直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、建筑能耗在社會(huì)總能耗中約占三分之一，包括制冷、制熱和制熱水等。有效利用太陽(yáng)能，減少建筑能耗，是解決能源問(wèn)題的有效手段之一。太陽(yáng)能熱泵作為一種將太陽(yáng)能與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)結(jié)合的系統(tǒng)，能夠利用清潔可再生的太陽(yáng)能，且提高了傳統(tǒng)熱泵的效率。
　　直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵(DX-SAHP)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，還可以防止普通集熱器夜晚結(jié)凍問(wèn)題。已有研究證實(shí)相較于傳統(tǒng)熱泵，DX-SAHP系統(tǒng)制熱性能明顯提升。然而DX-SAHP系統(tǒng)尚存在諸多方面

2、需要研究。其一，DX-SAHP系統(tǒng)有制熱和制熱水兩種應(yīng)用形式。受限于實(shí)驗(yàn)條件，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究集中在DX-SAHP系統(tǒng)的制熱水應(yīng)用。而在制熱應(yīng)用中，系統(tǒng)使用空氣換熱器，與制熱水時(shí)的水冷換熱器性能不同。作為一種DX-SAHP重要的應(yīng)用形式，DX-SAHP系統(tǒng)在制熱應(yīng)用中的性能仍需進(jìn)一步研究。其二，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究主要在室外環(huán)境中進(jìn)行，系統(tǒng)測(cè)試工況受限于天氣條件，無(wú)法定量反映環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因此需要在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，定量分析

3、系統(tǒng)性能，研究標(biāo)準(zhǔn)工況下的系統(tǒng)性能。其三，熱泵系統(tǒng)冬季應(yīng)用中的重要問(wèn)題——結(jié)霜問(wèn)題是熱泵研究的熱點(diǎn)。在結(jié)霜工況下DX-SAHP系統(tǒng)的熱性能和結(jié)霜特性，是考慮DX-SAHP系統(tǒng)的冬季應(yīng)用中必須探討的問(wèn)題。但目前在此方面幾乎未有研究探討。其四，DX-SAHP系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中不可避免地存在夏季應(yīng)用情況。因此DX-SAHP系統(tǒng)的應(yīng)用除了制熱，還有夏季的制冷運(yùn)行。但是系統(tǒng)的制冷性能少有研究涉及。為了研究這些DX-SAHP系統(tǒng)的重要問(wèn)題，本文在焓差

4、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)在多種穩(wěn)態(tài)工況下的性能，并建立理論模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，還將該系統(tǒng)與使用管翅式換熱器的DX-SAHP系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1、在多種穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)試了DX-SAHP系統(tǒng)的制熱性能。環(huán)境溫度的提高可增加系統(tǒng)制熱量和COP。室外側(cè)輻照強(qiáng)度300 W/m2，相對(duì)濕度50％，環(huán)境溫度分別為5.0℃，10.0℃和15.0℃時(shí)COP分別為2.12，2.18和

5、2.26。相對(duì)濕度從70％增加到90％時(shí)系統(tǒng)蒸發(fā)換熱功率提高了35.0％，COP從1.78提高到2.07。室外側(cè)環(huán)境溫度15.0℃，相對(duì)濕度50％，輻照強(qiáng)度分別為0 W/m2，100W/m2，200 W/m2，300 W/m2和500 W/m2時(shí)COP則分別2.07，2.09，2.14，2.26和2.36。輻照的增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)制熱性能的提升顯著。
　　2、實(shí)驗(yàn)探討了DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜條件。無(wú)太陽(yáng)輻照時(shí)，結(jié)霜發(fā)生的臨界相對(duì)濕度在5

6、0％到70％之間，臨界環(huán)境溫度在7.0℃到6.0℃之間。輻照強(qiáng)度是100 W/m2，環(huán)境溫度高于-3.0℃，相對(duì)濕度低于90％時(shí)結(jié)霜可以被完全防止。
　　3、實(shí)驗(yàn)研究了DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過(guò)程。360分鐘連續(xù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試工況為環(huán)境溫度1.0℃，相對(duì)濕度70％，輻照強(qiáng)度0W/m2。對(duì)比傳統(tǒng)空氣源熱泵，使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過(guò)程更為緩慢。在連續(xù)運(yùn)行的360分鐘內(nèi)系統(tǒng)的熱性能未被結(jié)霜影響，反而得到了促進(jìn)。
　　

7、4、實(shí)驗(yàn)分析了結(jié)霜工況下環(huán)境參數(shù)對(duì)DX-SAHP系統(tǒng)的影響。太陽(yáng)輻照可以有效緩解甚至防止DX-SAHP系統(tǒng)結(jié)霜，并且明顯提高系統(tǒng)的熱性能;環(huán)境溫度的降低導(dǎo)致DX-SAHP系統(tǒng)熱性能下降;相對(duì)濕度增加時(shí)系統(tǒng)的結(jié)霜更為嚴(yán)重，結(jié)霜過(guò)程的促進(jìn)作用更明顯，系統(tǒng)的熱性能提高。而當(dāng)環(huán)境溫度較低，相對(duì)濕度也較低時(shí)，由于空氣含濕量過(guò)低，蒸發(fā)溫度低于冰點(diǎn)也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題。
　　5、本文建立了使用裸板集熱器的DX-SAHP系統(tǒng)的數(shù)理模型，并基于MAT

8、LAB平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算求解。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照，驗(yàn)證了正確性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜過(guò)程中霜層厚度和結(jié)霜速率的變化。相對(duì)濕度70％，輻照強(qiáng)度0W/m2時(shí)，環(huán)境溫度為-1℃時(shí)結(jié)霜速率和霜層厚度最大。輻照強(qiáng)度可以減輕甚至完全防止結(jié)霜，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的制熱量。輻照強(qiáng)度從0 W/m2增加到100 W/m2時(shí)可以完全防止結(jié)霜，但COP從1.97減小到1.89;從100 W/m2增加到500 W/m2時(shí)，制熱量從10

9、82W增加到1610W，COP從1.89增加到2.21。雖然環(huán)境溫度的下降降低系統(tǒng)的熱性能，但結(jié)霜過(guò)程會(huì)促進(jìn)集熱/蒸發(fā)器的換熱。當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，集熱/蒸發(fā)器表面沒(méi)有霜形成。相對(duì)濕度對(duì)系統(tǒng)熱性能的影響主要通過(guò)影響結(jié)霜情況來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　6、實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)的制冷性能，分析了環(huán)境因素的影響。環(huán)境溫度從25.0℃上升到30.0℃時(shí)制冷量下降了14.9％。當(dāng)風(fēng)速由4 m/s提高到5 m/s時(shí)COP提升了3.4％，而風(fēng)速繼續(xù)提高到6 m

10、/s時(shí)系統(tǒng)制冷量和COP則變化較小。輻照強(qiáng)度從0 W/m2增加到800W/m2時(shí)，制冷量下降了34.9％，COP從1.22減小為0.65。輻照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響顯著。建立了DX-SAHP系統(tǒng)制冷模式的理論模型。在考慮DX-SAHP系統(tǒng)的制冷應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的改進(jìn)，盡量避免其接收太陽(yáng)輻照。作為優(yōu)化，可以將集熱器面積從4 m2增加到8 m2。
　　7、實(shí)驗(yàn)測(cè)試了使用太陽(yáng)能管翅式換熱器的DX-SAHP系統(tǒng)，并與使用裸板