直膨式太陽能熱泵熱水裝置的優(yōu)化分析與變?nèi)萘窟\行研究.pdf

1、基于推動DX-SAHP建筑節(jié)能技術(shù)在中國的推廣，本文選擇了以直膨式太陽能熱泵熱水裝置(DX-SAHPWH)為研究對象，在對自行研制的多臺實驗樣機的實際運行性能及其主要影響因素進行了系統(tǒng)的理論分析的基礎(chǔ)上，針對目前面臨的主要障礙開展了一系列的研究工作，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ㈠基于前人的研究成果，根據(jù)上海地區(qū)氣象特點，研制出DX-SAHPWH(A)實驗樣機(鋁制熱軋吹漲式裸板太陽集熱板的有效集熱面積為4.20m2、滾動轉(zhuǎn)子式壓縮

2、機的額定輸入功率為750W、立式承壓蓄熱水箱聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L、外平衡式TEX-2型熱力膨脹閥)。春季晴天的實驗結(jié)果表明，DX-SAHPWH(A)在90～98分鐘內(nèi)可將150升水從14℃～20℃加熱到50℃，耗電量為0.98～1.06kWh(約1度電)，系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為5.21～6.61和88％～105％。結(jié)合實驗結(jié)果，通過針對熱泵系統(tǒng)及主要部件的有效能分析方法發(fā)現(xiàn)，在DX-SAHPWH(A)的各個

3、主要部件中，壓縮機的節(jié)能潛力最大，其次是太陽集熱板和冷凝器，熱力膨脹閥的節(jié)能潛力最小。指出，壓縮機和太陽集熱板之間的容量匹配對于提高系統(tǒng)的熱力性能至關(guān)重要。基于減少太陽集熱板的有效能損失和選取有利于實現(xiàn)與建筑一體化結(jié)合的較小集熱面積的考慮，研制出DX-SAHPWH(B)實驗樣機(銅制管板焊接式裸板太陽集熱板有效集熱面積為2.08m2、滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的額定輸入功率為400W、立式承壓蓄熱水箱聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L、外

4、平衡式TEX-2型熱力膨脹閥和DPF1.5型電子膨脹閥并聯(lián))。在秋季晴天的工況下，DX-SAHPWH(B)在164～201分鐘內(nèi)可將150升水從23℃～25℃加熱到50℃，耗電量為0.90～1.12kWh，系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為4.13～5.12和84％～101％。由于受可選擇產(chǎn)品的限制，DX-SAHPWH(B)采用的管板焊接式太陽集熱板和集熱管之間的換熱效果不佳，導(dǎo)致系統(tǒng)(B)的熱力性能比系統(tǒng)(A)低，不過，系統(tǒng)(B)壓縮機吸

5、氣壓力也相對較低，這有助于防止壓縮機過載，有利于系統(tǒng)安全運行。利用電子膨脹閥在DX-SAHPWH(B)上進行了太陽集熱板過熱度的“開環(huán)比例-閉環(huán)PI”控制研究，通過實驗手段整定出若干組不同典型工況下的控制參數(shù)，編制PC機采集/控制程序根據(jù)不同工況進行集熱板過熱度的合理控制，并與使用熱力膨脹閥進行過熱度控制的效果進行了實驗對比，結(jié)果表明，與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥可以實現(xiàn)更為準確、穩(wěn)定的太陽集熱板過熱度控制。 ㈡為有效實現(xiàn)系統(tǒng)的

6、“動態(tài)匹配”(主要是壓縮機和太陽集熱板之間容量的匹配)運行，提出壓縮機轉(zhuǎn)速可調(diào)的DX-SAHPWH(C)系統(tǒng)匹配方案，并研制出實驗樣機。DX-SAHPWH(C)主要由裸板式太陽集熱板(鋁板熱軋吹漲結(jié)構(gòu)，有效集熱面積為4.20m2)、全封閉滾動轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(額定頻率72Hz，額定輸入功率為860W)、沉浸式銅盤管冷凝換熱器、立式承壓蓄熱水箱(聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L)、外平衡式TEX-2型熱力膨脹閥和DPF1.8型電

7、子膨脹閥并聯(lián)、以及專門的微型控制器等部件組成。在秋季晴天的工況下進行了初步的性能實驗，結(jié)果表明，DX-SAHPWH(C)在62～87分鐘內(nèi)可將150升水從23℃～30℃加熱到50℃，耗電量為0.54～0.84kWh，系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為5.29～6.93和88％～99％；對比相近工況下系統(tǒng)的熱力性能發(fā)現(xiàn)，由于采用了變頻壓縮機的容量調(diào)節(jié)方法，DX-SAHPWH(C)可以實現(xiàn)更好的部件容量匹配關(guān)系，與DX-SAHPWH(A)和(B

8、)相比，耗時分別減少了6％和48％，壓縮機總功耗分別減少了29％和20％，COP分別提高了25％和31％，總有效能效率ηex分別提高了16％和55％。 ㈢建立DX-SAHPWH(C)的集中參數(shù)動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，利用仿真計算方法深入分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)與熱力性能之間的相互關(guān)系，為容量可調(diào)的DX-SAHPWH(C)的運行控制方案的制定提供理論依據(jù)。將數(shù)值仿真計算與實驗進行了多種工況下瞬態(tài)及總體特性參數(shù)的對比驗證，結(jié)

9、果表明，仿真與實驗結(jié)果吻合性好；結(jié)合上海地區(qū)“典型氣象年逐時參數(shù)”數(shù)據(jù)庫和數(shù)值仿真模型預(yù)測DX-SAHPWH全年多工況下的熱力性能，建立了系統(tǒng)全年熱力性能的數(shù)據(jù)庫，在基本滿足“總耗時△τ少于6小時，COP不低于4.5(氣溫低于10℃的工況)和5.0(氣溫高于10℃的工況)”的約束條件和“蒸發(fā)溫度不高于25℃、不低于-15℃”的原則下，制定出DX-SAHPWH(C)具體的運行控制方案，主要包括系統(tǒng)啟/停機控制規(guī)則、壓縮機頻率f隨外部環(huán)境參