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1、第6卷第6期 2 0 0 6年1 2月 制冷与空调 阳能辅助空气源跨临界二氧化碳 热泵热水与空调系统初探 孙兆虎 姜培学 邓建强 (清华大学) 摘 要 提出一种结构与控制均非常简单的太阳能辅助空气源跨临界括太阳 能集热系统、对不同气候条件，可采用制热、制冷、热水、制热十热 水、制冷十热水五种运行模式，实现热水和_有节能环保的优点。 关键词of O2 a O2 is t as of O2 O 作为一种自然物质，是较为理想的制冷 剂，其优点在于无毒、不燃、具有零，温室效应很低，价格低廉，不 需回收，对环境没有不可预见的负作用等。除了环 境方面的友好性外，较低的黏度，较好的传热性能等 J。目前作 为
2、制冷界的一个热点研究领域，美国、德国、挪威、 瑞典、日本、韩国、澳大利亚等积极开展跨临界环在汽车空调、家用冰箱、制冰机、家用热泵、商 用热泵等领域应用的研究3 质的热泵热水装置。奥地利、挪威、日本等国学者 的研究表明，这种热泵热水系统年平均到3以上，在一20环境下仍可提供90热水，与 收稿日期：200511讯作者：孙兆虎，加热或燃气热水器相比能耗降低75 。目前日 本的三菱重工、松下等公司都在开展跨临界水器的研究，并批量生产出了部分产品。自2001 年投放市场以来，销售量稳步上升，并赢得了“的称号。 太阳能热泵_9 有机结合起来，比采用常规工质的空气源热泵提 高性能系数50】0j。另外，季杰等
3、1112将家用空 调的热泵系统加以改进，使其具有热泵热水器的功 能，并通过合理匹配，协调运行，得到了集空调和热 水器于一体的多功能热泵系统。 1太阳能辅助空气源跨临界系统 笔者所研究的系统流程原理图如图1所示。 兆虎等：太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵热水与空调系统初探 此系统可以分为太阳能系统和制冷)系统，其中有三种管路系统：水 系统以及空气系统。此系统在不同气候条件下，通 过太阳能集热系统和热泵(制冷机)系统的协调配 合，可实现制热水、制热和制冷三种功能。 图1 太阳能辅助空气源跨临界，1运行模式 1)热水工况 a)在光照强度足够的情况下，通过太阳能集 热器的水回路可直接达到预定温度。
4、b)当光照强度不足时，开启热泵系统，四通阀 与4通道相连，四通阀2的 4与3通道相连，2与1和阀2分 别将空气换热器断开。此时热泵系统充分利用了 太阳能集热器端水换热器的热量，具有较高的性能 系数。 2)制热工况 启动热泵制热模式：四通阀，通阀2的4与3通道相连， 2与1通道相连。阀1将室内水换热器断开。此 时，也可调节阀2，利用太阳能水换热器将冷源温 度提高，从而提高系统制热性能系数。 3)制热+热水工况 a)在光照强度足够的情况下，通过太阳能集 热器的水回路系统和热泵系统可相互独立，也可调 节阀2，通过水换热器使热泵系统提高冷端温度， 从而提高性能系数。 b)当光照强度不足时，开启热泵制冷
5、模式，此 时调节阀1将室内水换热器串联在系统中用以加 热热水达到预定温度。循环的原理图如图2所示。 图2制热十热水运行模式原理图 2 制冷与空调 第6卷 4)制冷工况 启动制冷模式：四通阀1的3与1通道相连，2 与4通道相连，四通阀2的1与3通道相连，2与4 通道相连。阀1和阀2分别将各自水换热器断开。 5)制冷+热水工况 a)在光照强度足够的情况下，通过太阳能集 热器的水回路系统和制冷系统可相互独立，也可适 当调节阀2，通过水换热器加热热水，提高热水温 度。 b)当光照强度不足时，将阀2串联入制冷系 统，利用冷却热加热热水，此时利用了冷却 温度的优点，也减小了室外的热污染。若热水温度 还不够
6、，可启动热水箱中的电加热装置使热水达到 预定温度。循环的原理图如图3所示。 图3制冷+热水运行模式原理图 12特性分析 此系统是太阳能集热系统与跨临界泵 系统的有机结合，即想达到热泵一空调一热水一体 机的作用，虽然比常规系统在运行的控制方面较复 杂些，但它具有以下优点： 1)绿色环保 首先采用着环境 保护的迫切要求，它将是传统氟利昂类工质的最佳 的替代者。另外，对于太阳能可再生资源的利用， 不会对环境产生危害，而且还是解决能源危机的重 要方法之一。 2)系统结构简单，功能完备 由于本系统将空调器与热水器合二为一，故不 需要分别购置，减少安装空间，免除设备二次安装 费用。另外，相对于电热水器与燃
7、气、油热水器，提 高了安全性。 3)高能效比 与传统锅炉加热、电加热或燃气热水系统相比 ()，该系统具有3倍以上的能效比，而且 可夜间用电，经济性尤为突出；与常规太阳能热水 系统相比，该系统能稳定供热，受天气气候影响较 小；与其他工质空调系统比较，对于制热运行，该系 统工质更适合于低温循环，能在低温环境下稳定工 作，且由于该系统在蒸发器后又被太阳能加热，所 以提高了蒸发温度，从而提高了系统的4)冷凝热利用 对于超不断增加，循环的放热过程必将有较大的温度滑 移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配， 是一种特殊的劳伦兹循环，其换热过程必将有较高 的放热效率。而对于制冷+热水模式运行时，不像 传
8、统空调系统大多把冷凝热当作废热而直接排向 大气，而是充分利用了空调系统的冷凝热，避免了 能量的浪费和环境的局部热污染。 2结束语 随着人们对环境保护和人类可持续发展的高 度重视，以工质的研究成了一个新的研究 热点。随着人们对舒适性要求的增加，制取热水及 提供空调环境所消耗的能源逐年上升，为了有效降 低能耗，提高综合能源利用率，利用太阳能及高能 效比的热泵系统便成为今后发展的重点。笔者提 (上转第19页) 卫东等：管带式换热器动态调节性能研究 (a)可以看出，空气的出口温度对水温的斜波响应， 在一定的延时后基本上也是一输出斜波，并且从图 3(b)可以看出，对水的入气 的出变化的幅度要 小于液体温
9、度的变化幅度，并且气体的最大温度比 调节液体最大温度小05，气体的最低温度比调 节液体最低温度高105，也就是对低温调节的 效果没有高温好，这主要是换热器的余热惯性作用 的影响。综合上述分析可知，改变水的入口速度不 能调节空气的出口温度，而改变水的入口温度能对 空气的出口温度进行调节，但有一定的惯性，要小于 调节温度的变化幅度，并且高低温的调节不平衡。 3结论 笔者建立管带式换热器的动态数学模型，并采 用真软件对数学模型进行仿真。仿真 结果表明：气体侧的出度时，开始时响应较快，但经过较短时间后，即使 改变液体侧的入口流速，气体侧的出口温度基本不 再改变。气体侧的出口温度对改变液体侧入的响应有一
10、定惯性，但它能随液体侧入化而变化，因此改变液体的入口温度能对气体的 出口温度进行调节。 参考文献 1刘维华，陈芝久管带式换热器空气侧传热传质与阻 力性能的准则关联式流体机械，1994，22(10)：65， 2 杨世铭，传热学，2版，北京：高等教育出版社， 1989：482 3 996：300 jj-j-j j jI jI jI jI jI jI jI jI jI jI jI ji jI jI (下接第22页) 出的利用太阳能一空气源的跨临界c()，热泵热水 003，28：10051019 系统将太阳能利用与环境保护紧密结合起来，具有 6彭梦珑，胡烨沙铁道学 一定的优势，有利于人类社会的可持续发展。 院学报，2000，18(4)：9296 7 范晓伟，付光轩通空 参考文献 调，2002，(1)：43 46 1 胡苏保护臭氧层议定与汽车空调制冷剂的替代 8谢林日本热泵热水器行业近期动态家电科技， 汽车研究与开发，2003，(1)：3841 2004，(7)：2831 2 9 赵玉文我国太阳能利用技术的发展概况和趋势 农村电气化，2004，9：1l 1993，16(1)：410 Z， F， N3 W， M，Hr S22 134a 02 C resul
