冬季寒冷條件下太陽能-空氣源熱泵熱水器的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，能源危機和節(jié)能減排的意識日益高漲。建筑能耗占我國社會總能耗的40％以上，建筑節(jié)能已經(jīng)成為節(jié)能減排的重點領(lǐng)域，可再生能源輔助的熱泵技術(shù)研究已經(jīng)成為熱泵研究領(lǐng)域的熱點，空氣熱源和太陽能熱源以其資源豐富、清潔無污染等優(yōu)勢在熱泵熱利用中獲得普遍關(guān)注。然而，由于太陽能的間歇性和低能量密度，傳統(tǒng)空氣源熱泵在冬季低溫條件下系統(tǒng)性能明顯下降，因此，空氣源熱泵或太陽能熱泵在我國廣大北方地區(qū)的推廣應(yīng)用都受到了嚴重制約。研發(fā)經(jīng)濟高

2、效、性能穩(wěn)定、適用地域廣的多能互補熱泵系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。
　　 為了利用西北地區(qū)豐富的太陽能資源，有效提高空氣源熱泵熱水器在我國西北寒冷地區(qū)的熱力性能和低溫適應(yīng)性，本課題將直膨式太陽能集熱器和空氣源熱泵的蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)和功能上結(jié)合起來，提出了一種適合西北寒冷地區(qū)的太陽能輔助加熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并開展了相關(guān)研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 (1)建立了太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)各部件及系統(tǒng)的數(shù)學模

3、型并進行了求解。利用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建立了翅片管換熱器、沉浸式盤管冷凝器和蓄熱水箱的仿真計算模型，建立了壓縮機和熱力膨脹閥的集總參數(shù)數(shù)學模型，建立了制冷劑熱力性質(zhì)計算模型和制冷劑充注量數(shù)學模型，聯(lián)立各部件模型，利用Matlab軟件編寫了系統(tǒng)的模擬計算程序，迭代求解了整個熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)。
　　 (2)以上海交通大學郭俊杰博士建立的空氣源熱泵熱水裝置在5℃的實驗性能為參照，結(jié)合蘭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，運用系統(tǒng)模擬計算程序研究了空氣源熱泵

4、熱水器在蘭州冬季環(huán)境溫度為-20～5℃時的性能，結(jié)果表明:隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的各項性能得到了改善，制熱量迅速升高，壓縮機耗功下降，熱水加熱時間縮短，系統(tǒng)COP明顯增大;當環(huán)境溫度低于-15℃時，蒸發(fā)溫度過低，制冷劑流量很小，導致系統(tǒng)的COP低于1.6，幾乎等同于用電直接制取熱水。
　　 (3)設(shè)計了一套直膨式太陽能集熱器，與空氣換熱器/蒸發(fā)器并聯(lián)作為太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)端，在-20～5℃的環(huán)境溫度下，取太陽能輻射

5、強度分別為200W/m2、500W/m2、700W/m2，研究太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明:系統(tǒng)的制熱量隨環(huán)境溫度和太陽能輻射強度的升高而增大，太陽能和空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)的制熱量明顯大于單獨空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量，而且隨著太陽能輻射強度的增大而增大;壓縮機功率隨環(huán)境溫度和太陽輻射強度的升高略有升高，但變化不大;隨著太陽輻射強度和環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)COP明顯升高，熱水加熱時間△τ不斷減少。
　　 (4)研究了設(shè)定

6、工況下系統(tǒng)把水從15℃加熱到55℃的過程中太陽能、空氣熱能以及壓縮機耗功各自的貢獻率，即能量的輸入份額，結(jié)果表明:當太陽輻射強度一定時，隨著環(huán)境溫度的升高，太陽能和空氣熱能所輸入的能量份額逐漸上升，而壓縮機耗電量逐漸減小;隨著太陽輻射強度的增大，太陽能輸入的能量份額增大，空氣熱能輸入的能量份額減小，壓縮機耗電量輸入份額減小。
　　 (5)與傳統(tǒng)能源熱水器（燃氣熱水器、燃煤熱水器、電加熱熱水器）相比，制取相同量的熱水，單獨空氣源熱

7、泵熱水器和太陽能輔助空氣源熱泵熱水器經(jīng)濟性都明顯優(yōu)于電加熱熱水器;當環(huán)境溫度高于-5℃時，空氣源熱泵熱水器和太陽能輔助空氣源熱泵熱水器比燃氣熱水器節(jié)能，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的能耗越少，經(jīng)濟性越明顯;環(huán)境溫度高于-20℃時太陽能輔助空氣源熱泵熱水器也明顯比燃氣熱水器和燃煤熱水器更節(jié)能，并且隨著環(huán)境溫度的升高系統(tǒng)耗電量和電費越少;太陽能輔助空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟性和節(jié)能性明顯優(yōu)于單獨空氣源熱泵熱水器;當環(huán)境溫度為0℃時，制取相同量的生活

8、熱水，太陽能輔助空氣源熱泵熱水器分別比天然氣、標準煤、電能和單獨空氣源熱泵熱水器節(jié)能50.4％，53.7％，82.1％，42.8％;隨著各能源價格的上漲，太陽能輔助空氣源熱泵熱水器具有較高的經(jīng)濟競爭優(yōu)勢。
　　 本課題的創(chuàng)新性在于研發(fā)了一套適合冬季寒冷地區(qū)使用的太陽能輔助的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并研究了其-20～5℃環(huán)境溫度下的性能，改善了單獨空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷氣候條件下的制熱性能，為該系統(tǒng)在西北地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。