空氣源熱泵熱水裝置優(yōu)化分析與運(yùn)行策略研究.pdf

1、空氣源熱泵熱水技術(shù)是一種節(jié)能型熱水技術(shù)。隨著能源和環(huán)保壓力的日益加大，通過優(yōu)化現(xiàn)有空氣源熱泵熱水裝置(Air-source heat pump water heater，簡(jiǎn)稱ASHPWH)的設(shè)計(jì)，拓展使用范圍，是一條促進(jìn)節(jié)能減排的有效途徑。但是，囿于設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)條件的限制，多數(shù)研究者著眼于部件如何匹配、設(shè)計(jì)參數(shù)如何選取和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等問題，而對(duì)如何在實(shí)踐上對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化使裝置保持長(zhǎng)期高性能運(yùn)行、如何改善變工況下的熱力學(xué)性能滿足能量需

2、求的多樣化方面，鮮有考慮。此外，空氣源熱泵熱水裝置具有變工況運(yùn)行的特點(diǎn)，特定工況下的有效能分析難以全面準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，為了實(shí)現(xiàn)有效能理論在該類型系統(tǒng)中更好地應(yīng)用，通過結(jié)合空氣源熱泵熱水裝置變工況運(yùn)行的特點(diǎn)和有效能的基本理論建立相應(yīng)的分析模型，將有助于更加準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。為此，本文從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行的角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　 (1)針對(duì)冷凝器采用板式換熱器循環(huán)加熱的小

3、型家用空氣源熱泵熱水裝置，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真方法，研究了環(huán)境參數(shù)、裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以指導(dǎo)優(yōu)化。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，仿真模型具有較好的精度。數(shù)值分析結(jié)果表明，對(duì)于采用該類型冷凝器的系統(tǒng)，冷凝器和蒸發(fā)器的面積比在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)可以確保較高的熱力學(xué)效率，計(jì)算條件下，最佳面積比在0.1到0.118之間。循環(huán)水進(jìn)水高度（即水箱熱水入口的位置）是影響系統(tǒng)性能的重要因素，循環(huán)水進(jìn)水高度越高，系統(tǒng)COP越高。當(dāng)其他條件固定，進(jìn)水高

4、度從水箱高度的0.167調(diào)整到水箱頂部，系統(tǒng)COP會(huì)從2.58增加到2.70，有4.65％的增幅。盡管水箱整體的等效平均溫升隨著進(jìn)水高度的提升略有下降，約1℃，但其差別幾乎可以忽略不計(jì)。從提高系統(tǒng)COP的角度來說，最佳進(jìn)水口應(yīng)位于水箱的頂部。
　　 (2)結(jié)合空氣源熱泵熱水裝置變工況運(yùn)行的特點(diǎn)和有效能的基本理論建立了當(dāng)量有效能分析模型，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其分析結(jié)論，該模型綜合考慮了熱泵熱水裝置熱水不斷升溫的影響。模型分析結(jié)果表

5、明，環(huán)境溫度7℃時(shí)，在其他部件不變的情況下，當(dāng)壓縮機(jī)絕熱效率從0.6增加到0.85，壓縮機(jī)有效能損失減少三分之二，系統(tǒng)有效能效率從35％增加到45.5％，系統(tǒng)不可逆程度改善10.5％。當(dāng)壓縮機(jī)的絕熱效率低于0.78時(shí)，壓縮機(jī)為有效能損失最大的環(huán)節(jié)。從本模型的分析中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件不變，冷凝器換熱溫差從8℃降低到3℃，系統(tǒng)有效能效率從41.5％提高到46.2％，系統(tǒng)的不可逆程度改善了4.7％。當(dāng)其他條件不變，蒸發(fā)器換熱溫差從15℃降

6、低到10℃，系統(tǒng)有效能效率則從41.4％提高到46.3％，系統(tǒng)的不可逆程度改善了4.9％。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析顯示，壓縮機(jī)的平均有效能損失系數(shù)最高，冷凝器平均有效能損失所占的比例僅次于壓縮機(jī)損失所占的比例。考慮到提高壓縮機(jī)的效率涉及到整個(gè)制造工藝的提升，非短期可實(shí)現(xiàn)，因此，從改進(jìn)系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)的角度來講，強(qiáng)化冷凝器的換熱過程更加關(guān)鍵。
　　 (3)基于上述理論和實(shí)驗(yàn)研究，考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在晝夜溫度的差異以及用戶熱水需求曲線的不同

7、，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行策略的優(yōu)化，分別對(duì)定時(shí)和定溫兩種典型的控制模式進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，對(duì)于定時(shí)控制而言，晝夜溫差的差異和峰谷電價(jià)政策是設(shè)定啟動(dòng)加熱時(shí)刻最大的影響因素。在定溫控制模式中，設(shè)定水溫直接影響到熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)特性和熱水的供應(yīng)能力，而這兩個(gè)因素往往又是互相沖突的。為了解決這一矛盾，引入一個(gè)參數(shù)，即送水系數(shù)，定義為每天滿足用戶45℃水溫要求的熱水實(shí)時(shí)放出量與熱水需求曲線之間的比值，反映的是居民對(duì)熱水的滿足程度。設(shè)定水溫越高，送水系

8、數(shù)也會(huì)越高，但系統(tǒng)COP會(huì)越低。當(dāng)送水系數(shù)達(dá)到100％時(shí)，進(jìn)一步提高設(shè)定水溫，送水系數(shù)將維持100％不變，而系統(tǒng)COP仍會(huì)降低。因此，為了最大程度的滿足用戶基本熱水需求，同時(shí)達(dá)到良好的節(jié)能效果，以滿足送水系數(shù)為100％的最低設(shè)定水溫為基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化。優(yōu)化分析結(jié)果表明，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的最佳設(shè)定水溫應(yīng)該根據(jù)季節(jié)氣溫的變化進(jìn)行調(diào)整，以上海氣候?yàn)槔?，夏季、過渡季和冬季的最佳設(shè)定水溫分別為46℃、48.2℃和55.4℃。
　　

9、(4)以前述工作為基礎(chǔ)，利用灰色系統(tǒng)理論建立了空氣源熱泵熱水裝置的家庭熱水消耗和能耗模型，并對(duì)典型上海家庭全年各月的熱水消耗和能耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)，旨在利用灰色理論通過少量歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大時(shí)間跨度預(yù)測(cè)的特性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并節(jié)省實(shí)地測(cè)試成本。樣本數(shù)據(jù)分析顯示，盡管樣本數(shù)據(jù)隨著時(shí)間表現(xiàn)出一定的無序性，但樣本數(shù)據(jù)的分布滿足灰色理論的要求，且樣本累加值呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢(shì)，符合灰色理論的適用條件。建模過程中發(fā)現(xiàn)，模型精度會(huì)隨著采樣周期的變長(zhǎng)而逐漸提高，當(dāng)

10、采樣周期達(dá)到四周時(shí)即可滿足灰色理論的精度要求?；诖?，建立了以四周為采樣周期的灰色預(yù)測(cè)模型，并和后續(xù)場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)對(duì)比表明，模型預(yù)測(cè)精度良好?；诖四Ｐ?，可以獲得COP、全年各月的各個(gè)參數(shù)、碳減排量以及節(jié)省的費(fèi)用。
　　 (5)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真，詳細(xì)分析了空氣源熱泵熱水裝置分級(jí)供熱的熱力學(xué)過程。為了更好的利用冷凝熱量，對(duì)熱泵工質(zhì)進(jìn)行了篩選，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試樣機(jī)和測(cè)試平臺(tái)。針對(duì)空氣源熱泵分級(jí)供熱熱水裝置

11、的工質(zhì)選優(yōu)結(jié)果表明，由于更佳的熱力學(xué)循環(huán)特性和物性，R410A和R22為較優(yōu)選擇。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能夠在確保高效的前提下同時(shí)滿足兩種不同溫度范圍的供熱需求，對(duì)于同時(shí)存在生活熱水和地板采暖兩種熱水品質(zhì)需求的場(chǎng)合，能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)兩用的功能。在此基礎(chǔ)上，建立了空氣源熱泵分級(jí)供熱熱水裝置的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)影響系統(tǒng)性能的各參數(shù)進(jìn)行了討論。研究結(jié)果顯示，在分級(jí)供熱的模式下，兩個(gè)冷凝器的進(jìn)水溫度直接影響冷凝器內(nèi)部的換熱模式，其中，初級(jí)進(jìn)水溫度