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1、直膨式太阳能热泵系统性能分析与优化摘 要： 本文介绍了直膨式太阳能热泵系统的工作原理，针对该系统建立仿真模型，并从太阳辐射强度、环境温度、集热面积、压缩机转速等角度对其热工性能进行了分析，提出了一般性的优化设计、匹配运行的意见。关键词： 太阳能热泵;直接膨胀式;性能系数.Analysis and Optimiazation of the Direct-Expansion Solar-Assisted Heat Pump (DX-SAHP) SystemAbstract: This article introduces the working principles of the DX-SAHP
2、system and sets up a simulation model for it. It analyzes the thermal performance of the system from the points of solar radiation intensity, environment temperature, collector area and rotational speed of compressor. Optimiazation suggestions are also proposed.key words: solar heat pump; direct exp
3、ansion; performance coefficient. 0 引言众所周知，热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵虽然消耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和。故采用热泵可以节约高位能，特别是在冬季供暖的场所尤其显得经济。把热泵技术和太阳能热利用技术有机地结合起来，组成太阳能热泵供热系统，不仅能够有效地克服太阳能稀薄性和间歇性的弱点，还能节约高位能和减少环境污染，具有较大的开发应用潜力。根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式，太阳能热泵可分为直接膨胀式（简称“直膨式”）和非直接膨胀式。其中，直膨式太阳能热泵的概念早在1955年就由S
4、pom等人提出，他们的研究表明直膨式结构可以同时提高热泵机组和太阳集热器的性能。此后，国外研究者对这种系统进行了一系列理论和实验研究，取得了大量成果，而国内在这方面的研究甚少。同时，由于我国各地气候条件以及系统结构参数和匹配关系的差异，各研究团队设计的实验样机的热性能差别很大，产品实用化的进程缓慢。本文对直膨式太阳能热泵系统在不同工况下的运行性能进行了模拟仿真，并引用国内高校的研究实验数据进行对比，分析各种运行条件对系统COP的影响，并得出一般性的直膨式太阳能系统的优化方向。1 直膨式太阳能热泵工作原理热泵是一种从低温环境吸取热量而向温度较高的物体供给热量的设备，其工作循环和制冷装置的工作循环
5、一样，是逆卡诺循环，只是其工作目的、工作温度和性能指标不同而已。直膨式太阳能热泵与空气源热泵的区别是，前者是以太阳辐射能作为低温热源，这样可以做可以在环境温度较低时显著提高系统的性能系数，起到节约能源的作用。直膨式太阳能热的主要部件包括太阳能集热器/蒸发器，压缩机、热力膨胀阀、冷凝器等，基本工作原理如图1所示。图1直膨式太阳能热泵工作原理2 数学模型的建立与分析上世纪80年代开始制冷空调是设计方法的现代化逐渐成为一种趋势，它将制冷系统热动力学、数学和计算机科学而建立系统的数值仿真模型，然后在数值计算结果的指导下进行必要的实验研究，可以理论与实践相结合，提高科学研究的可靠性与效率。同时，由于受到
6、不同的实验装置地理位置运行时间和气候条件等因素的影响，不仅直膨式太阳能热泵热水系统的实验结果难以推广应用，而且难以为实验装置的进一步优化提供依据。因此，利用数值仿真模型进行系统性能的分析显得尤为必要。本节针对图1中涉及的直膨式太阳能热泵热水系统的主要部件，采用运算速度快、计算结果满足要求的集中参数方法；而后将每个部件出口处制冷剂状态作为下一部件进口处制冷剂状态，并将各部件制冷剂流量均视为与压缩机排量相同。 2.1太阳能集热/蒸发器模型太阳能集热/蒸发器的热性能普遍采用两种方法来模拟分析：一种是考虑管内制冷剂的压降，利用平衡均相理论建立制冷剂均相流动的控制方程，并采用四阶Runge Kutta法
7、对其求解；另一种是忽略了制冷剂在集热器中的压降，利用能量平衡原理建立了集热/蒸发器的代数控制方程。管内制冷剂压降较小(20 kPa)的情况下两种方法所得结果非常接近，本文所引用的数据都是在压降较小的情况下测得的，因此可采用简单模型加以分析。由制冷剂在集热器内的吸热量等于集热器有效集热量可得下列能量平衡公式： Q=mr(h1-h4)=AeFS-UL(Te-T0)= AeFIT-(T04-TSky4)-UL(Te-T0) (1) UL =(5.7+3.8Vw+4T03) (2) TSky=0.0552 T01.5 (3)其中，mr为制冷剂质量流量（kg/s）；h1为集热器出口制冷剂焓值（J/kg）
8、；h4为集热器进口制冷剂焓值（J/kg）；Ae为集热面积（m2）；F为集热板即热效率因子；S为集热板吸收、发射辐射之差(W/m2)；UL为集热板总热损系数（W/m2K）；Te为制冷剂蒸发温度（K）；T0为室外环境温度（K）；为集热板表面太阳吸收率；为集热板表面辐射率；为黑体辐射常数，5.6710-8W/(m2K4)；TSky为有效天空温度（K）；Vw为室外风速（m/s）（取本文取南京冬季室外计算风速2.6m/s）。2.2冷凝器模型2.2.1制冷剂侧换热方程Qcond=AcondUcond(Tcond - Tw) (4)(5)其中，是冷凝盘管的传热系数：Ucond=1Acond,oAcond,i
9、1hcond+1hw由于制冷剂在冷凝器盘管中为两相环状流，因此在水平方位冷凝盘管内的表面传热系数，可用下式估算：hcond=0.0265kldcond,iGrdcond,il0.8Cplkl0.3 (6)其中，kl为液态制冷剂导热系数（W/(mK)）；Gr为制冷剂环状流质量流量（kg/(sm2)）；l为液态制冷剂动力粘性系数（Ns/m2）；Cpr为制冷剂比热，假定是两相环状流，此处采用饱和液态的比热，（J/(kgK)）；水侧表面传热系数为：hw=0.5kwdcond,ogwtGrdcond,o3w2Cpwwkw0.25 (7)其中，kw为水的导热系数（W/(mK)）；w为水的体积膨胀系数（1/
10、K）；Cpw为水的比热（J/(kgK)）；w为水的动力粘度（Pas）2.2.1制冷剂侧换热方程冷凝功率和集热板即热功率、压缩机输入功率之间有如下关系式：Qcond=Qeva + compWcomp (8)采用均匀水箱模型进行分析，则可以认为水箱内部温度分布保持均匀一致。同时，假设水箱逼问与水文始终保持一致，则可得能量平衡方程： Qw=(MwCw+MwCw) =Qc - (UA)t(Tw-Ta) (9)其中，Mw、Cw分别为水箱中水的质量（kg）和比热（J/kgK)；Mwt、Cwt分别为水箱内壁的质量（kg）和比热（J/kgK)；Qw为冷凝器的加热量（J）；（UA）t为水箱壁面的热损系数（W/K
11、）；Tw为水温（）；Tw为水的温升（）；Ta为环境温度（）。2.3压缩机模型2.3.1制冷剂质量流量(10)mr=nVd60i其中，n为压缩机转速（r/min）；i为压缩机吸气比容（m3/kg）；为压缩机输气系数；Vd为压缩机理论排气量（m3/kg）。2.3.2压缩机功率Wcomp=mrPeicompkk-1PcPek-1k-1 (11)其中，comp为压缩机的总效率，是指示功率和输入功率的比值；Pc、Pe分别为冷凝压力和蒸发压力（Pa）；k为压缩过程的多变指数。2.4热力膨胀阀模型2.4.1流量特性方程通过热力膨胀阀的制冷剂流量可按下式计算：mr=CvA02lp (12)Cv=0.02005
12、l+0.634vo (13)其中，p为阀孔前后压差（Pa）；Cv为流量系数；A0为阀孔的最小流通面积（m2）；l为入口液体制冷剂密度（kg/m3）；vo为出口制冷剂比容（m3/kg）。2.4.2能量方程由节流前后焓不变，可得： hi=ho (14)其中hi、ho分别是热力膨胀阀进出口处制冷剂的焓值（J/kg）。2.5求解方法要使得以上四个部件的模型耦合起来，形成可以进行仿真模拟的系统，需要以下三个条件作为约束条件：1） 各部件连接点处的制冷剂质量流量守恒；2） 各部件制冷剂质量之和等于系统的充注量；3） 冷凝功率等于集热器集热功率与压缩机指示功率之和。然后根据系统的热力循环过程作为程序的运算流
13、程，并以以上三个约束条件作为循环的判据进行运算。主要部件参数选取文献X中的实验系统部件参数。本文利用Visual C+作为编程工具进行运算，流程图如图2所示。是是开始输入结构、气象参数等初始条件输入时间步长（60s）、水终温压缩机、冷凝器、膨胀阀计算约束条件1）集热/蒸发器计算约束条件3）约束条件2）输出结果结束调整冷凝压力调整蒸发压力调整蒸发器出口过热度水箱温度达预设值增加一个时间步长否是否是否否图23 结果分析3.1 环境温度与辐射强度影响 环境温度/图3辐射强度/Wm-2图4由图3和图4所示，随着太阳能辐射强度和环境温度的增大，热泵COP都会随之逐渐增大。在上海交通大学的研究中进一步发现
14、，当辐射强度较大时，环境温度对COP的影响则会较小。3.2 集热面积的影响集热面积/m2图5如图5所示，随着集热面积的增加，热泵的COP逐渐提升，主要是由于蒸发温度随着集热面积增大而提高，性能系数得到改善。但是，因为蒸发温度升高，散热也会增加，会导致集热性能下降。另有研究表明，冷凝器集热水箱体积增大也会使得COP和集热系数有所提升，且单位集热面积所匹配的水箱容积约为75L125L时，COP和集热系数都能达到比较理想的数值。3.3 压缩机转速的影响压缩机转速/（r/min）图6如图6所示，随着压缩机转速的增加，COP迅速下降，由于模拟数据是某一种工况下的，因此可以看出，对在一定工况下，压缩机转速需要适应工况来调节。相关研究表明，随着转速增加，集热效率则会增加，因此，可以调节至一个最佳转速，使得COP 和集热效率都能达到一个比较合理的数值。可以采用压缩机变频运行或者采用可调节流量的电膨胀阀来实现调节功能。3.4 仿真计算相对实验的误差山东科技大学对于直膨式太阳能热泵系统的一项基于实验与仿真模拟研究得
