小型定容量直膨式太阳能热泵热水器的性能研究

摘要

目前，基于空气源的混合热泵系统是现有技术中最为完善的一种。直膨式太阳能热泵(Direct-expansion solar-assisted heat pump, DX-SAHP)热水器可有效地将太阳能与空气源热泵相结合，充分发挥两者的优势，受到了人们的广泛关注。本文主要对一台小型直膨式太阳能热泵热水器的性能进行了研究，主要做出如下工作：　　搭建了DX-SAHP热水系统的实验平台，并对系统数据进行了不确定度分析，结果表明系统性能系数(Coefficient of performance, COP)与集热效率的误差均处于允许范围之内。通过运行实验平台，发现即使在雨天，平均太阳辐射强度仅有16W·m-2、平均环境温度为24.8℃、风速为2.1m·s-1的情况下，系统平均COP仍可达到3.42，证明了该系统具有良好的制热能力。为了更加全面地研究DX-SAHP热水器的性能，建立了基于上述实验平台的数学模型，并结合实验对模型进行了验证。结果发现模拟值和实验值的偏差大多在10%的范围之内，验证了模型的可靠性。　　通过对比计算，得到了青岛地区典型年的气候状况。由于在实际过程中的冷水温度难以获取，本文采用了一种简化计算方式，得到了全年的月平均冷水温度，其中2月份冷水温度最低，为12℃；8月份冷水温度最高，达到了20.6℃。计算了系统的全年能效，表明在冬季该系统的COP最低，平均值为3.61，全年集热效率平均值为1.29。　　以日产200L的55℃热水用户为对象，得出系统全年运行能耗为784.6kW·h，在8月份系统单位热水的能耗最低，仅为0.25kW·h·L-1；而在1月份单位热水能耗最高，达到了0.44kW·h·L-1。直膨式太阳能热泵热水器的年运行能耗仅为电加热热水器的22.8%，静态投资回收期为电加热热水器的1.48倍，其动态年值费用仅为电加热热水器的48%，全年CO2减排量为16507.8kg，验证了直膨式太阳能热泵热水器有着良好的节能性、经济性以及环保性。　　研究了过热度对直膨式太阳能热泵热水器性能的影响，得出该系统运行的最优过热度范围为5~10℃。同时研究了初始水温以及压缩机运行频率对系统性能的影响。水箱中水的初温越高，系统COP越低；当运行频率变化时，压缩机的压比变化最为敏感；随着运行频率的增加，系统COP逐渐降低而集热器的集热效率逐渐增加。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DX-SAHP系统的性能研究

1.2.2 制冷剂替代

1.2.3 过热度研究

1.3 本文主要工作

2 直膨式太阳能热泵热水器实验平台

2.1 系统工作原理

2.2.1 集热/蒸发器

2.2.2 压缩机

2.2.3 微通道冷凝器及蓄热水箱

2.2.4 电子膨胀阀

2.2.5 整机构建

2.3 数据采集控制系统

2.4.1 热性能评价指标

2.4.2 不确定度分析

2.5 不同天气条件下的系统运行状况

2.6 本章小结

3 直膨式太阳能热泵热水器的模拟研究

3.1.1 集热/蒸发器的能量传递及热损失

3.1.2 制冷剂的能量传递

3.1.3 太阳能集热/蒸发器程序流程图

3.2 压缩机模型

3.3 微通道冷凝器以及水箱模型

3.4 电子膨胀阀模型

3.5 制冷剂充注量模型

3.6 模型的验证

3.7 本章小结

4 直膨式太阳能热泵热水器的模拟与实验研究

4.1 系统运行工况的确定

4.1.1 样机所在地区的气象参数

4.1.2 样机所在地区的月平均冷水温度

4.2 系统节能性分析

4.2.1 系统典型年运行能耗

4.2.2 系统节能性对比

4.3 系统的全年能效及经济性分析

4.3.1 系统全年能效

4.3.2 系统经济性分析

4.4 系统环保性分析

4.5 过热度对系统性能的影响

4.5.1 过热度模拟研究

4.5.2 过热度实验研究

4.5.3 过热度结果分析

4.6 运行频率对系统性能的影响

4.6.1 运行频率对蒸发压力及冷凝压力的影响

4.6.2 运行频率对系统COP及集热效率的影响

4.6.3 运行频率对系统性能影响的敏感程度比较

4.7 初始水温对系统性能的影响

4.7.1 初始水温对蒸发压力及冷凝压力的影响

4.7.2 初始水温对系统COP及集热效率的影响

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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