雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的理論和實驗研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，我國能源消費量持續(xù)上升，過度消耗化石能源引起生態(tài)破壞，“以煤為主”的能源結構造成城市大氣污染，導致生態(tài)環(huán)境壓力越來越大，能源環(huán)境問題受到廣泛關注，成為亟待解決的關鍵問題。因此，提高可再生能源在能源結構中的比例，探索更高效的能源利用方法，是實現(xiàn)我國社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。
　　通過將熱泵技術與太陽能利用技術結合，太陽能熱泵技術(solar assisted heatpump，SAHP)將太陽

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

3、接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)的運行性能不穩(wěn)定。間接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)利用儲熱水箱儲存所收集的太陽能，可以有效解決太陽輻射與加熱負荷之間不匹配的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，但是同時也導致了系統(tǒng)結構復雜，初始投資大等問題。本文針對間接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)和直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)在應用中存在的問題，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)，對其展開了深入研究，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)可以利用太陽能和空氣

4、源實現(xiàn)制冷、制熱和制熱水，能夠在全年高效運行。設計并搭建雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)，基于太陽能熱泵空調性能檢測平臺提供的穩(wěn)定外界環(huán)境，針對太陽能制熱模式和太陽能制熱水模式在不同運行策略下運行時，不同初始條件和邊界條件對系統(tǒng)性能的影響進行了實驗研究。結果表明，太陽能制熱水模式中，初始水溫越高，蒸發(fā)側和冷凝側換熱功率越高，對應的系統(tǒng)耗功量和COP越高。太陽能制熱模式中，提高初始水溫可以顯著提高蒸發(fā)側和冷凝側換熱功率，對應的系統(tǒng)耗功量和COP也隨之

5、升高，當太陽能集熱系統(tǒng)和多功能熱泵系統(tǒng)同時運行時，太陽輻照強度升高，蒸發(fā)側和冷凝側換熱量均上升，COP也隨之升高。根據(jù)第二定律分析可知，對于雙熱源多功能熱泵系統(tǒng)的太陽能制熱水模式和太陽能制熱模式，當蒸發(fā)側有太陽輻照輸入時，由于蒸發(fā)側和冷凝側換熱功率升高，系統(tǒng)的(火用)效率也隨之升高。在太陽能制熱水模式中，當生活用水箱水溫隨著加熱過程升高時，系統(tǒng)的(火用)效率升高。在太陽能制熱模式中，低溫熱源溫度隨著制熱過程降低，而高溫熱源溫度保持不變，

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)的動態(tài)數(shù)學模型，并利用實驗數(shù)據(jù)驗證模型的準確性，模擬結果與實驗結果的均方根誤差小于5％。基于經(jīng)驗證的動態(tài)數(shù)學模型，對系統(tǒng)在不同運行條件的性能進行了模擬預測。為了充分利用太陽能，降低系統(tǒng)能耗，滿足熱需求，分別針對供暖季節(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)的全年運行性能進行了模擬計算，該系統(tǒng)能夠全年在以上三個地區(qū)以較高的COP運行。
　　針對直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在運行中存在的問題，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)可以同時從外界環(huán)境和太陽輻照中獲取能量以產(chǎn)出熱水和電。通過建立并聯(lián)式雙熱源熱泵系統(tǒng)動態(tài)模型，研究不同太陽輻照強度、不同環(huán)境溫度以及不同光伏電

8、池覆蓋率對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)器可以在不利的運行條件下起到互補作用。當系統(tǒng)中盤管水箱水溫升高時，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。當太陽輻照強度處于較低水平時，PV/T蒸發(fā)器換熱功率降低，此時，空氣源成為主要的熱源。隨著太陽輻照強度升高，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，冷凝側換熱功率增大，流入PV/T蒸發(fā)器的制冷工質質量流量增大，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。當輻照強度分別為100W/m2、200W/m2和300W/m2時，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)側換熱功率增大，冷凝側換熱功率隨之增大，空氣源蒸發(fā)器中制冷工質的質量流量增大，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。當環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時，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，對應的光伏效率和發(fā)電量增大，而光熱效率和換熱功率

11、降低，空氣源蒸發(fā)器中的制冷工質質量流量增大，系統(tǒng)的COP和PV/T蒸發(fā)器的光伏光熱綜合效率升高。當PV/T蒸發(fā)器的光伏電池覆蓋率從0增大到1時，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