱循环时加热 当白天阳光不足 晚间或者阴雨天时 太阳能集热器 不能供应足热水时 空气源热泵就工作产生热水满足要求 冷凝器与恒温 水箱组成一个热水循环回路 不短加热热水 保持恒温水箱的水温 热泵内的循环 制冷剂 R22 在压缩机中被压缩成高压高温的过热 气态 进入冷凝器中 与水换热 将水加热到所需要的温度 换热后的制 冷剂再进入热力膨胀阀 等焓降压 之后再进入蒸发器中 吸收空气的热 量蒸发成气态 最后又进入压缩机 完成整个循环 此外 在恒温水箱内还用电加热器 避免当太阳能集热器和空气源热 泵都无法工作供应热水的情况 当恒温水箱中的水温度达不到时 电加热 器直接加热恒温水箱内的水 保持恒温水箱内水温恒定 2 2 32 2 3 热水供应系统运行方案热水供应系统运行方案 设计的太阳能辅助空气源热泵热水系统能够满足一天 24 小时不间断 供应热水 储热水箱中有温度传感起和水位传感器 储热水箱中有一个温 度设定值和水位上限值 水温下限值 恒温水箱中也有温度传感器和水温 传感器 但是恒温水箱中温度有三个设定值 设定值 1 设定值 2 和设定 值 3 和水位上限值 水温下限值 晴天时 早上太阳能集热器还无法正常工作 不能将水温加热到居民 所需的温度时 空气源热泵便开始工作 加热水直到设定温度 3 当太阳 能集热器能正常工作 将储热水箱中的水温加热到设定温度时 热泵停止 运行 便由太阳能集热器供应热水 下午太阳辐射变弱 不足以使太阳能 大学学士学位论文 8 集热器加热水温到所需的值 恒温水箱中的水温会下降 低于设定值 1 时 空气源热泵便开始工作 晚上太阳能集热器无法工作 只能由空气源热泵 供应热水 阴天时 太阳能集热器无法正常工作 只能由空气源热泵来供应热 此时 储热水箱和恒温水箱之间的阀门关闭 只有当恒温水箱中的水位定 于上限水位时 储热水箱中的水才进入恒温水箱 保持恒温水箱的水位 储热水箱中的水位传感器 当储热水箱中的水位低于设定值时 自来 水自动加水 储热水箱中的温度传感器用来 当太阳能集热器把储热水箱 中的水加热到设定的温度值时 储热水箱与恒温水箱之间的阀门打开 储 热水箱的水流入恒温水箱 恒温水箱中的温度传感器用来 当恒温水箱中 的水低于设定值 1 时 空气源热泵运行 加热恒温水箱中的水到设定值 3 以保持恒温水箱水温恒定 当恒温水箱中的水低于设定值 2 时 恒温 水箱中的电加热器工作 直接加热恒温水箱中的水到设定值 3 维持水温 储热水箱中的水位传感器 自来水管道上的阀门与水位传感器相连 当储热水箱中的水位低于下限的设定值时 阀门打开 储热水箱自动加水 水位达到水位上限值时 阀门关闭 恒温水箱中的水位传感器与储热水箱 水位传感器作用相同 当水位低于下线设定值时 储热水箱连通恒温水箱 的阀门打开 给恒温水箱加水 恒温水箱中的水位传感器是优先与温度传 感器的 就是当水位传感器低于设定值时 不论水箱中温度如何 都要给 恒温水箱加水 冬天出现及低温的时 空气源热泵可能会结霜 而无法正常工作 电 加热器就会工作 保证居民正常使用热水 设计系统除了正常使用的热泵 以外还有备用的 防止当工作中热泵出现故障无法正常供应热水的情况 大学学士学位论文 9 2 3 本章小结本章小结 本课题研究的是太阳能辅助空气源热泵热水系统的装置设计 先进行 系统的设计 了解本课题系统的基本功能要求和运行模式 设计是基于初 始设计参数 进而设计或选型各个装置 3 3 太阳能集热器数学模型及太阳能集热器数学模型及结构设计结构设计 3 13 1 设计参数设计参数 3 1 13 1 1 热负荷计算热负荷计算 1 济南地区气象资料 年平均气温 14 7 季节日平均气温 夏季 6 月 8 月 92 天 26 7 春秋季 3 月 5 月 9 月 11 月 一共 183 天 15 5 冬季 12 月 2 月 90 天 1 5 最高月平均气温 27 5 最低月平均气温 0 4 该地区年日照时间 2616 8h 太阳能年总辐射量 5016 5852W m2 y 日照百分率 47 62 2 自来水温度 春季 15 夏季 22 秋季 15 冬季 2 3 日用热水量 21 6t 其中人的洗浴 70 150L 人 厨房 50 80L 人 衣物洗涤 20 40L 人 室内卫生用水 10 30L 人 14 4 日用热负荷 按冬季平均日气温 1 上水温度 2 热水温度 45 大学学士学位论文 10 3889 574MJ 21 t tm cQ 式中 t1 2 热水温度 自来水温度 3 1 23 1 2 恒温水箱容积计算及材料选择恒温水箱容积计算及材料选择 1 居民用热水高峰时段为晚上 7 00 10 00 共 3 个小时 2 热水供应系数为 0 75 12 3 高峰时段总的用水量 每个人洗浴取 100L 厨房没人用水 50L 计算的用水量为 13 5m3 4 恒温水箱容积选取 13 5 长 宽 2 6 2 6m 高为 2m 5 恒温水箱由外壳 内胆 保温层组成 外壳对恒温水箱保温材料 等起防护作用 并对水箱起支撑作用 本课题设计的恒温水箱外壳选用 201 不锈钢 厚度为 1mm 内胆决定水箱耐压程度和寿命 选用 304 不锈 钢 厚度为 1 5mm 保温层在外壳与内胆之间 起减少热损失的作用 保 温 24h 热水温度的下降应不大于 4 本设计选用聚氨酯保温层 厚度 为 50mm 15 3 23 2 平板型太阳能集热器的数学模型平板型太阳能集热器的数学模型 平板型太阳能集热器主要由吸热板 透明盖板 保温层 壳体等几部 分组成 保温层 壳体 吸热板 透明盖板 图 3 1 太阳能集热器结构图 大学学士学位论文 11 为了便于对系统进行理论分析 建立数学模型时作如下假设 1 系统处于热平衡状态 2 吸热板的厚度很小 沿厚度方向的温度梯度可以不考虑 3 流体在管内的流动是均匀的 4 在传热过程中 认为储热水箱的水温保持均匀一致 5 集热器与储热水箱之间的管路损失不记 6 在每个小时的时间间隔内 认为系统处于准静态过程 7 通过集热器透明盖板的热流是一维的 8 通过集热器透明盖板的降温是可以忽略 9 通过集热器背部隔热材料的热流是一维的 10 天空可以认为是一个在等效天空温度在发射长波辐射的黑体 11 通过集热器前面和背面的热损失都对于同一环境温度 12 集热器四周的壳体在吸热板上的阴影是可以忽略 13 热物性与温度无关 3 2 13 2 1 平板型太阳能集热器能量平衡方程平板型太阳能集热器能量平衡方程 分析平板型太阳能集热器的热物性能主要建立在热力学第一定律基础 之上进行 平板型太阳能集热器吸热板吸收太阳辐射的能量 其中一部分 被太阳能集热器热流带走 另一部分通过集热器结构散失到环境中 集热 热流带走的能量成为太阳能集热器的有用热量 散失到环境中的热量成为 热损失 图 3 2 所示为平板型太阳能集热器的能量平衡图 大学学士学位论文 12 Qu Qcl Qa 图 3 2 太阳能集热器能量平衡图 其能量平衡关系可以用数学方程表示为 15 clua QQQ 3 1 式中 Qa 单位时间内集热器吸收的太阳能辐射能 W 单位时间内集热器的有用输出能量 W u Q 单位时间内集热器的能量损失 W cl Q 其中 Qa可用下式计算 16 3 2 e cca AIQ 式中 集热器集热面积上的太阳能辐射强度 W m2 c I 集热器集热面积 m2 c A 有效透过 吸收积 在实际应用中可以近似取为 e 1 02 其中 为透明盖板的透过率 为集热器吸热板涂层的吸收 率 3 2 23 2 2 平板太阳能集热器总热损失系数平板太阳能集热器总热损失系数 太阳能集热器热损失主要由地步散热 侧面散热和顶部散热三部分组 大学学士学位论文 13 成 Ue Ue I Ut Ub 图3 3 太阳能集热器热损失图 即 3 3 tbecl QQQQ 又 3 4 apclccl T TUAQ 其中 tebcl UUUU 3 5 式中 底部热损失系数 W m2 K b U 侧面热损失系数 W m2 K e U 顶部热损失系数 W m2 K t U Tp 吸热板的温度 Ta 盖板的温度 1 底部热损失系数 15 b U 3 6 b U 21 RR 1 大学学士学位论文 14 式中 集热器背部隔热材料的导热热阻 m2 K W 1 R 集热器壳体底部与环境之间的对流换热热阻 m2 K 2 R W 2 侧面热损失系数 e U 对于大多数集热器 计算侧面热损失系数是非常复杂的 但是 在一 个设计良好的系统中 侧面热损失应该很小 因此不必很精确地确定它 大型集热器通常可以忽略侧面热损失 但是小型集热器的侧面热损失则不 能忽略 达菲和贝克曼指出 对于 30的集热器 其侧面损失小于顶部 2 m 和底部热损失的 1 但对于 1 2的集热器 其侧面热损失约为顶部和 2 m 底部热损失的 3 16 对于边缘热材料厚度约为地步隔热材料厚度相同的平板集热器 可将 侧面热损失作为底部热损失的一个附加因子考虑 13 侧面热损失系数表示 为 3 7 e U b U 21 213 2 l l llll b 式中 分别如图所示 1 l 2 l 3 l b l lb 宽 长 l1 l2 lbl1 图 3 4 平板型太阳能集热器隔热材料尺寸 3 顶部损失系数 大学学士学位论文 15 顶部热损失是由各平行板间的对流和辐射换热所引起的 顶部热损失 系数的确定比较繁琐 需要假定盖板的温度 然后用迭代法加以计算 t U 克雷恩于 1973 年提出了一个计算的经验公式 17 t U t U 1 31 0 1 344 w ap p h fn TT T n n fn n TTT apa p 1 pp 22 p 12 10425 0 T 3 8 在式 3 8 中 f 1 0 0 04 0 0005 1 0 058n w h w h 3 9 5 7 3 8 w h 3 10 式中 n 透明盖板的层数 环境风速 取值 2 5m s 风吹过集热器顶部盖层时的对流换热系数 W m2 K w h 斯忒藩 玻尔兹曼常熟 5 67 10 8W m2 K4 集热板的发射率 p 盖板的发射率 g 大学学士学位论文 16 上式的最佳应用条件是 320 420 K p T 260 310 K a T 0 1 0 95 p 0 10 m s 1 n 3 0 90 综上所述 3 11 cl U b U 21 213 2 1 l l llll b t U 3 2 33 2 3 平板型太阳能集热器的有用热量平板型太阳能集热器的有用热量 由 3 1 可得 3 12 ic0cllu T TcmQ 式中 集热流体的质量流量 kg s l m 集热流体的平均比热 kJ kg l c 3 2 43 2 4 平板型太阳能集热器的效率方程平板型太阳能集热器的效率方程 太阳能集热器的效率 15 c 3 12 c ap clec I T T U 若以集热器进口流体温度为计算热损失的基准 集热器效率可表示为 大学学士学位论文 17 3 13 c aP cleRc I T T U F 式中 集热器的热转移因子 R F 集热器的热转移因子是指集热器实际有用能量收益与设想整个集热器 吸热体处于进口温度下工作时的有用能量之比 16 计算公式如下 3 14 ll ccl clc ll R cm FAU exp 1 UA cm F 式中 集热器的热效率因子 F 由于影响集热器效率的因素很多 包括集热器本身结构特征 集热器 流体传热及流动特征 集热流体流量 太阳辐射强度以及室外温度和风速 等 为简化计算 在实际应用中 集热器的效率方程式通常由厂家提供或 者由集热器效率实验测定 18 集热器效率表示为 3 15 c aic c I T T B A 式中 A B 集热器的性能常数 由厂家提供或实验测的 集热器进口流体温度 ic T 环境温度 a T Ic 太阳辐射强度 W m2 3 33 3 平板型太阳能集热器结构平板型太阳能集热器结构 单个平板型集热器外形尺寸采用 GB T 6424 1997 推荐值 l1 1 5m l2 1 0m lb 40mm l3 25mm 符号意义见图 3 4 所示 本课题平板型太阳能集热器主要结构和性能参数表 3 1 表 3 1 平板型太阳能集热器结构 大学学士学位论文 18 部件名 称 部件参数形式 结构尺寸或材 质 管板铜铝复合体 吸热板 涂层 非选择性黑板 漆 数量nl 材质普通平板玻璃 透明盖 板 底部隔热层与盖板间距l325mm 材料岩棉 导热系数 0 0355W m2 k 隔热层 底部和层面隔热层厚度lb40mm 外壳材质不锈钢1 5mm 数量m6 材质铝 长度lm1460mm 翅片 宽度ln200mm 材质铜 排管 尺寸管径和壁厚 15 0 8mm 尺寸管径和壁厚 20 1mm 集管 材质铜 由 3 15 计算 44 5 c c 因为居民楼楼顶面积是 480m2 考虑面积问题 储热水箱 恒温水箱 管道 6 台热泵 所以集热器的面积为 330m2 需要 220 块集热板 济南地区日均太阳辐射量 1 92 MJ m2 h 2 24 MJ m2 h 按照每天 8 个小时太阳能能集热器吸收太阳能 15 36 MJ m2 h 17 92 MJ m2 h 计算太阳能保证率 大学学士学位论文 19 32 83 Q AI 1000 rcc1 式中 I1 每天太阳能集热器吸收太阳能 取15 8 MJ 2 m Ac 太阳能集热器面积 330m2 r 日照百分率 取 0 55 冬季时太阳能保证率为 44 76 在一个合适的范围之内 春夏秋季时 太阳光照更好 太阳能保证率会比这更高 节能的效果会更加显著 3 4 本章小结本章小结 太阳能集热器数学模型的建立依据集热器能量方程 考虑集热器的各 部分的损失 建立数学模型确定集热器的结构 得出集热器的热效率和太 阳能的保证率 4 4 热泵装置各部件数学模型热泵装置各部件数学模型 初参数 空气年平均温度为 10 自来水的年平均温度为 15 所需 的热水温度为 45 热泵工质采用 R22 R22 的质量流量为 0 0903kg s 大学学士学位论文 20 蒸发器的蒸发温度为 0 蒸发压力为 0 4977MPa 冷凝器的冷凝压力为 1 948MPa 冷凝器的冷凝温度为 50 冷凝器内水的流量为 0 154L s 4 14 1 压缩机数学模型压缩机数学模型 压缩机的种类很多 主要有活塞式 螺杆式 滚动转子式 涡旋式 离心式和轴流式等 压缩机结构复杂 建立模型时 必须按照具体种类分 别处理 制冷压缩机的建模方法一般有三种 一种是根据压缩机试验资料 得到数据进行拟合 这种方法简单并且与具体的压缩机实际情况吻合较好 但是只是针对某一型号的压缩机 适用范围较小 一种方法是将压缩机中 复杂的流动与传热过程简化成一些半经验公式计算 还有一种方法是将压 缩机气缸内的控制容积建立能量方程 质量方程和动量方程 从联立方程 中求解压缩机各性能参数 这种方法较为复杂 但是通用性较好 研究压缩机数学模型 只要能够准确计算对系统性能和其它部件有影 响的参数即可 由于压缩机对于制冷空调装置的作用是通过制冷剂的迁移 来实现的 因此最主要的参数是通过压缩机的制冷剂流量 流经压缩机的 制冷剂状态参数反映压缩机与蒸发器和冷凝器之间联系 是重要参数之一 4 1 14 1 1 压缩机数学模型压缩机数学模型 为了便于对系统进行理论分析 建立数学物理模型时作如下假设 整个压缩机过程为绝热过程 整个压缩过程为准静态过程 将所需要工况表示在图上 如图所示 根据所用工质 查出有hp lg 关特征的状态参数值 包括压力 p 比容 m3 kg 温度 T K kpa 比焓 h kJ kg 比熵 s kJ kg 为进一步分析做好准备 大学学士学位论文 21 图 4 1 热力循环示意图 1 单位工质制冷量 q0 kJ kg 410 hhq 4 1 式中 压缩机进口工质焓值 kJ kg 1 h 蒸发器进口工质焓值 kJ kg 4 h 2 单位绝热理论功 kgKJwts 12 hhwts 4 2 式中 压缩机出口工质的焓值 kJ kg 2 h 3 工作容积 11 3 mVs s VSD2 4 4 3 式中 压缩机汽缸直径 Dm 压缩机汽缸活塞行程 Sm 4 理论容积输气量 3 smVh 60 4 2S DnVh 4 4 大学学士学位论文 22 式中 压缩机电机转速 r min n 5 实际输气量 skgqm 1h V m q 4 5 式中 压缩机容积效率 压缩机进口工质比容 m3 kg 1 6 制冷量 0 kWQ 00 qqQ m 4 6 7 理论绝热功率 kWPts tsmts wqP 4 7 式中 压缩机工质质量流量 kg s m q 8 指示功率 kWPi i tsi PP 4 8 式中 压缩机指示效率 i 9 轴功率 kWPe mie PPP 4 9 式中 压缩机摩擦功率 m P 大学学士学位论文 23 10 性能系数 e COP e COP el Pq 0 4 10 11 排气温度 KTd n 1 n 0 1 sd TT 4 11 式中 吸气温度 K s T n 压缩指数 压力比 吸排气相对阻力损失 0 4 1 24 1 2 压缩机选型分析压缩机选型分析 目前 在中小型热泵机组中 一般都采用往复式或滚动转子式制冷压 缩机 全封闭式压缩机因其结构紧凑 无轴封装置 体积小 噪声低 重 量轻等一系列优点 在中小型机组中得到广泛的应用 压缩机的确定 初设热泵热水装置的开机 停机时间比约为 1 1 热水 平均用量为 500L h 选用四台 另再加两台备用 4 12 chwhwc ttcmQ 热水加热所需的热量 kW c Q 热水产率 kg s hw m 水的比热容 kJ kg K w c 热水温度 h t 大学学士学位论文 24 自来水的温度 c t 17 5kW c Q 15 45 4 2 3600 500 查 R22 压缩机参数 又制热量 热泵工质的冷凝温度和正温度 可选 择压缩机 K 型 14 其制热量为 19 3kW 功率为 5 2kW 热泵工质需从蒸 发器吸收的热量为 19 3 5 2 14 1kW 4 24 2 蒸发器数学模型及仿真蒸发器数学模型及仿真 对于制冷系统来说 蒸发器是制冷剂从系统外吸热的换热器 制冷剂 以气液两相状态进入蒸发器 在蒸发器中 在装置稳定运行时 制冷剂以 低干度的气液两相状态进入蒸发器 随着两相流体在蒸发器内的流动与吸 热 逐渐受热蒸发 当接近蒸发器出口时 一般已经完全蒸发成饱和蒸汽 在后段 由于蒸发温度仍比被冷却介质温度低 饱和蒸汽仍继续吸热而成 为蒸发压力下的过热蒸汽 最后以过热气体状态离开蒸发器 制冷装置中的蒸发器 按其被冷却介质的特性 可以分为冷却液体的 蒸发器及冷却空气的蒸发器两大类 冷却空气的蒸发器也有多种结构形式 但都是制冷剂在管内蒸发 空气在管外被冷却 蒸发器的换热与冷凝器的 换热的差异不仅表现在制冷剂侧 还表现在管外侧的换热上 对于冷却空气蒸发 器 由于蒸发温度一般都会低于来流空气的露点温度 由于既有显热交换 又有潜 热交换 也就是所说的析湿现象 4 2 14 2 1 蒸发器结构参数蒸发器结构参数 蒸发器的传热量 Q 14 1kW 去蒸发器的传热系数 35 近 w 2 m 似认为蒸发器工质侧的吸热主要为工质的蒸发相变过程 则蒸发器进口侧 工质与空气传热温差为 空气温度为 25 蒸发器出口测工 25 tmax 大学学士学位论文 25 质与空气的传热温差为 初定出口空气为 16 则蒸发器中 16 tmin 工质与空气的对数传热温差 32 为 4 13 166 20 t t t t t min max minmax e 将上述数据带入蒸发器面积 32 公式 19 5m2 E 21 E E t6 3 t Q F E rr E k ttcq k 4 14 式中 蒸发器的传热面积 m2 E F 蒸发器的传热量 W Q 蒸发器的传热系数 W m2 K E k 蒸发器的平均传热温差 E t 制冷剂的质量流量 kg s r q 制冷剂的比热容 kg kg K r c 制冷剂出进蒸发器的温度 12 t t 翅片管式蒸发器的翅片管一般由紫铜管套铝片构成 构成图如下 图 4 2 翅片结构示意图 大学学士学位论文 26 传热管选用 10 0 7mm 的紫铜管 翅片选用 0 2mm 的铝套管片 f 翅片间距 2 2mm 管束按正三角形叉排排列 垂直于流动方向管间距 f s 25mm 沿流动方向管排数 4 19 1 s l n 翅片为平直套片 考虑套片翻边后的管外径为 10 4mm f0b 2dd 4 15 沿气流流动方向的管间距为 21 65mm 0 12 30cosss 4 16 沿气流方向套片的长度 129 9mm 21 s6L 4 17 每米管长翅片的表面积 0 4148m2 f 2 21 s 1000 4 2 bf dssA 4 18 每米管长翅片的管子表面积 0 0297m2 f fb s 1000 d fb sA 4 19 每米管长的总传热外表面积 0 4445 m2 4 20 fb0 AAA 每米管长光管的外表面积 0 03267 m2 1 dA b0b 4 21 每米管长的内表面积 0 02702 m2 1 dA ii 4 22 大学学士学位论文 27 每米管长平均直径处的表面积 0 02984 m2 1 dA mm 4 23 由以上计算可得 13 606 b0 0 A A 4 24 计算管长为43 87m2 1 L 实际管长为 L 43 2 m 蒸发器取宽为 900mm 长为 300mm 垂直于气流方向每排管子数为 12 单管长即为 900mm 4 2 24 2 2 蒸发器数学模型蒸发器数学模型 本文采用稳态分布模型模拟翅片式空气冷却式蒸发器 蒸发器的稳态 分布参数主要基于以下假设 11 1 制冷剂与空气逆流换热 2 对于沿管长的每个微元 制冷剂侧 空气侧 管壁的物性视为一 致 不考虑管壁热阻 3 从简化模型算法的角度出发 考虑到过热区较短且加速度压降很 小 忽略过热区压降 两 相 区 过 热 区 制 冷 剂 图 4 3 蒸发器模型示意图 大学学士学位论文 28 微元 Ta1 Ha1 Tr2 Hr2 x2 Ta2 Ha2 Tr1 Hr1 x1 图 4 4 蒸发器微元示意图 Ta1 Ta2是进出水温度 Ha1 Ha2进出水的焓值 Tr1 Hr2是进出工质 的温度 Hr1 Hr2进出工质的焓值 制冷剂侧包括两个相区 两相区和过热区 每个相区可以细分为若干 微元 对于两相区 温度保持不变 换热表现在焓值的变化上 因此 微 元的划分是通过对焓差进行等分实现的 对于过热区 在假设压力不变的 前提下 制冷剂温度变化较大 微元通过对制冷剂温度的等分来划分 1 蒸发器的基本传热方程 制冷剂侧换热方程 11 4 25 rmwii2r1rrr T TA h hqQ 式中 制冷剂侧的换热系数 W m2 K i 管内表面积 m2 i A 管壁温度 w T 制冷剂平均温度 rm T 空气测换热方程 11 4 26 wam00s2a1aaa T TA h hmQ 式中 空气侧显热换热系数 W m2 K 0s 空气的析湿系数 大学学士学位论文 29 管外翅片面积 m2 0 A 空气测平均温度 am T 在蒸发器实际工作条件下 制冷剂不仅仅吸收流过空气的热量 而且 会吸收一些通过管壁等设备传进来的热量 因此 制冷剂和空气侧的换热 量是不等的 另外 制冷剂中不可能避免含有油 而在测量制冷剂流量事 油也是包括在内的 这样通过乘以焓差得出的换热量比实际的换热量偏大 考虑上述因素 在无法得出两者数值关系的情况下 根据大量实际实验数 据 可以认为两者有如下关系 4 27 ra QQ 式中 大小取决于具体实际情况 一般可取 0 9 2 微元长度方程 管内表面积 4 28 L dA ii 管外表面积 4 29 L dA i0 式中 管外翅片面积与管外表面积的比值 可求得微元长度 4 30 war TTT 0i r wii r d Q T d Q L 算法中通过迭代满足上式后可求得 L w T 4 2 34 2 3 相关参数的计算相关参数的计算 1 制冷剂侧的换热系数 过热区采用 20 公式 DittusBoelter 4 31 3 08 0 PrRe023 0 i Nu 大学学士学位论文 30 式中 d ii i Nu dG Re ii 制冷剂的努赛尔系数 i Nu 制冷剂的雷诺数 Re 制冷剂的普朗特系数 Pr 制冷剂导热系数 W m2 K 管子内径 mm i d 制冷剂的质流密度 kg m2 s i G 制冷剂的动力粘度 pa s 对于两相区 制冷剂侧换热系数直接取经验值 2 空气测换热系数 由于空气侧换热表面普遍采用扩展受热面 空气在扩展受热面中的流 动与换热十分复杂 无论是在机理方面还是在数学描述方面 都是制冷工 程领域正在研究探索的课题 因此 在制冷系统仿真过程中 通常只能借 助于相关的经验半经验系式估算空气侧的换热系数 21 空气侧换热系数由 于翅片的结构不同 排列方式不同差别很大 李妩等人通过对空调行业常 用的四种整体翅片管换热器进行试验得换热综合关联式 并对翅片表面性 能做了综合性评价 22 表 4 1 换热器空气测换热系数 翅片形式换热关联式 平直形N 0 982Re0 424 s d3 0 0887 N s2 d3 0 1590 开缝形N 0 772Re0 477 s d3 0 3630 N