雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，我國(guó)能源消費(fèi)量持續(xù)上升，過(guò)度消耗化石能源引起生態(tài)破壞，“以煤為主”的能源結(jié)構(gòu)造成城市大氣污染，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境壓力越來(lái)越大，能源環(huán)境問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，探索更高效的能源利用方法，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。
　　通過(guò)將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能利用技術(shù)結(jié)合，太陽(yáng)能熱泵技術(shù)(solar assisted heatpump，SAHP)將太陽(yáng)

2、能作為熱泵系統(tǒng)的熱源，一方面太陽(yáng)能可以有效提高熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，進(jìn)而提高熱泵系統(tǒng)性能，另一方面，熱泵系統(tǒng)的制冷工質(zhì)作為冷卻介質(zhì)，可以及時(shí)帶走太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱量，有效提高集熱效率。根據(jù)太陽(yáng)能集熱介質(zhì)，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可以分為:直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)（DX-SAHP）和間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)（IX-SAHP）。直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照強(qiáng)度高的情況下，可以達(dá)到較高的運(yùn)行效率，但是由于太陽(yáng)輻照以及其它室外環(huán)境條件的隨機(jī)變化，導(dǎo)致直

3、接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能不穩(wěn)定。間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)利用儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)存所收集的太陽(yáng)能，可以有效解決太陽(yáng)輻射與加熱負(fù)荷之間不匹配的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，但是同時(shí)也導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初始投資大等問(wèn)題。本文針對(duì)間接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)和直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)和并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)，對(duì)其展開(kāi)了深入研究，主要研究工作包括:
　　提出雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用太陽(yáng)能和空氣

4、源實(shí)現(xiàn)制冷、制熱和制熱水，能夠在全年高效運(yùn)行。設(shè)計(jì)并搭建雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)，基于太陽(yáng)能熱泵空調(diào)性能檢測(cè)平臺(tái)提供的穩(wěn)定外界環(huán)境，針對(duì)太陽(yáng)能制熱模式和太陽(yáng)能制熱水模式在不同運(yùn)行策略下運(yùn)行時(shí)，不同初始條件和邊界條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，太陽(yáng)能制熱水模式中，初始水溫越高，蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率越高，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功量和COP越高。太陽(yáng)能制熱模式中，提高初始水溫可以顯著提高蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功量和COP也隨之

5、升高，當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和多功能熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度升高，蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱量均上升，COP也隨之升高。根據(jù)第二定律分析可知，對(duì)于雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的太陽(yáng)能制熱水模式和太陽(yáng)能制熱模式，當(dāng)蒸發(fā)側(cè)有太陽(yáng)輻照輸入時(shí)，由于蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱功率升高，系統(tǒng)的(火用)效率也隨之升高。在太陽(yáng)能制熱水模式中，當(dāng)生活用水箱水溫隨著加熱過(guò)程升高時(shí)，系統(tǒng)的(火用)效率升高。在太陽(yáng)能制熱模式中，低溫?zé)嵩礈囟入S著制熱過(guò)程降低，而高溫?zé)嵩礈囟缺３植蛔儯?/p>

6、因此系統(tǒng)(火用)效率也隨之升高。
　　建立了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均方根誤差小于5％?；诮?jīng)驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件的性能進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。為了充分利用太陽(yáng)能，降低系統(tǒng)能耗，滿足熱需求，分別針對(duì)供暖季節(jié)和非供暖季節(jié)制定了雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的全年控制策略。基于全年運(yùn)行的控制策略，利用所建立的雙熱源多功能熱泵理論模型，對(duì)系統(tǒng)在合肥(32°N，117°E)

7、、北京(40°N，116°E)和西寧(37°N，102°E)的全年運(yùn)行性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，該系統(tǒng)能夠全年在以上三個(gè)地區(qū)以較高的COP運(yùn)行。
　　針對(duì)直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的問(wèn)題，提出了并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，PV/T蒸發(fā)器與空氣源蒸發(fā)器并聯(lián)，系統(tǒng)可以同時(shí)從外界環(huán)境和太陽(yáng)輻照中獲取能量以產(chǎn)出熱水和電。通過(guò)建立并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，研究不同太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、不同環(huán)境溫度以及不同光伏電

8、池覆蓋率對(duì)PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱性能和系統(tǒng)總體性能的影響。模擬結(jié)果表明，并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)中，PV/T蒸發(fā)器和空氣源蒸發(fā)器可以在不利的運(yùn)行條件下起到互補(bǔ)作用。當(dāng)系統(tǒng)中盤(pán)管水箱水溫升高時(shí)，空氣源蒸發(fā)器換熱功率降低，PV/T蒸發(fā)器換熱功率升高，可以降低水箱水溫升高所造成的不利影響。當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度處于較低水平時(shí)，PV/T蒸發(fā)器換熱功率降低，此時(shí)，空氣源成為主要的熱源。隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度升高，PV/T蒸發(fā)器換熱功率增大，空氣源蒸發(fā)器換熱功率減

9、小，冷凝側(cè)換熱功率增大，流入PV/T蒸發(fā)器的制冷工質(zhì)質(zhì)量流量增大，PV/T蒸發(fā)器的光熱效率和光伏效率降低，系統(tǒng)耗功量增大，COP增大。當(dāng)輻照強(qiáng)度分別為100W/m2、200W/m2和300W/m2時(shí)，PV/T蒸發(fā)器的平均光熱效率分別為49.27％、45.40％和44.16％，平均光伏效率分別為15.54％、15.46％和15.36％，系統(tǒng)平均COP為2.25、2.45和2.66。環(huán)境溫度越高，空氣源蒸發(fā)器和PV/T蒸發(fā)器從環(huán)境中獲得的熱

10、量增多，蒸發(fā)側(cè)換熱功率增大，冷凝側(cè)換熱功率隨之增大，空氣源蒸發(fā)器中制冷工質(zhì)的質(zhì)量流量增大，PV/T蒸發(fā)器的光熱效率升高，光伏效率降低，系統(tǒng)耗功量增大，COP增大。當(dāng)環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時(shí)，PV/T蒸發(fā)器光熱效率從49.27％上升到78.72％，光伏效率從15.54％降低到14.81％，系統(tǒng)COP從2.26上升到3.08。并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)中，PV/T蒸發(fā)器的光伏電池覆蓋率增高時(shí)，對(duì)應(yīng)的光伏效率和發(fā)電量增大，而光熱效率和換熱功率

11、降低，空氣源蒸發(fā)器中的制冷工質(zhì)質(zhì)量流量增大，系統(tǒng)的COP和PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱綜合效率升高。當(dāng)PV/T蒸發(fā)器的光伏電池覆蓋率從0增大到1時(shí)，PV/T蒸發(fā)器的光伏效率從0上升到16.29％，光熱效率從55.88％下降到44.64％，PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱綜合效率從55.88％增大到87.51％，系統(tǒng)COP從2.14增大到2.32。與采用普通太陽(yáng)能集熱器的并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)相比，采用PV/T集熱器作為蒸發(fā)器的系統(tǒng)具有更高的COP和更