冬季寒冷條件下太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水器的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)和節(jié)能減排的意識(shí)日益高漲。建筑能耗占我國(guó)社會(huì)總能耗的40％以上，建筑節(jié)能已經(jīng)成為節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，可再生能源輔助的熱泵技術(shù)研究已經(jīng)成為熱泵研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，空氣熱源和太陽(yáng)能熱源以其資源豐富、清潔無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)在熱泵熱利用中獲得普遍關(guān)注。然而，由于太陽(yáng)能的間歇性和低能量密度，傳統(tǒng)空氣源熱泵在冬季低溫條件下系統(tǒng)性能明顯下降，因此，空氣源熱泵或太陽(yáng)能熱泵在我國(guó)廣大北方地區(qū)的推廣應(yīng)用都受到了嚴(yán)重制約。研發(fā)經(jīng)濟(jì)高

2、效、性能穩(wěn)定、適用地域廣的多能互補(bǔ)熱泵系統(tǒng)成為解決這一問(wèn)題的有效途徑。
　　 為了利用西北地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，有效提高空氣源熱泵熱水器在我國(guó)西北寒冷地區(qū)的熱力性能和低溫適應(yīng)性，本課題將直膨式太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵的蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)和功能上結(jié)合起來(lái)，提出了一種適合西北寒冷地區(qū)的太陽(yáng)能輔助加熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并開(kāi)展了相關(guān)研究。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　 (1)建立了太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)各部件及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模

3、型并進(jìn)行了求解。利用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建立了翅片管換熱器、沉浸式盤(pán)管冷凝器和蓄熱水箱的仿真計(jì)算模型，建立了壓縮機(jī)和熱力膨脹閥的集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型，建立了制冷劑熱力性質(zhì)計(jì)算模型和制冷劑充注量數(shù)學(xué)模型，聯(lián)立各部件模型，利用Matlab軟件編寫(xiě)了系統(tǒng)的模擬計(jì)算程序，迭代求解了整個(gè)熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)。
　　 (2)以上海交通大學(xué)郭俊杰博士建立的空氣源熱泵熱水裝置在5℃的實(shí)驗(yàn)性能為參照，結(jié)合蘭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用系統(tǒng)模擬計(jì)算程序研究了空氣源熱泵

4、熱水器在蘭州冬季環(huán)境溫度為-20～5℃時(shí)的性能，結(jié)果表明:隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能得到了改善，制熱量迅速升高，壓縮機(jī)耗功下降，熱水加熱時(shí)間縮短，系統(tǒng)COP明顯增大;當(dāng)環(huán)境溫度低于-15℃時(shí)，蒸發(fā)溫度過(guò)低，制冷劑流量很小，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP低于1.6，幾乎等同于用電直接制取熱水。
　　 (3)設(shè)計(jì)了一套直膨式太陽(yáng)能集熱器，與空氣換熱器/蒸發(fā)器并聯(lián)作為太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)端，在-20～5℃的環(huán)境溫度下，取太陽(yáng)能輻射

5、強(qiáng)度分別為200W/m2、500W/m2、700W/m2，研究太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明:系統(tǒng)的制熱量隨環(huán)境溫度和太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的升高而增大，太陽(yáng)能和空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)的制熱量明顯大于單獨(dú)空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量，而且隨著太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的增大而增大;壓縮機(jī)功率隨環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的升高略有升高，但變化不大;隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)COP明顯升高，熱水加熱時(shí)間△τ不斷減少。
　　 (4)研究了設(shè)定

6、工況下系統(tǒng)把水從15℃加熱到55℃的過(guò)程中太陽(yáng)能、空氣熱能以及壓縮機(jī)耗功各自的貢獻(xiàn)率，即能量的輸入份額，結(jié)果表明:當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，太陽(yáng)能和空氣熱能所輸入的能量份額逐漸上升，而壓縮機(jī)耗電量逐漸減小;隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增大，太陽(yáng)能輸入的能量份額增大，空氣熱能輸入的能量份額減小，壓縮機(jī)耗電量輸入份額減小。
　　 (5)與傳統(tǒng)能源熱水器（燃?xì)鉄崴?、燃煤熱水器、電加熱熱水器）相比，制取相同量的熱水，單?dú)空氣源熱

7、泵熱水器和太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器經(jīng)濟(jì)性都明顯優(yōu)于電加熱熱水器;當(dāng)環(huán)境溫度高于-5℃時(shí)，空氣源熱泵熱水器和太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器比燃?xì)鉄崴鞴?jié)能，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的能耗越少，經(jīng)濟(jì)性越明顯;環(huán)境溫度高于-20℃時(shí)太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器也明顯比燃?xì)鉄崴骱腿济簾崴鞲?jié)能，并且隨著環(huán)境溫度的升高系統(tǒng)耗電量和電費(fèi)越少;太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性明顯優(yōu)于單獨(dú)空氣源熱泵熱水器;當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，制取相同量的生活

8、熱水，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器分別比天然氣、標(biāo)準(zhǔn)煤、電能和單獨(dú)空氣源熱泵熱水器節(jié)能50.4％，53.7％，82.1％，42.8％;隨著各能源價(jià)格的上漲，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水器具有較高的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
　　 本課題的創(chuàng)新性在于研發(fā)了一套適合冬季寒冷地區(qū)使用的太陽(yáng)能輔助的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并研究了其-20～5℃環(huán)境溫度下的性能，改善了單獨(dú)空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷氣候條件下的制熱性能，為該系統(tǒng)在西北地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。