直接膨胀式太阳能热泵系统的理论和实验研究
本文选题：太阳能热泵 切入点：直接膨胀式 出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：建筑能耗在社会总能耗中约占三分之一,包括制冷、制热和制热水等。有效利用太阳能,减少建筑能耗,是解决能源问题的有效手段之一。太阳能热泵作为一种将太阳能与传统热泵系统结合的系统,能够利用清洁可再生的太阳能,且提高了传统热泵的效率。直接膨胀式太阳能热泵(DX-SAHP)具有结构紧凑、成本较低的优点,还可以防止普通集热器夜晚结冻问题。已有研究证实相较于传统热泵,DX-SAHP系统制热性能明显提升。然而DX-SAHP系统尚存在诸多方面需要研究。其一,DX-SAHP系统有制热和制热水两种应用形式。受限于实验条件,大多数实验研究集中在DX-SAHP系统的制热水应用。而在制热应用中,系统使用空气换热器,与制热水时的水冷换热器性能不同。作为一种DX-SAHP重要的应用形式,DX-SAHP系统在制热应用中的性能仍需进一步研究。其二,现有实验研究主要在室外环境中进行,系统测试工况受限于天气条件,无法定量反映环境参数对系统性能的影响。因此需要在室内稳态工况下进行实验研究,定量分析系统性能,研究标准工况下的系统性能。其三,热泵系统冬季应用中的重要问题——结霜问题是热泵研究的热点。在结霜工况下DX-SAHP系统的热性能和结霜特性,是考虑DX-SAHP系统的冬季应用中必须探讨的问题。但目前在此方面几乎未有研究探讨。其四,DX-SAHP系统的实际运行中不可避免地存在夏季应用情况。因此DX-SAHP系统的应用除了制热,还有夏季的制冷运行。但是系统的制冷性能少有研究涉及。为了研究这些DX-SAHP系统的重要问题,本文在焓差实验室内实验研究了使用裸板集热器的DX-SAHP系统在多种稳态工况下的性能,并建立理论模型对系统进行了模拟预测,还将该系统与使用管翅式换热器的DX-SAHP系统进行了对比分析。主要研究内容和结论如下:1、在多种稳态工况下实验测试了 DX-SAHP系统的制热性能。环境温度的提高可增加系统制热量和COP。室外侧辐照强度300 W/m2,相对湿度50%,环境温度分别为5.0℃,10.0℃和15.0℃时COP分别为2.12,2.18和2.26。相对湿度从70%增加到90%时系统蒸发换热功率提高了 35.0%,COP从1.78提高到2.07。室外侧环境温度15.0 ℃,相对湿度50%,辐照强度分别为0W/m2,100 W/m2,200W/m2,300W/m2 和 500W/m2 时 COP 则分别 2.07,2.09,2.14,2.26和2.36。辐照的增强对系统制热性能的提升显著。2、实验探讨了 DX-SAHP系统的结霜条件。无太阳辐照时,结霜发生的临界相对湿度在50%到70%之间,临界环境温度在7.0℃到6.0℃之间。辐照强度是100 W/m2,环境温度高于-3.0℃,相对湿度低于90%时结霜可以被完全防止。3、实验研究了 DX-SAHP系统的结霜过程。360分钟连续实验的测试工况为环境温度1.0℃,相对湿度70%,辐照强度0W/m2。对比传统空气源热泵,使用裸板集热器的DX-SAHP系统的结霜过程更为缓慢。在连续运行的360分钟内系统的热性能未被结霜影响,反而得到了促进。4、实验分析了结霜工况下环境参数对DX-SAHP系统的影响。太阳辐照可以有效缓解甚至防止DX-SAHP系统结霜,并且明显提高系统的热性能;环境温度的降低导致DX-SAHP系统热性能下降;相对湿度增加时系统的结霜更为严重,结霜过程的促进作用更明显,系统的热性能提高。而当环境温度较低,相对湿度也较低时,由于空气含湿量过低,蒸发温度低于冰点也不会出现结霜问题。5、本文建立了使用裸板集热器的DX-SAHP系统的数理模型,并基于MATLAB平台进行计算求解。模拟结果与实验结果进行了对照,验证了正确性。根据计算结果,分析了 DX-SAHP系统的结霜过程中霜层厚度和结霜速率的变化。相对湿度70%,辐照强度0 W/m2时,环境温度为-1℃时结霜速率和霜层厚度最大。辐照强度可以减轻甚至完全防止结霜,同时还可以提高系统的制热量。辐照强度从0 W/m2增加到100 W/m2时可以完全防止结霜,但COP从1.97减小到1.89;从100 W/m2增加到500 W/m2时,制热量从1082W增加到1610 W,COP从1.89增加到2.21。虽然环境温度的下降降低系统的热性能,但结霜过程会促进集热/蒸发器的换热。当环境温度低于-5 ℃时,集热/蒸发器表面没有霜形成。相对湿度对系统热性能的影响主要通过影响结霜情况来实现。6、实验研究了系统的制冷性能,分析了环境因素的影响。环境温度从25.0℃上升到30.0 ℃时制冷量下降了 14.9%。当风速由4 m/s提高到5 m/s时COP提升了 3.4%,而风速继续提高到6 m/s时系统制冷量和COP则变化较小。辐照强度从0 W/m2增加到800 W/m2时,制冷量下降了 34.9%,COP从1.22减小为0.65。辐照强度对系统制冷性能的影响显著。建立了 DX-SAHP系统制冷模式的理论模型。在考虑DX-SAHP系统的制冷应用时,应考虑对系统进行一定的改进,尽量避免其接收太阳辐照。作为优化,可以将集热器面积从4 m2增加到8 m2。7、实验测试了使用太阳能管翅式换热器的DX-SAHP系统,并与使用裸板集热器的系统的模拟结果进行对比分析。在名义制热工况下,无太阳辐照时管翅式换热器的霜层厚度大于裸板集热器,但两者皆小于传统空气源换热器。结霜过程对系统的制热性能不产生负面影响。无辐照时管翅式换热器吸收空气能能力更强,系统制热性能优于使用裸板集热器的系统。辐照强度逐渐增大时裸板集热器更具优势,系统制热性能提高程度大于前者。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK51;TU83
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，本文编号：1612402
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