直膨式太阳能热泵热水器性能改进及实验研究

摘要

本文在团队科研人员的新型发明专利－直膨式太阳能热水装置实验台的基础上进行了大量的实验，积累了上海地区全年四季典型气候工况下的实验系统运行数据，通过对实验装置在不同的气候条件下的运行性能数据进行计算和分析，总结得出现有系统运行的主要特点。在此基础上初步开发了与建筑一体化的新型直膨式太阳能热泵热水器实验样机，并进一步获得了其主要性能参数。 分析表明虽然系统整体COP相对于常规热水器具有一定优势,但仍然在与建筑的集成性，集热板的集热效率和系统运行能耗等方面具有优化潜力。根据实验数据对实验样机进行优化并再次进行对比试验，将所采集的实验数据与改装前的运行数据进行比较，分析得出性能提高的主要原因是集热板材质的更换提高了集热温度，集热板流场的更换使制冷剂流动分布更趋均匀。整个系统的关键部件－太阳能集热器的改进使之与系统更加匹配。 采取实验和编写系统仿真模型相结合的方法，以仿真计算作为辅助手段来指导实验的方向。建立了直膨式太阳能热泵热水器样机的集总参数法模型,并对该模型进行了上海典型气候条件下的实验验证。 仿真结果与实验实测值吻合较好。进而利用该模型计算得出在各种不同气象条件下系统的运行性能，据此确定出直膨式太阳能热泵热水器全年高效安全运行的变频策略，这也是寻求提高本系统性能的另一个关键因素。根据此运行频率的控制策略,在6-8月的实验阶段内,运行平均COP达到6.5,平均当量集热效率达到110％(平均太阳辐射700W/m2,平均气温31度)根据对实验数据的分析并参照仿真计算结果，对直膨式太阳能热泵热水器进行定型设计，以有效保证系统性能和运行效率为前提进行产品化的探索，提出定型方案并且试制该产品的小批量样机，进而对定型后的热水系统进行冬季气候条件下的反复运行实验。同时计算分析了太阳能集热器的安装角度对系统性能的影响，得出了在上海地区集热板安装的推荐最佳角度。 本文还对系统进行经济性分析,探索实验样机在全国各地区的应用前景：根据全国典型气候地区的气象参数模拟系统运行耗能情况,用综合能源价格法分析了影响系统经济性的关键因素,并将样机与几种传统热水器的全年运行情况进行了比较。分析表明,气候条件、能源价格对比以及运行控制策略是影响直膨式太阳能热泵热水器运行节能性和经济性的主要因素，并得出结论：该系统在全国太阳能资源的一二类地区应用前景好，节能效果明显优于常规热水器。