直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化

解苗苗+黨相兵+關(guān)欣

文章編號(hào)：1008-8857(2014)02-0073-06 DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.003

摘 要：

直膨式太陽(yáng)能熱泵利用少量電能將太陽(yáng)能的低品位能量轉(zhuǎn)移至高品位,具有清潔、高效的優(yōu)點(diǎn),目前正成為節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),近年來(lái)取得了飛速發(fā)展.國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者作了相關(guān)研究并取得了一定的成果.概述了直膨式太陽(yáng)能熱泵在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展,總結(jié)了內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)等方面對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響.針對(duì)不同的影響因素,給出了多種提高直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的策略,以期對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用.

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關(guān)鍵詞：

直膨式; 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng); 內(nèi)部參數(shù); 外部參數(shù); 系統(tǒng)性能

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中圖分類號(hào)： TK 519文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Performance analysis and optimization of the directexpansion 

solarassisted heat pump system

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XIE Miaomiao,DANG Xiangbing,GUAN Xin

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(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for 

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

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Abstract： The directexpansion solarassisted heat pump system has been a hot spot in the research field of energy saving and has been developed rapidly in recent years.It is a clean and efficient technology and can be used to convert lowgrade solar energy to highgrade energy using a small amount of electricity.In this paper,the research progress of the directexpansion solarassisted heat pump both at home and abroad was summarized,and the impact of internal and external parameters on the capability of the heat pump system was discussed.A variety of strategies were proposed to improve the performance of the directexpansion solarassisted heat pump system.

Key words： 

directexpansion; solarassisted heat pump system; internal parameter; external parameter; performance of the system

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直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)是將制冷劑作為集熱介質(zhì)直接在太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā),然后通過熱泵循環(huán)在冷凝器中釋放冷凝熱用來(lái)供熱、制取生活熱水等.由于直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)具有清潔、高效、集熱系數(shù)高、集熱成本低、極具小型化和商品化潛力等優(yōu)點(diǎn),其相關(guān)研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

1955年,美國(guó)Sporn等通過實(shí)驗(yàn)研究提出了“直膨式太陽(yáng)能熱泵”的概念.研究表明,直膨式集熱結(jié)構(gòu)可同時(shí)提高熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的性能［l］.1958年,日本的柳丁政之助設(shè)計(jì)并建造了典型的雙槽式太陽(yáng)能輔助熱泵供(冷)暖系統(tǒng)——柳丁太陽(yáng)房Ⅱ號(hào)［2］,雖在技術(shù)上是比較先進(jìn)的,但存在經(jīng)濟(jì)性問題.1977年,Franklin等開發(fā)出一種直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在相同環(huán)境條件下,直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)的性能與常規(guī)的太陽(yáng)能直接采暖系統(tǒng)相比有顯著提高［3］.1979年,Chaturvedi等對(duì)直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵在飽和穩(wěn)定工況下的性能進(jìn)行了初步的理論研究［4］.20世紀(jì)80年代以后,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、熱力性能、工質(zhì)特性、運(yùn)行控制、計(jì)算機(jī)模擬和經(jīng)濟(jì)性分析等多方面進(jìn)行了研究,并取得一定成果.

 

本文將從影響直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)等方面對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)分析并提出優(yōu)化方法.

1 內(nèi)部參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析

壓縮機(jī)、太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥是構(gòu)成直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的四大部件.其中,太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓縮機(jī)容量(運(yùn)行頻率)是影響系統(tǒng)性能的主要內(nèi)部參數(shù).

1.1 太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器是直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的吸熱部件,其吸熱能力直接影響系統(tǒng)性能.上海交通大學(xué)、上海理工大學(xué)、山東科技大學(xué)等高校和眾多學(xué)者［5-13］通過建立太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型和搭建試驗(yàn)臺(tái)分析了太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律.

1.1.1 太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器類型的影響?yīng)?/p>

太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器類型會(huì)對(duì)集熱板表面溫度、管內(nèi)制冷劑壓降、流量等產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響系統(tǒng)性能系數(shù)COP.太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板與空氣存在對(duì)流和輻射換熱,保溫層和透明蓋板可減少集熱/蒸發(fā)板表面及背部與空氣的換熱,降低熱損失.劉立平等［10］模擬了三種不同類型的集熱/蒸發(fā)器對(duì)系統(tǒng)COP的影響,結(jié)果如圖1所示.可看出,集熱/蒸發(fā)器背部保溫與否對(duì)系統(tǒng)COP的影響不大,背部保溫的集熱/蒸發(fā)器所在系統(tǒng)的COP略高于無(wú)保溫結(jié)構(gòu)的系統(tǒng).相比之下,頂部裝透明蓋板,背面進(jìn)行保溫處理的集熱/蒸發(fā)器所在系統(tǒng)的COP明顯高于其它兩個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)COP提高了約12%.

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圖1 集熱器類型對(duì)系統(tǒng)COP的影響

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Fig.1

Effect of collector type on system COP

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1.1.2 太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的影響?yīng)?/p>

集熱面積增加,太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的吸熱量增加,則制冷劑的蒸發(fā)溫度升高;同時(shí),蒸發(fā)溫度的提高會(huì)增大集熱/蒸發(fā)器的散熱損失.上海交通大學(xué)曠玉輝［5］經(jīng)模擬研究發(fā)現(xiàn),在保持集熱/蒸發(fā)管的直徑和管間距不變的情況下,增加太陽(yáng)能集熱器面積可提高系統(tǒng)COP,但降低了集熱效率ηcoll,同時(shí)增加了集熱成本.

李振興［13］在系統(tǒng)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,模擬了集熱板厚度對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響.模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),集熱板厚度由0.5 mm增至4 mm的過程中,系統(tǒng)平均供熱性能系數(shù)COP由4.752增至4.761,太陽(yáng)能集熱器集熱效率ηcoll由1.127增至1.132.可見,集熱板厚度對(duì)系統(tǒng)性能的影響不大,應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)和安裝條件下盡量減小集熱板厚度,以減少初投資.

孫振華［7］在保持集熱面積不變的情況下,將鋁板熱軋吹漲式集熱/蒸發(fā)器更換為銅翅片管板式集熱/蒸發(fā)器,并進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn).兩種不同的集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.在太陽(yáng)輻照度變化不大的情況下,運(yùn)行過程中壓力損失明顯減小.

1.2 冷凝器結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

冷凝器是直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的能量輸出部件,用于供暖或加熱生活熱水.在滿足系統(tǒng)壓降的前提下,增加冷凝器面積,可降低冷凝器出口的制冷劑焓值,即增大了冷凝器換熱量,導(dǎo)致COP、集熱效率升高,加熱時(shí)間減少,壓縮機(jī)耗功降低.李振興［13］通過模擬發(fā)現(xiàn),沉浸式冷凝盤管的長(zhǎng)度由20 m逐步增加至80 m,系統(tǒng)平均COP由3.99

圖2 太陽(yáng)能集熱板結(jié)構(gòu)示意圖

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Fig.2

Schematic of the solar collector/evaporator

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圖3 更換集熱板前、后的制冷劑壓降

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Fig.3

Pressure drop of refrigerant before and after replacement of evaporators

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增至5.05,太陽(yáng)能集熱器平均集熱效率ηcoll由1.08 增至1.15,熱水加熱時(shí)間τh由144 min降至140 min,壓縮機(jī)耗功Wcomp由1.50 kWh降至1.19 kWh.可見,增加冷凝器的有效換熱面積,可對(duì)冷凝器的換熱效果起到一定的強(qiáng)化作用.

1.3 壓縮機(jī)容量對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

壓縮機(jī)為制冷劑熱力循環(huán)提供動(dòng)力,其容量大小決定了運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的制冷劑質(zhì)量流量的大小,影響系統(tǒng)性能.Chaturvedi等 ［14］和Hawlader等 ［15］分別研究了壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,結(jié)果如圖4所示.對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行變?nèi)萘空{(diào)節(jié)后,直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)會(huì)顯著提高.環(huán)境溫度為12 ℃時(shí),將壓縮機(jī)頻率從50 Hz降低至30 Hz,系統(tǒng)COP提高了約12%;環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),將壓縮機(jī)頻率從50 Hz降低到30 Hz,系統(tǒng)制熱性能系數(shù)提高約50%.

2 外部參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定后,其性能完全取決于系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境條件——外部參數(shù).通過分析系統(tǒng)在外部參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的性能,可對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn).

圖4 不同環(huán)境溫度下壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)熱性能的影響



Fig.4

Effect of frequency conversion adjustment on 

the performance of the directexpansion solar

assisted heat pump system at different ambient 

temperatures



2.1 太陽(yáng)輻照度對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

太陽(yáng)輻射能是制冷劑蒸發(fā)的主要熱源,太陽(yáng)輻照度會(huì)直接影響制冷劑的蒸發(fā)溫度,進(jìn)而影響到整個(gè)熱泵循環(huán)的性能.理論研究表明,隨著太陽(yáng)輻照度的增大,系統(tǒng)COP和熱水加熱功率Qh幾乎呈線性上升,Wcomp略有增加,τh減小,熱泵循環(huán)性能得到提高.曠玉輝［5］就太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)性能影響的模擬結(jié)果如圖5所示.

2.2 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

環(huán)境溫度升高,系統(tǒng)各性能指標(biāo)都得到了一定的改善.其中COP上升,集熱器集熱功率Qc和熱水加熱功率Qh均增大;τh下降;Wcomp變化較小.這是由于集熱/蒸發(fā)板與周圍空氣通過對(duì)流換熱吸收熱量,且環(huán)境溫度越高,集熱/蒸發(fā)板從空氣中吸收熱量就越多.這在一定程度上彌補(bǔ)了太陽(yáng)能的不足,使得ηcoll增大.因此,環(huán)境溫度的升高對(duì)系統(tǒng)性能的改善是十分有利的.曠玉輝［5］就環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響的模擬結(jié)果如圖6所示.



圖5 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

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Fig.5

Effect of solar radiation intensity on system performance

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圖6 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

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Fig.6

Effect of ambient temperature on system performance

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2.3 初始水溫對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

初始水溫升高,壓縮機(jī)耗電量減少,集熱效率變化不大,而達(dá)到設(shè)定溫度所需要的熱水加熱時(shí)間幾乎呈線性減少,系統(tǒng)平均COP因冷凝效果變差而逐漸降低.李振興［13］通過模擬發(fā)現(xiàn),初始水溫Tw由5 ℃增至30 ℃的過程中,系統(tǒng)平均COP由5.39降至4.07,ηcoll由1.17降至1.08,τh由183 min降至84 min,Wcomp由1.46 kWh降至0.86 kWh.在模擬工況下,初始水溫平均每升高5 ℃,熱水加熱耗時(shí)平均減少10 min左右.

2.4 室外風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

室外風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響則取決于集熱/蒸發(fā)板溫度與環(huán)境溫度差值的正負(fù),即當(dāng)集熱/蒸發(fā)板溫度高于環(huán)境溫度時(shí),室外風(fēng)速增大,集熱/蒸發(fā)板面與周圍空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)增大,導(dǎo)致集熱/蒸發(fā)板散熱損失增大,系統(tǒng)性能下降;反之,集熱/蒸發(fā)板從空氣中吸收更多的熱量,使系統(tǒng)性能得到改善.

3 提高直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的措施

近年來(lái)直膨式太陽(yáng)能熱泵取得了飛速發(fā)展,但是系統(tǒng)初投資普遍較高.存在集熱效率低、系統(tǒng)容量匹配性差等問題,需要進(jìn)一步改善和提高.通過對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能影響因素的分析,認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面加以優(yōu)化:

(1) 建立更加完善的動(dòng)態(tài)仿真模型

增加集熱面積和冷凝器面積都可以提高直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能.但集熱面積過大,導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣過熱度過大,制冷劑質(zhì)量流量減少,從而壓縮機(jī)功耗損失增大,將對(duì)熱泵循環(huán)及系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響;過大的冷凝器面積,使制冷劑充注量相對(duì)不足,系統(tǒng)性能下降,熱水加熱時(shí)間增大.同時(shí)兩者都會(huì)大幅增加系統(tǒng)的制造成本.因此,需要建立更加完善的動(dòng)態(tài)仿真模型,從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能兩個(gè)方面考慮,確定最佳的集熱面積和冷凝器面積,在提高系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上減少初投資.

(2) 優(yōu)化太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板結(jié)構(gòu)

進(jìn)行合理的管路設(shè)計(jì),降低集熱/蒸發(fā)板壓降;采用導(dǎo)熱性能好、易加工的銅鋁材料相結(jié)合方式制作導(dǎo)熱性能強(qiáng)、造價(jià)低的集熱/蒸發(fā)器;適當(dāng)增加集熱/蒸發(fā)板上的制冷劑流程數(shù),改善太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的集熱性能和系統(tǒng)整體循環(huán)性能;減小集熱板厚度,對(duì)于系統(tǒng)性能影響不大,但可有效減少制作材料、降低成本;在集熱/蒸發(fā)板面上增加一些強(qiáng)化對(duì)流換熱的設(shè)計(jì),可減小邊界對(duì)流熱阻、增大有效傳熱面積,強(qiáng)化對(duì)流換熱.

(3) 研發(fā)和使用可控面積的太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器

設(shè)計(jì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)時(shí),太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的面積是指在最不利工況下,系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的最小面積.當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度大時(shí)會(huì)導(dǎo)致從集熱板出來(lái)的制冷劑過熱度過高,壓縮機(jī)功耗增加,COP下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停機(jī).為保證系統(tǒng)始終在最優(yōu)工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)行,可以研發(fā)并使用可控面積的太陽(yáng)能集熱器.

(4) 太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器

有效能分析法可以確定過程的有效能損失和有效能效率,并揭示能量損耗的大小、部位和原因.墨西哥的Torres等［16］通過對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行有效能分析發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)輻照度越大,集熱板的有效能損失越小.所以可以控制系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器以提高有效能效率.

(5) 采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)

太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板確定的前提下,保持壓縮機(jī)和太陽(yáng)集熱板在工況變化時(shí)的容量匹配,可減小壓比、提高蒸發(fā)溫度,有效降低這兩個(gè)部件的有效能損失.建議采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥的聯(lián)合控制.電子膨脹閥控制制冷劑流量,使壓縮機(jī)容量隨蒸發(fā)壓力的改變而改變.

(6) 與蓄熱相結(jié)合

太陽(yáng)輻照強(qiáng)度是不穩(wěn)定的,存在波動(dòng)性,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定.夜間是使用生活用水量較大的時(shí)間段,而太陽(yáng)輻照強(qiáng)度在白天較高,供需存在時(shí)間差.所以直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)應(yīng)與蓄熱相結(jié)合,以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和能量利用率.

(7) 控制過熱度

壓縮機(jī)吸氣的過熱度對(duì)排氣溫度、其它循環(huán)特性指標(biāo)、系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有重要影響,所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過熱度的控制.可以建立準(zhǔn)確反映熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中過熱度變化的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型,確定合適的過熱度控制參數(shù),并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化.

4 結(jié) 論

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響因素很多.太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和類型、冷凝器結(jié)構(gòu)和類型、壓縮機(jī)容量、太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速、初始水溫等都會(huì)影響系統(tǒng)性能.通過建立更加完善的動(dòng)態(tài)仿真模型、優(yōu)化太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板結(jié)構(gòu)、使用可控面積的太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器、采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)、與蓄熱相結(jié)合、控制過熱度等策略可以提高系統(tǒng)性能和能量利用率.

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［11］ 趙芳.直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究［D］.青島:山東科技大學(xué),2007.

［12］ 張東.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的模擬分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［13］ 李振興.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［14］ CHATURVEDI S K,CHEN D T,KHEIREDDINE A.Thermal performance of a variable capacity direct expansion solar assisted heat pump［J］.Energy Conversion and Management,1998,39(3/4):181-191.

［15］ HAWLADER M N A,CHOU S K,ULLAH M Z.The performance of a solarassisted heat pump water heating system［J］.Applied Thermal Engineering,2001,21(10):1049-1065.

［16］ TORRES R E,PICON N M,CERVANTES D G J.Exergy analysis and optimization of a solarassisted heat pump［J］.Energy,1998,23(4):337-344.





信息

重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”通過驗(yàn)收



近日,中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司承擔(dān)的國(guó)家“十五”863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”順利通過國(guó)家驗(yàn)收.

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)于2002年啟動(dòng),經(jīng)過12年研究探索,先后完成了燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、裝配和廠內(nèi)全轉(zhuǎn)速空負(fù)荷試車和外場(chǎng)簡(jiǎn)單循環(huán)72 h試運(yùn)行,2013年實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)168 h試運(yùn)行,并達(dá)到了項(xiàng)目規(guī)定的考核指標(biāo).通過專項(xiàng)的開展,突破了一系列關(guān)鍵技術(shù),取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果,使我國(guó)初步建立起了以R0110燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)平臺(tái),具備了重型燃?xì)廨啓C(jī)自主研制試驗(yàn)?zāi)芰?

(王 波)

設(shè)計(jì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)時(shí),太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的面積是指在最不利工況下,系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的最小面積.當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度大時(shí)會(huì)導(dǎo)致從集熱板出來(lái)的制冷劑過熱度過高,壓縮機(jī)功耗增加,COP下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停機(jī).為保證系統(tǒng)始終在最優(yōu)工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)行,可以研發(fā)并使用可控面積的太陽(yáng)能集熱器.

(4) 太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器

有效能分析法可以確定過程的有效能損失和有效能效率,并揭示能量損耗的大小、部位和原因.墨西哥的Torres等［16］通過對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行有效能分析發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)輻照度越大,集熱板的有效能損失越小.所以可以控制系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器以提高有效能效率.

(5) 采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)

太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板確定的前提下,保持壓縮機(jī)和太陽(yáng)集熱板在工況變化時(shí)的容量匹配,可減小壓比、提高蒸發(fā)溫度,有效降低這兩個(gè)部件的有效能損失.建議采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥的聯(lián)合控制.電子膨脹閥控制制冷劑流量,使壓縮機(jī)容量隨蒸發(fā)壓力的改變而改變.

(6) 與蓄熱相結(jié)合

太陽(yáng)輻照強(qiáng)度是不穩(wěn)定的,存在波動(dòng)性,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定.夜間是使用生活用水量較大的時(shí)間段,而太陽(yáng)輻照強(qiáng)度在白天較高,供需存在時(shí)間差.所以直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)應(yīng)與蓄熱相結(jié)合,以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和能量利用率.

(7) 控制過熱度

壓縮機(jī)吸氣的過熱度對(duì)排氣溫度、其它循環(huán)特性指標(biāo)、系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有重要影響,所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過熱度的控制.可以建立準(zhǔn)確反映熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中過熱度變化的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型,確定合適的過熱度控制參數(shù),并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化.

4 結(jié) 論

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響因素很多.太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和類型、冷凝器結(jié)構(gòu)和類型、壓縮機(jī)容量、太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速、初始水溫等都會(huì)影響系統(tǒng)性能.通過建立更加完善的動(dòng)態(tài)仿真模型、優(yōu)化太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板結(jié)構(gòu)、使用可控面積的太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器、采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)、與蓄熱相結(jié)合、控制過熱度等策略可以提高系統(tǒng)性能和能量利用率.

參考文獻(xiàn):

［1］ SPORN P,AMBROSE E R.The heat pump and solar energy［C］∥Proceedings of the World Symposium on Appiled Solar Energy,Phoenix,1955.

［2］ 日本太陽(yáng)能學(xué)會(huì).太陽(yáng)能的基礎(chǔ)和應(yīng)用［M］.李鑒民,李安定,譯.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1982.

［3］ FRANKLIN J L,SAASKI E W,YMAGIWA A.A high efficiency direct expansion solar panel［C］∥Proceedings of 1977 FlatPlate Solar Collector Conference,Orlando,1977:187-195.

［4］ CHATURVEDI S K,MEI V.Solar collector as heat pump evaporator［C］∥Proceedings of 13th Inter Society Energy Conversion Conference,Boston,1979:4-9.

［5］ 曠玉輝.直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵空調(diào)及熱水系統(tǒng)的研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2004.

［6］ 李郁武.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水裝置的優(yōu)化分析與變?nèi)萘窟\(yùn)行研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2007.

［7］ 孫振華.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器性能改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2008.

［8］ 劉立平,闕炎振,張華.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的熱力性能分析［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2008,29(4):21-24.

［9］ 劉立平,趙軍,張華.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的模型仿真［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2009,30(5):596-601.

［10］ 劉立平,闕炎振,趙軍,等.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的模擬分析［J］.流體機(jī)械,2008,36(7):67-71.

［11］ 趙芳.直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究［D］.青島:山東科技大學(xué),2007.

［12］ 張東.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的模擬分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［13］ 李振興.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［14］ CHATURVEDI S K,CHEN D T,KHEIREDDINE A.Thermal performance of a variable capacity direct expansion solar assisted heat pump［J］.Energy Conversion and Management,1998,39(3/4):181-191.

［15］ HAWLADER M N A,CHOU S K,ULLAH M Z.The performance of a solarassisted heat pump water heating system［J］.Applied Thermal Engineering,2001,21(10):1049-1065.

［16］ TORRES R E,PICON N M,CERVANTES D G J.Exergy analysis and optimization of a solarassisted heat pump［J］.Energy,1998,23(4):337-344.

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信息

重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”通過驗(yàn)收

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近日,中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司承擔(dān)的國(guó)家“十五”863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”順利通過國(guó)家驗(yàn)收.

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)于2002年啟動(dòng),經(jīng)過12年研究探索,先后完成了燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、裝配和廠內(nèi)全轉(zhuǎn)速空負(fù)荷試車和外場(chǎng)簡(jiǎn)單循環(huán)72 h試運(yùn)行,2013年實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)168 h試運(yùn)行,并達(dá)到了項(xiàng)目規(guī)定的考核指標(biāo).通過專項(xiàng)的開展,突破了一系列關(guān)鍵技術(shù),取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果,使我國(guó)初步建立起了以R0110燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)平臺(tái),具備了重型燃?xì)廨啓C(jī)自主研制試驗(yàn)?zāi)芰?

(王 波)

設(shè)計(jì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)時(shí),太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的面積是指在最不利工況下,系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的最小面積.當(dāng)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度大時(shí)會(huì)導(dǎo)致從集熱板出來(lái)的制冷劑過熱度過高,壓縮機(jī)功耗增加,COP下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停機(jī).為保證系統(tǒng)始終在最優(yōu)工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)行,可以研發(fā)并使用可控面積的太陽(yáng)能集熱器.

(4) 太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器

有效能分析法可以確定過程的有效能損失和有效能效率,并揭示能量損耗的大小、部位和原因.墨西哥的Torres等［16］通過對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行有效能分析發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)輻照度越大,集熱板的有效能損失越小.所以可以控制系統(tǒng)在太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器以提高有效能效率.

(5) 采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)

太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板確定的前提下,保持壓縮機(jī)和太陽(yáng)集熱板在工況變化時(shí)的容量匹配,可減小壓比、提高蒸發(fā)溫度,有效降低這兩個(gè)部件的有效能損失.建議采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥的聯(lián)合控制.電子膨脹閥控制制冷劑流量,使壓縮機(jī)容量隨蒸發(fā)壓力的改變而改變.

(6) 與蓄熱相結(jié)合

太陽(yáng)輻照強(qiáng)度是不穩(wěn)定的,存在波動(dòng)性,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定.夜間是使用生活用水量較大的時(shí)間段,而太陽(yáng)輻照強(qiáng)度在白天較高,供需存在時(shí)間差.所以直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)應(yīng)與蓄熱相結(jié)合,以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和能量利用率.

(7) 控制過熱度

壓縮機(jī)吸氣的過熱度對(duì)排氣溫度、其它循環(huán)特性指標(biāo)、系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有重要影響,所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過熱度的控制.可以建立準(zhǔn)確反映熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中過熱度變化的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型,確定合適的過熱度控制參數(shù),并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化.

4 結(jié) 論

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響因素很多.太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和類型、冷凝器結(jié)構(gòu)和類型、壓縮機(jī)容量、太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速、初始水溫等都會(huì)影響系統(tǒng)性能.通過建立更加完善的動(dòng)態(tài)仿真模型、優(yōu)化太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)板結(jié)構(gòu)、使用可控面積的太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、太陽(yáng)輻照度較高時(shí)開啟機(jī)器、采用電子膨脹閥和變頻式壓縮機(jī)、與蓄熱相結(jié)合、控制過熱度等策略可以提高系統(tǒng)性能和能量利用率.

參考文獻(xiàn):

［1］ SPORN P,AMBROSE E R.The heat pump and solar energy［C］∥Proceedings of the World Symposium on Appiled Solar Energy,Phoenix,1955.

［2］ 日本太陽(yáng)能學(xué)會(huì).太陽(yáng)能的基礎(chǔ)和應(yīng)用［M］.李鑒民,李安定,譯.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1982.

［3］ FRANKLIN J L,SAASKI E W,YMAGIWA A.A high efficiency direct expansion solar panel［C］∥Proceedings of 1977 FlatPlate Solar Collector Conference,Orlando,1977:187-195.

［4］ CHATURVEDI S K,MEI V.Solar collector as heat pump evaporator［C］∥Proceedings of 13th Inter Society Energy Conversion Conference,Boston,1979:4-9.

［5］ 曠玉輝.直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵空調(diào)及熱水系統(tǒng)的研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2004.

［6］ 李郁武.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水裝置的優(yōu)化分析與變?nèi)萘窟\(yùn)行研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2007.

［7］ 孫振華.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器性能改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué),2008.

［8］ 劉立平,闕炎振,張華.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的熱力性能分析［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2008,29(4):21-24.

［9］ 劉立平,趙軍,張華.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的模型仿真［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2009,30(5):596-601.

［10］ 劉立平,闕炎振,趙軍,等.直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的模擬分析［J］.流體機(jī)械,2008,36(7):67-71.

［11］ 趙芳.直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究［D］.青島:山東科技大學(xué),2007.

［12］ 張東.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的模擬分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［13］ 李振興.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析［D］.青島:山東科技大學(xué),2010.

［14］ CHATURVEDI S K,CHEN D T,KHEIREDDINE A.Thermal performance of a variable capacity direct expansion solar assisted heat pump［J］.Energy Conversion and Management,1998,39(3/4):181-191.

［15］ HAWLADER M N A,CHOU S K,ULLAH M Z.The performance of a solarassisted heat pump water heating system［J］.Applied Thermal Engineering,2001,21(10):1049-1065.

［16］ TORRES R E,PICON N M,CERVANTES D G J.Exergy analysis and optimization of a solarassisted heat pump［J］.Energy,1998,23(4):337-344.

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信息

重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”通過驗(yàn)收

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近日,中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司承擔(dān)的國(guó)家“十五”863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)“R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)研制與調(diào)試”順利通過國(guó)家驗(yàn)收.

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)于2002年啟動(dòng),經(jīng)過12年研究探索,先后完成了燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、裝配和廠內(nèi)全轉(zhuǎn)速空負(fù)荷試車和外場(chǎng)簡(jiǎn)單循環(huán)72 h試運(yùn)行,2013年實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)168 h試運(yùn)行,并達(dá)到了項(xiàng)目規(guī)定的考核指標(biāo).通過專項(xiàng)的開展,突破了一系列關(guān)鍵技術(shù),取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果,使我國(guó)初步建立起了以R0110燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)平臺(tái),具備了重型燃?xì)廨啓C(jī)自主研制試驗(yàn)?zāi)芰?

(王 波)