冬季寒冷条件下太阳能-空气源热泵热水器的数值模拟

摘要

随着我国经济社会的高速发展，能源危机和节能减排的意识日益高涨。建筑能耗占我国社会总能耗的40％以上，建筑节能已经成为节能减排的重点领域，可再生能源辅助的热泵技术研究已经成为热泵研究领域的热点，空气热源和太阳能热源以其资源丰富、清洁无污染等优势在热泵热利用中获得普遍关注。然而，由于太阳能的间歇性和低能量密度，传统空气源热泵在冬季低温条件下系统性能明显下降，因此，空气源热泵或太阳能热泵在我国广大北方地区的推广应用都受到了严重制约。研发经济高效、性能稳定、适用地域广的多能互补热泵系统成为解决这一问题的有效途径。
　　 为了利用西北地区丰富的太阳能资源，有效提高空气源热泵热水器在我国西北寒冷地区的热力性能和低温适应性，本课题将直膨式太阳能集热器和空气源热泵的蒸发器在结构和功能上结合起来，提出了一种适合西北寒冷地区的太阳能辅助加热的空气源热泵热水系统，并开展了相关研究。主要的研究内容和结果如下:
　　 (1)建立了太阳能辅助空气源热泵热水系统各部件及系统的数学模型并进行了求解。利用稳态分布参数法建立了翅片管换热器、沉浸式盘管冷凝器和蓄热水箱的仿真计算模型，建立了压缩机和热力膨胀阀的集总参数数学模型，建立了制冷剂热力性质计算模型和制冷剂充注量数学模型，联立各部件模型，利用Matlab软件编写了系统的模拟计算程序，迭代求解了整个热泵热水器系统循环。
　　 (2)以上海交通大学郭俊杰博士建立的空气源热泵热水装置在5℃的实验性能为参照，结合兰州地区气象数据，运用系统模拟计算程序研究了空气源热泵热水器在兰州冬季环境温度为-20～5℃时的性能，结果表明:随着环境温度的升高，系统的各项性能得到了改善，制热量迅速升高，压缩机耗功下降，热水加热时间缩短，系统COP明显增大;当环境温度低于-15℃时，蒸发温度过低，制冷剂流量很小，导致系统的COP低于1.6，几乎等同于用电直接制取热水。
　　 (3)设计了一套直膨式太阳能集热器，与空气换热器/蒸发器并联作为太阳能辅助空气源热泵系统的蒸发端，在-20～5℃的环境温度下，取太阳能辐射强度分别为200W/m2、500W/m2、700W/m2，研究太阳能辅助空气源热泵热水系统的性能，结果表明:系统的制热量随环境温度和太阳能辐射强度的升高而增大，太阳能和空气双热源热泵系统的制热量明显大于单独空气源热泵系统的制热量，而且随着太阳能辐射强度的增大而增大;压缩机功率随环境温度和太阳辐射强度的升高略有升高，但变化不大;随着太阳辐射强度和环境温度的升高，系统COP明显升高，热水加热时间△τ不断减少。
　　 (4)研究了设定工况下系统把水从15℃加热到55℃的过程中太阳能、空气热能以及压缩机耗功各自的贡献率，即能量的输入份额，结果表明:当太阳辐射强度一定时，随着环境温度的升高，太阳能和空气热能所输入的能量份额逐渐上升，而压缩机耗电量逐渐减小;随着太阳辐射强度的增大，太阳能输入的能量份额增大，空气热能输入的能量份额减小，压缩机耗电量输入份额减小。
　　 (5)与传统能源热水器（燃气热水器、燃煤热水器、电加热热水器）相比，制取相同量的热水，单独空气源热泵热水器和太阳能辅助空气源热泵热水器经济性都明显优于电加热热水器;当环境温度高于-5℃时，空气源热泵热水器和太阳能辅助空气源热泵热水器比燃气热水器节能，随着环境温度的升高，系统的能耗越少，经济性越明显;环境温度高于-20℃时太阳能辅助空气源热泵热水器也明显比燃气热水器和燃煤热水器更节能，并且随着环境温度的升高系统耗电量和电费越少;太阳能辅助空气源热泵热水器的经济性和节能性明显优于单独空气源热泵热水器;当环境温度为0℃时，制取相同量的生活热水，太阳能辅助空气源热泵热水器分别比天然气、标准煤、电能和单独空气源热泵热水器节能50.4％，53.7％，82.1％，42.8％;随着各能源价格的上涨，太阳能辅助空气源热泵热水器具有较高的经济竞争优势。
　　 本课题的创新性在于研发了一套适合冬季寒冷地区使用的太阳能辅助的空气源热泵热水系统，并研究了其-20～5℃环境温度下的性能，改善了单独空气源热泵系统在寒冷气候条件下的制热性能，为该系统在西北地区的推广和应用提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 太阳能与空气源热泵系统结合形式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 太阳能-空气复合热源热泵系统研究

1．3．2 空气源热泵系统低温适应性研究

1．3．3 热泵系统数值模拟研究

1．4 国内外研究现状总结与启示

1．5 本文的研究内容和意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究意义

1．6 太阳能辅助空气源热泵热水系统基本原理

1．6．1 系统原理

1．6．2 系统运行模式

1．7 本章小结

第2章 太阳能辅助空气源热泵热水系统的构建

2．1 太阳能辅助空气源热泵热水系统部件选型

2．1．1 太阳能集热／蒸发器

2．1．2 空气换热器

2．1．3 压缩机

2．1．4 冷凝器及蓄热水箱

2．1．5 热力膨胀阀

2．2 太阳能辅助空气源热泵热水系统数学模型的建立

2．2．1 太阳能集热器数学模型

2．2．2 空气换热器数学模型

2．2．3 压缩机数学模型

2．2．4 冷凝器数学模型

2．2．5 热力膨胀阀数学模型

2．2．6 制冷剂热力性质计算模型

2．2．7 制冷剂充注量数学模型

2．3 太阳能辅助空气源热泵热水系统数学模型的求解

2．3．1 系统模型的建立

2．3．2 迭代判据的确定

2．3．3 迭代变量的确定

2．3．4 系统仿真算法流程

2．4 本章小结

第3章 太阳能辅助空气源热泵热水系统冬季性能模拟分析

3．1 系统循环热力学描述

3．1．1 系统制热循环P-h图分析

3．1．2 系统性能对比分析

3．2 系统主要性能指标的分析

3．3 空气源热泵热水系统性能模拟值与实验值对比分析

3．4 空气源热泵热水系统冬季性能模拟研究

3．5 太阳能辅助空气源热泵热水系统冬季性能模拟研究

3．6 能量的收支分析

3．7 太阳能辅助空气源热泵热水系统经济性分析

3．8 本章小结

总结与展望

本文研究工作总结

本课题的创新点

研究工作的进一步展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间获奖情况