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文獻(xiàn)翻譯
題 目 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系
統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 系
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直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程系 中國(guó)上海 200240；教育部太陽(yáng)能發(fā)電及制冷工程研究中心， 中國(guó)上海 200240 ； 于2006年2月25日）
Abstract：In this study, a direct expansion solar-assisted heat pump water heater (DX-SAHPWH) with rated input power 750W was tested and analyzed. Through experimental research in spring and thermodynamics analysis about the system performance, some suggestions for the system optimization are proposed. Then, a small-type DX-SAHPWH with rated input power 400W was built, tested and analyzed. Through exergy analysis for each component of DX-SAHPWH (A) and (B), it can be seen that the highest exergy loss occurs in the compressor and collector/evaporator, followed by the condenser and expansion valve, respectively. Furthermore, some methods are suggested to improve the performance of each component, especially the collector/evaporator. A methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied. In order to maintain a proper matching between the heat pumping capacity of the compressor and the evaporative capacity of the collector/evaporator under widely varying ambient conditions, the electronic expansion valve and variable frequency compressor are suggested to be utilized for the DX-SAHPWH.
r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.
摘要：在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)額定輸入功率為750W的“直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和分析，通過(guò)在春季運(yùn)行工況下的實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)性能的熱力學(xué)分析，對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)我們提出了一些合理化建議。根據(jù)分析結(jié)果，研制了額定輸入功率為400W的小型化“直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)并加以試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。我們把以上兩個(gè)系統(tǒng)分別命名為A和B，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩套系統(tǒng)各主要部件的火用損失以壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器為最大，然后依次是冷凝器和熱力膨脹閥。此外，我們還對(duì)提高各部件性能尤其是集熱器和蒸發(fā)器的性能提出了一些方法和建議。為了保持熱泵壓縮機(jī)的容量和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的合理匹配，我們?cè)凇爸迸蚴教?yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)中應(yīng)用了電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)。
2006Elsevier Ltd公司保留專利所有權(quán)。
關(guān)鍵詞: 熱泵；熱水器；性能系數(shù)；太陽(yáng)能集熱效率；火用。
1.引言：
太陽(yáng)能是一種免費(fèi)可再生能源，它像是空氣熱源的熱泵。為了提高熱泵的COP，來(lái)自世界各地的研究人員已經(jīng)提出了把熱泵系統(tǒng)與太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的觀點(diǎn)。所謂直膨式太陽(yáng)能熱泵，就是把集熱器和蒸發(fā)器組合成一個(gè)單元（集熱/蒸發(fā)器），在熱泵循環(huán)系統(tǒng)中,制冷劑被入射的太陽(yáng)能（和/或周圍空氣的能量）蒸發(fā)吸收。直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相比有很多優(yōu)勢(shì)，如優(yōu)越的熱力性能，較低的系統(tǒng)制造成本和集熱/蒸發(fā)器較長(zhǎng)的使用壽命。
據(jù)估計(jì)，在中國(guó)太陽(yáng)能熱水器每年的銷售額約達(dá)100億元人民幣。另?yè)?jù)報(bào)道，在2000年中國(guó)約有500萬(wàn)家庭安裝了太陽(yáng)能熱水器，并且它的發(fā)展速度越來(lái)越快。與傳統(tǒng)的熱泵熱水器相比，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器憑借其優(yōu)勢(shì)將在中國(guó)有一個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)。
直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的概念是由Sporn和Ambrose在西弗吉尼亞州[1]首次提出的。通過(guò)他們的共同努力，他們?cè)谶^(guò)去27年里記錄報(bào)道很多理論和實(shí)驗(yàn)性研究的結(jié)果。此領(lǐng)域的審查文件表示，在不同的試驗(yàn)條件下，當(dāng)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的COP測(cè)試值從2到9變化的時(shí)候，集熱/蒸發(fā)器的效率將從45%變化到75%。系統(tǒng)組成的匹配程度對(duì)系統(tǒng)的COP和集熱器的效率高低由一定的影響，尤其是集熱/蒸發(fā)器與壓縮機(jī)系統(tǒng)組成的匹配程度。因此，每個(gè)組件之間的適當(dāng)匹配對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱水泵熱水器的的性能有很重要的影響。
幾何參數(shù) 符號(hào)
Ac 太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器面積，m2 集熱/蒸發(fā)器的吸收率
COP 性能系數(shù) （火用）損系數(shù)
Cpw 常壓下水的比熱容，kJ/kg.K 集熱/蒸發(fā)板發(fā)射率
D 管道外直徑， m 效率
EQW 火用熱水率，KW v 容積效率
Erad 太陽(yáng)輻射，KW v1 吸入制冷劑蒸氣的比容m3/kg
e 具體的火用 ，kJ/kg 斯忒藩常數(shù)W/m2K4
F 翅片效率 時(shí)間，或時(shí)間間隔，s
F’ 集熱效率因子 下腳標(biāo)
H 焓值率，KJ 0 環(huán)境的參數(shù)
H 比焓，kJ/kg comp 壓縮機(jī)
Hw 風(fēng)的傳熱系數(shù)，W/m2K coll 集熱/蒸發(fā)器
Irr （火用）損率，kW cond 冷凝或冷凝器
IT 太陽(yáng)輻射總強(qiáng)度，W/m2 eva 蒸發(fā)或集熱/蒸發(fā)器
mr 制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s ex （火用）
Mw 水箱中水的質(zhì)量，kg f 制冷劑液體
N 壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，rpm p 集熱/蒸發(fā)器板
P 壓力，Pa rad 太陽(yáng)輻射
QCond 冷凝中制冷劑散熱量，KW r 制冷劑
Qeva 蒸發(fā)中制冷劑散熱量，KW sa 溶膠-空氣
S 熵, kJ/K v 膨脹閥
S 特殊條件下的熵, kJ/kgK w 水箱的熱水
T 絕對(duì)溫度，k i 進(jìn)氣口，或DX-SAHPWH系
ULcond 冷凝器熱損系數(shù)，W/m2K 統(tǒng)的第i個(gè)組件
Vd 排水量cm3/rev j 第j段的數(shù)據(jù)采集間隔
Vw 周圍環(huán)境風(fēng)速，m/s o 出口
W 集熱/蒸發(fā)器的管間距，m 1,2,3,4 狀態(tài)點(diǎn)
Wi 壓縮機(jī)的指示功率，kW
Wcomp 壓縮機(jī)總輸入功率, kW
目前，在制冷和空調(diào)行業(yè)，除集熱/蒸發(fā)器外，其余的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)均采用普通的材料和部件。為了使直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的能得到更好地發(fā)展，我們對(duì)集熱/蒸發(fā)器性能增強(qiáng)的研究顯得更有重要意義。
在這項(xiàng)研究中，我們的主要目的在于開(kāi)發(fā)出一種更高性能的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)，以適應(yīng)潛在的中國(guó)市場(chǎng)。目前，這兩個(gè)系統(tǒng)原型（直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B））被依次放置在中國(guó)教育部太陽(yáng)能發(fā)電及制冷工程研究中心（上海交通大學(xué)，北緯31.22'N，東經(jīng)121.48。）。在季節(jié)性試驗(yàn)中，我們分別用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B）進(jìn)行了火用分析。同時(shí)我們對(duì)集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)也提出和運(yùn)用了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
應(yīng)當(dāng)指出的是，這項(xiàng)研究中使用的制冷劑R-22，在發(fā)展中國(guó)家，例如中國(guó)，盡管它將會(huì)在2040年前被淘汰，但是現(xiàn)在它仍然廣泛應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)。為了促使發(fā)展中國(guó)家能夠節(jié)省能源，運(yùn)用R-22作為制冷劑來(lái)提高熱泵系統(tǒng)的熱力性能對(duì)我們來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。另一方面，我們可以運(yùn)用同樣的分析方法來(lái)分析其他類型的制冷劑熱泵系統(tǒng)。
2. 系統(tǒng)描述和實(shí)驗(yàn)裝置
2.1直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的熱力循環(huán)
圖1 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器循環(huán)原理圖
圖1顯示的是直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）在此研究中的示意圖。此系統(tǒng)是由一個(gè)無(wú)光太陽(yáng)能集熱器作為蒸發(fā)器，一個(gè)制冷劑為R-22的旋轉(zhuǎn)式封閉壓縮機(jī)，一個(gè)帶有再繞式銅管的熱水槽作為蒸發(fā)器，一個(gè)恒溫膨脹閥（TEV）和一些輔助配件組成的。
這些壓縮的的制冷劑液體從冷凝器通過(guò)膨脹閥直接進(jìn)入太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器，并在那里得到入射太陽(yáng)能（和/或周圍環(huán)境大氣能量）的加熱。周圍環(huán)境的空氣作為熱源或者冷源取決于制冷劑的溫度是否低于或高于周圍環(huán)境的溫度。從蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)的壓縮，最后高溫高壓的制冷劑蒸汽被輸送到冷凝器，在那里得到冷凝。這些能量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)水吸收，通過(guò)一種（銅管線圈型）熱交換器把能量轉(zhuǎn)換成水槽中水的能量。
圖2 熱水箱由熱泵得熱過(guò)程示意圖
圖表2顯示的是制冷劑在理想外界條件下的一個(gè)特定的熱泵循環(huán)。在圖中，1-2,2-3,3-4和4-1分別代表壓縮過(guò)程，冷凝過(guò)程，節(jié)流過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程。制冷劑相應(yīng)的熱力狀態(tài)點(diǎn)1,2,3，和4分別代表蒸發(fā)壓力下的過(guò)熱蒸汽，冷凝壓力下的過(guò)熱蒸汽，冷凝壓力下的過(guò)冷液體和蒸發(fā)壓力下的過(guò)冷液體。如圖2所示，由于太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的壓力是下降的，1點(diǎn)的蒸發(fā)壓力總比在4點(diǎn)蒸發(fā)壓力小。只要加熱集熱/蒸發(fā)器中的制冷劑，水槽中的水也將得到加熱，類似的周期反應(yīng)也會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生。
2.2.樣機(jī)設(shè)計(jì)
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造如圖 3所示。在表1中列出的每個(gè)主要組件規(guī)格。
圖3 試驗(yàn)樣機(jī)安裝的照片
圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù)
名稱 規(guī)格及型號(hào) 備注
壓縮機(jī) 滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子 額定功率0.75KW，排氣量13.40cm3 /rev,蓄水150L，內(nèi)置沉浸式。
熱水箱 承壓式保溫水箱 長(zhǎng)60m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 。
太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 4板式集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，總集熱面積為4.20m3
熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型
Danfoss, Denmark制造
一系列沒(méi)有任何玻璃或背絕緣熱源設(shè)備的太陽(yáng)能集熱器 （總面積為4.20m2)，以R22作為制冷劑的蒸發(fā)器。它包括4個(gè)鋁集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，這種網(wǎng)絡(luò)式的管道設(shè)計(jì)經(jīng)特殊工藝使兩片鋁板能夠粘合在一起，從而形成肋片，以至于流體能夠在周圍流動(dòng)。其結(jié)果是，鋁集熱/蒸發(fā)器重量輕，非常薄，所以它可以輕松地安裝在任何地方。本實(shí)驗(yàn)研究中，我們把集熱/蒸發(fā)器面朝南部，固定在一個(gè)傾斜度為31.220（上海緯度）的屋頂上，如圖3所示。為了提高其吸收率，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器表面涂有選擇性的涂層。系統(tǒng)中使用R22的額定輸入的功率為750W旋轉(zhuǎn)式全封閉壓縮機(jī)，為避免過(guò)載，在壓縮機(jī)上裝有過(guò)熱保護(hù)器和低高切斷開(kāi)關(guān)。冷凝器銅管（9.900.75mm）線圈總長(zhǎng)度約60米，它們被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保溫層厚度38mm）。打開(kāi)和關(guān)閉電源的的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)是由位于水箱內(nèi)的溫度計(jì)控制的，所以熱力膨脹閥（外部平衡型）控制制冷劑的流量是通過(guò)太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2.3 測(cè)試設(shè)備
環(huán)境溫度由鉑熱電偶溫度計(jì)（A級(jí)精度)測(cè)量，不同系統(tǒng)的收集器表面溫度和制冷劑溫度是有另一熱電偶(T型，具有不確定性0.5。C）測(cè)量的。水的溫度是有位于熱水槽的溫度熱敏電阻測(cè)量的。壓力的高低是由壓力傳感器測(cè)定的。為了測(cè)定集熱/蒸發(fā)器流程中的壓降，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器的里外各裝了一個(gè)低壓壓力傳感器（不確定性0.5bar）。在冷凝器的外面裝了裝了一個(gè)高壓的壓力傳感器。為了測(cè)量太陽(yáng)輻射的瞬間強(qiáng)度，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器周圍安裝了一個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)（具有敏感性7.464V/Wm2，不確定性為10W/m2）。我們用電子功率測(cè)量計(jì)（準(zhǔn)確性級(jí)別0.5，不確定性約為10-15W）測(cè)量壓縮機(jī)的瞬間功耗。以上過(guò)程是由基于D-A系統(tǒng)的個(gè)人電腦指導(dǎo)和控制的。為了以后分析的方便，數(shù)據(jù)記錄器（Keithley Model-2700數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）分析記錄了這些數(shù)據(jù)。
3.系統(tǒng)的熱力學(xué)分析
熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是比較簡(jiǎn)單的熱力學(xué)分析方法?；鹩梅治鰧?shí)際上是能量分析的一部分?；鹩梅治龅睦碚撌菍?shí)質(zhì)上的可用的能源分析?；鹩檬浅爻合孪到y(tǒng)最大有用功的一種測(cè)量方式。在直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)中熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律比較簡(jiǎn)單的運(yùn)用體現(xiàn)在系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)上。這些結(jié)果會(huì)使工程設(shè)計(jì)者更容易有效地識(shí)別組件的火用損失，為進(jìn)行進(jìn)一步的修改提供合理的量化的指導(dǎo)。
3.1 .熱力學(xué)第一定律分析
在這項(xiàng)研究中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的能量守恒可以表示為
(1)
其中表示傳熱量，下標(biāo)cond表示冷凝器，eva表示集熱/蒸發(fā)器。i代表壓縮機(jī)的指示功率。
集熱/蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中的熱量可以表示為制冷劑從集熱/蒸發(fā)器入口到出口焓值的變化。
(2)
對(duì)于恒定速率運(yùn)行下的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，在壓縮機(jī)中循環(huán)流過(guò)的制冷劑的質(zhì)量的為
(3)
其中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為N，制冷劑流量為, 型號(hào)為2830, 13.40cm3/rev，91%的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）上的旋轉(zhuǎn)封閉式壓縮機(jī)的容積效率v。壓縮機(jī)入口處的比體積是由壓力Peva和通過(guò)管道的制冷劑溫度T1決定的。
壓縮機(jī)的指示功率可有通過(guò)壓縮機(jī)入口和出口處制冷劑的焓差決定的。
(4)
其中為壓縮機(jī)總輸入功率，為壓縮機(jī)的效率，效率0.75用于下文中直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的計(jì)算。
冷凝器的傳熱量可以由以下焓值變化來(lái)表示
(5)
節(jié)流過(guò)程可近似認(rèn)為是等焓過(guò)程：
(6)
由熱力學(xué)第一定律知，太陽(yáng)能集熱器的效率coll和直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可以定義為
(7)
(8)
公式中代表的是以上提到的2分鐘的時(shí)間采集間隔，下標(biāo)j代表第j段的時(shí)間間隔，代表太陽(yáng)能集熱器的面積代表太陽(yáng)總的輻射強(qiáng)度，代表水從冷凝器獲得的熱量，它可以近似認(rèn)為是冷凝器制冷劑的散熱量，也就是說(shuō)熱水通過(guò)覆有38mm厚的聚氨酯的水槽到外界環(huán)境的熱量損失可以忽略不計(jì)。
3.2 熱力學(xué)第二定律的分析
一個(gè)熱力系統(tǒng)的(火用)平衡方程式：
(9)
表示火用的輸入量，表示火用的輸出量，表示火用損失，表示火用變化。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的用平衡方程式可以表示為：
(10)
其中表示火用，其下標(biāo)rad表示太陽(yáng)能輻射，下標(biāo)表示從冷凝器到水的熱交換。表示直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的壓縮機(jī)總的火用損失。下標(biāo)i代表直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)第i個(gè)壓縮機(jī)。
每個(gè)壓縮機(jī)的火用損失可以按以下方式估算：
我們可以得到在集熱/蒸發(fā)器中的火用損失
(11)
其中表示入射的太陽(yáng)能的火用，[14]，表示總的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，表示集熱/蒸發(fā)器平板表面的溫度。
壓縮機(jī)的火用損失可以總結(jié)為
(12)
冷凝器的火用損失可以總結(jié)為
(13)
膨脹閥的火用損失為
(14)
由熱力學(xué)第二定律的評(píng)價(jià)指標(biāo)知，火用效率并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。在本文中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)火用效率可以定義為
(15)
通過(guò)火用損失效率的概念我們可以比較清楚的算出系統(tǒng)中每個(gè)壓縮機(jī)的火用損失，火用效率可以定義為
(16)
ex和ex的關(guān)系為
(17)
4．試驗(yàn)結(jié)果及討論
目前，我們選擇2005年4月的一個(gè)天氣晴朗的日子，在上海對(duì)系統(tǒng)A的性能進(jìn)行了一系列研究。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。它顯示了對(duì)于150L的水從14-20加熱到50度大概需要90-98分鐘，壓縮機(jī)的總耗功為0.98-1.06KW。平均的性能系數(shù)和效率分別為5.21-6.61和88-105%。它表明當(dāng)蒸發(fā)溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，集熱/蒸發(fā)器的效率是可能大于1。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器性能的提高是有很大作用的。
圖表2 系統(tǒng)A在春季里的試驗(yàn)結(jié)果
2005年4月22，我們用一組典型工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能。
圖4 系統(tǒng)A的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和溫度隨時(shí)間的變化
從圖4的數(shù)據(jù)中我們可以得到，在此試驗(yàn)條件下太陽(yáng)能輻射的平均值IT和環(huán)境的平均溫度分別為812W/m2和24.4度。瞬間的環(huán)境沒(méi)有太大變化，但是由于云的影響太陽(yáng)輻射的變化是難以預(yù)測(cè)的。
4.1 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)和效率
從2005年4月22日的研究結(jié)果中我們可以看出，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能系數(shù)和效率分別為5.21和88%。
我們把系統(tǒng)A開(kāi)始運(yùn)行30分鐘后直到一小時(shí)后運(yùn)行結(jié)束的階段稱之為“相對(duì)穩(wěn)定階段”。在這個(gè)階段，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，例如Tcond,i, Tcond,o, Teva,o, Teva,i, Tw, Tp等，都隨時(shí)間的增加而直線上升。
為了研究直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)是隨時(shí)間而變化的，在本實(shí)驗(yàn)中，我們把穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間分成七個(gè)小的時(shí)間段。他們是a占前1/8的時(shí)間段，b-1/4,c-1/2,d為整個(gè)時(shí)間段，e為后1/2,f-1/4，g-1/8。直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）a-g七個(gè)間隔的平均性能系數(shù)和效率可以有方程式計(jì)算出。圖5顯示的就是7和8及7個(gè)間隔所對(duì)應(yīng)的階段。
圖5 系統(tǒng)A的COP和TW隨時(shí)間變化的特性
圖6 系統(tǒng)A的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時(shí)間的變化特性
從圖5中我們可以看出系統(tǒng)A的集熱/蒸發(fā)效率幾乎達(dá)到90%，它們比常規(guī)的太陽(yáng)能集熱器的效率高的多，并且其波動(dòng)范圍變化不大。但是性能系數(shù)的增加主要是因?yàn)門w 和Tcond的減少。
值得注意的是，圖5中的TW的的測(cè)量值是瞬時(shí)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)TW達(dá)到55°C時(shí)，壓縮機(jī)將自動(dòng)停止工作，熱泵中的循環(huán)水將會(huì)在水槽中與熱水混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，平衡水水的溫度TW2將比測(cè)量值低約4.8°C。
如上所述，為了測(cè)定集熱/蒸發(fā)器的壓降，在集熱/蒸發(fā)器的里外各裝兩個(gè)低壓傳感器。為了測(cè)量冷凝壓力，我們?cè)诶淠鞯耐饷姘惭b了一個(gè)高壓傳感器。圖6顯示的是三個(gè)壓力的測(cè)定值。從圖6中我們可以注意到，Pcond和 Peva都隨TW的增加而增加，并且Pcond的增加速率比較快。壓縮機(jī)的排氣溫度越來(lái)越高。當(dāng)實(shí)際的Tw,2的值達(dá)到50.5°C時(shí)排氣溫度將達(dá)90.4°C。因此，過(guò)高的溫度TW將會(huì)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
4.2 系統(tǒng)部件的不可逆性
在以上提到的7個(gè)中間環(huán)節(jié)中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）火用效率和和用損失系數(shù)可以有公式估算得到。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)決定了9-17中的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)果如圖7所示。
在圖7中，系統(tǒng)A的火用效率隨著時(shí)間的也逐漸增加。那是由于周圍環(huán)境比較低的熱力學(xué)能通過(guò)系統(tǒng)A以熱水的形式轉(zhuǎn)換成比較高的熱力學(xué)能。然而，除了膨脹閥每個(gè)系統(tǒng)的火用損失系數(shù)都是減小的。如圖7所示，最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，然后分別是集熱/蒸發(fā)器，冷凝器，和膨脹閥。這些計(jì)算結(jié)果證明Hawlader等人的觀點(diǎn)是正確的。
直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的組件是相當(dāng)匹配的，尤其是壓縮機(jī)的泵送能力和蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力之間的匹配程度是提高其性能的關(guān)鍵。
最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，它首先表明的是壓縮機(jī)并不是影響產(chǎn)品性能最主要的因素。其次，由于壓縮機(jī)的功耗很大程度上取決于進(jìn)口和出口壓力，所以，使冷凝和蒸發(fā)溫度比較接近可以壓縮機(jī)的火用損失。因此，較高的太陽(yáng)能輻射，較高的環(huán)境溫度都有助于提高壓縮機(jī)的性能。由于直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）提供的是家用熱水，過(guò)高的水溫是沒(méi)有必要的，推薦使用Tw2的終溫為45-50°C。
集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)在較低的溫度下運(yùn)行將導(dǎo)致更多的火用損失。如果可能的話應(yīng)該提供較高的蒸發(fā)溫度。直膨式太陽(yáng)能熱泵最明顯的優(yōu)勢(shì)在于它能夠通過(guò)入射的太陽(yáng)能來(lái)提高蒸發(fā)溫度。
圖7 系統(tǒng)A的i和ex隨時(shí)間的變化
在下文中，我們將介紹直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），它含有一種新型的有較低的壓力損失的集熱/蒸發(fā)器。
水槽中熱水的熱損失和周圍空氣的熱損失最終導(dǎo)致了火用損失。在本文中，熱量損失可以忽略不計(jì)，因此，在圖7中估算出的冷凝器的火用損失比實(shí)際的是偏低的。為了減少火用損失，我們可以提高水槽的絕熱性能，增加熱交換和優(yōu)化冷凝器的外形和在水槽中的位置。
如圖6所示，隨著Tw的增加壓縮速率逐漸增加，節(jié)流損失也逐漸增加。因此較低終點(diǎn)設(shè)置溫度Tw2是非常有利的。我們計(jì)算出的膨脹閥的火用的大約為2-14%。
4.3 最佳的蒸發(fā)溫度
集熱/蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸收的熱量為
(18)
其中Ac為集熱器的面積，S表示常溫的條件下集熱/蒸發(fā)器從外界吸收的太陽(yáng)輻射與向外界散發(fā)的太陽(yáng)輻射的差值。S=IT-q0，表示集熱/蒸發(fā)器的吸收率，表示集熱/蒸發(fā)器發(fā)射率，q0表示單位面積常溫下黑體輻射的太陽(yáng)能與外界的輻射能的差值。T表示溫度，下標(biāo)p代表集電板，eva代表制冷劑的蒸發(fā)量，0代表周圍環(huán)境，F(xiàn)代表集電器的效率因子。
集熱/蒸發(fā)器的火用增加等于吸收的太陽(yáng)輻射乘以ZCarnot，集熱/蒸發(fā)器的火用效率可以定義為
(19)
通過(guò)比較，我們可以得到最大的火用效率，
(20)
在方程式右邊的第二項(xiàng)提到了空氣的溫度
(21)
結(jié)合方程式（20）和（21）我們可以得到
(22)
2005年4月22的試驗(yàn)結(jié)果表明，周圍環(huán)境的平均溫度和蒸發(fā)器的平均溫度分別為24.4和19.8°C。最佳的蒸發(fā)溫度為39.1°C。如圖8所示，隨著Tw的逐漸增加，Teva,optimum和Teva差值逐漸減少。這實(shí)際上與圖7中集熱/蒸發(fā)器火用損失效率逐漸降低是一致的。
圖8 系統(tǒng)A的Teva，optimum，Teva和T0隨時(shí)間的變化
4.4 集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)以上估算，蒸發(fā)器的最佳蒸發(fā)溫度比實(shí)際的蒸發(fā)溫度要高得多。因此，我們需要比較高的蒸發(fā)溫度。但是，實(shí)際的蒸發(fā)溫度取決于外形設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)件。
然而，效率的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相互沖突的。壓縮機(jī)的排氣溫度也許不能承受過(guò)高的蒸發(fā)溫度。根據(jù)查圖維迪等人的觀點(diǎn)，蒸發(fā)溫度也許低于或高于T0，主要取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和外界條件。他們認(rèn)為帶有無(wú)蓋的容器和變頻壓縮機(jī)的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)有一個(gè)最佳的性能系數(shù)，它使蒸發(fā)溫度維持在超過(guò)環(huán)境溫度5-10°C的范圍。但是黃認(rèn)為太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在Teva小于T0的條件下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于壓縮機(jī)有較低的排氣溫度和來(lái)自太陽(yáng)和周圍環(huán)境的雙熱源是十分有利的。在本實(shí)驗(yàn)研究中，我們根據(jù)壓縮機(jī)的吸氣壓力，把蒸發(fā)溫度設(shè)定為比環(huán)境溫度低5°C左右。
如圖6所示，由于制冷劑復(fù)雜的流程，在集熱/蒸發(fā)器入口和出口處的壓力損失越大。因此，為了減少制冷劑在流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失，在集熱/蒸發(fā)器中我們應(yīng)該設(shè)計(jì)比較合適的流程。
集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)步驟如下所示
在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇的測(cè)試地點(diǎn)是上海，提供的環(huán)境的平均溫度為25°C，太陽(yáng)能平均輻射強(qiáng)度為800W/m2，平均風(fēng)速為3.1m/s，集熱/蒸發(fā)器的吸收率和發(fā)射率大約為0.9。
比較方程式（7）和（18），我們可以得到
(23)
從方程式中我們可以算出和分別為-5°C和90%。的估計(jì)值為0.94。
集熱器的有效因子可以表述為
(24)
其中F表示肋效率，F(xiàn)=tanUb/Ub，
W表示管子節(jié)距，D表示管子的外直徑，p =236W/mK表示集熱/蒸發(fā)板的導(dǎo)電率，p=1.60mm為厚度，D和W分別為12.0和130.0mm。最后Ac是由方程式（18）決定的。
理論上，集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理圖如圖9所示。
圖9 集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理圖
圖10 系統(tǒng)B集熱/蒸發(fā)器的原理圖
但是，由于市場(chǎng)上提供產(chǎn)品的限制，目前實(shí)際使用的集熱/蒸發(fā)器是由8個(gè)太陽(yáng)能集熱板構(gòu)成，如圖10所示。集熱器的總面積為2.08m2，集熱/蒸發(fā)器板是由厚度為0.18mm的銅板構(gòu)成，它的表面涂有被太陽(yáng)能選擇吸收的黑漆材料。銅管內(nèi)外直徑分別為11.0mm和12.0mm，它被焊接在銅管的背面，他們之間的距離為140.0mm。它朝南安裝在了與地面呈31.22°的屋頂上。
基于對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)（A）的分析和研究，我們開(kāi)發(fā)出了種小型的，輸入功率為400W的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），在此研究中，用于估算直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）的壓縮機(jī)效率為0.60。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）主要組成部分的規(guī)格列于表3中。
圖表3 系統(tǒng)B的主要部件參數(shù)
名稱 規(guī)格及型號(hào) 備注
壓縮機(jī) 滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子 額定功率0.40KW，排氣量7.40cm3 /rev
熱水箱 承壓式保溫水箱 蓄水150L，內(nèi)置沉浸式，50m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器
太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 8個(gè)薄板（由0.18mm厚的銅板焊接在一起其直徑12.00,50mm），總集熱/蒸發(fā)器面積為2.08m3
熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型
Danfoss, Denmark制造
4.5 系統(tǒng)（A）和（B）的試驗(yàn)性比較
為了檢驗(yàn)系統(tǒng)B性能，我們于2005年10月的秋天在上海做了一系列的試驗(yàn)與系統(tǒng)A進(jìn)行分析和比較。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。
圖表4 系統(tǒng)B在秋季里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
通過(guò)表2和表4的比較，我們意識(shí)到在相同的外界條件和取得相同的熱水條件下，系統(tǒng)B與系統(tǒng)A相比需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。然而，系統(tǒng)A和B消耗的電能都不會(huì)超過(guò)1KWh。在相似的運(yùn)用成本下，較低的成本和較小的面積對(duì)于安裝在房頂或者墻上的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常有利的，因此，體統(tǒng)B在這方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于系統(tǒng)A。
為了進(jìn)一步的分析，我們?cè)?005年10月15對(duì)系統(tǒng)B在典型工況下進(jìn)行的分析結(jié)果與2005年4月22對(duì)系統(tǒng)A的分析結(jié)果做出了比較。
從圖11中我們可以看到，在試驗(yàn)期間，太陽(yáng)能的平均輻射IT和環(huán)境的平均溫度T0分別為795W/m2和24.7°C，與圖4中相似，環(huán)境溫度幾乎是不發(fā)生變化的。然而，瞬間太陽(yáng)輻射在沒(méi)有云影響的情況下是成正玄曲線變化的。
從2005年10月15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得到，系統(tǒng)B的性能系數(shù)COP和集熱/蒸發(fā)器的效率分別為4.94和86。
圖11 系統(tǒng)B的IT和T0隨時(shí)間的變化
圖12 系統(tǒng)B的coll，COP，和TW隨時(shí)間的變化
如圖12所示，系統(tǒng)B的coll，COP，TW,的變化特性與系統(tǒng)A是十分相似的。主要的不同在于，十分鐘后系統(tǒng)B進(jìn)入跨穩(wěn)態(tài)工作條件的階段。從圖5與圖12的比較中我們可以看出，系統(tǒng)B的性能系數(shù)和集熱效率都比系統(tǒng)A較低。在圖12中TW時(shí)瞬間溫度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，一旦TW的溫度達(dá)到54°C時(shí)，壓縮機(jī)將會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，熱泵中的循環(huán)水將會(huì)與槽中的熱水混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際平衡時(shí)水的溫度Tw2要比實(shí)際測(cè)量的低約4°C。
通過(guò)比較表2和表4，我們可以得出系統(tǒng)B中的集熱/蒸發(fā)器的壓（溫）降要比系統(tǒng)A的要小。從圖13中我們可以得出出口和入口處的壓力損失大概為0.083Mpa。這對(duì)提高集熱/蒸發(fā)器的效率是非常有用的。
圖13 系統(tǒng)B的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時(shí)間的變化
圖14 系統(tǒng)B的i和ex隨時(shí)間的變化
用以上同樣的分析方法，我們可以在圖14中查出每個(gè)組件的火用損失效率和系統(tǒng)B的火用效率。與系統(tǒng)A不同，它最大的火用損失發(fā)生在集熱/蒸發(fā)器，而不是壓縮機(jī)。
盡管隨著制冷劑的流動(dòng)集熱/蒸發(fā)器壓降問(wèn)題得到了 改善，但是因?yàn)槭袌?chǎng)可利用產(chǎn)品的限制，我們?cè)谙到y(tǒng)B中集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)采用的是板上管而不是單跨管。板上管結(jié)構(gòu)并不能使集熱/蒸發(fā)器與外界環(huán)境的熱交換變得更加充分。從表4中可以估算出，在2005年10月15進(jìn)行的數(shù)據(jù)測(cè)定F大概為0.67。
圖標(biāo)15 系統(tǒng)B的Teva，optimum，Teva和T0隨時(shí)間的變化
4.6 進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能的方法
隨著熱負(fù)荷與氣候，季節(jié)和全年性的工作條件的變化，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的也是不斷變化的。由于變化的工作條件引起的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)每個(gè)組件的不匹配（尤其是壓縮機(jī)與集熱/蒸發(fā)器的不匹配），都將會(huì)導(dǎo)致火用損失。
如果我們能夠自動(dòng)控制制冷劑在集熱/蒸發(fā)器的流動(dòng)Teva,optimum 和Teva的不同將會(huì)減少，那么系統(tǒng)的火用損失也將會(huì)減少。如果在沒(méi)有超過(guò)壓縮機(jī)最大吸氣壓力的情況下，我們將采用比較高的蒸發(fā)溫度。在相同蒸發(fā)溫度的條件下，稍高的性能系數(shù)和直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)有較好穩(wěn)定性是相互矛盾的。值得提出的是，適度的蒸發(fā)壓力是由實(shí)際工況決定的。
為了保持較高的性能系數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制蒸發(fā)溫度保持一個(gè)穩(wěn)定的范圍，我們將在未來(lái)在直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)上安裝一個(gè)可變速的壓縮機(jī)和電子膨脹閥控制器。我們將應(yīng)用于一些適當(dāng)?shù)目刂品椒?，有效地結(jié)合這兩種可控元件，在全年廣泛不同環(huán)境條件下保持壓縮機(jī)吸熱能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的適當(dāng)匹配。然后，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的較高的火用損失也必然得到減少。此外，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的熱力性能和穩(wěn)定性也會(huì)得到提高。
5. 結(jié)論
通過(guò)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)A（輸入功率為750W）在春季里的實(shí)驗(yàn)性研究和熱力學(xué)分析，我們對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些合理化建議。然后，我們研制了一種裝有新型集熱/蒸發(fā)器的小型直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)B（輸入功率為400W），通過(guò)測(cè)試和分析，并使之與系統(tǒng)A進(jìn)行比較。
系統(tǒng)A和B消耗的電能至多為1KWh，在相似的預(yù)期成本下，較小的系統(tǒng)需要較低的運(yùn)營(yíng)成本，并且較小的集熱/蒸發(fā)面積也有利于系統(tǒng)在房頂?shù)陌惭b。
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)A和B的每個(gè)組件進(jìn)行火用分析，我們可以得到，最大的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器上，緊接著是冷凝器和膨脹閥。
此外，為了提高系統(tǒng)中每個(gè)組件的性能，我們提出了一些合理的方法和建議。集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化一些設(shè)計(jì)方法得到了應(yīng)用和實(shí)施。
在可變的工況條件和實(shí)際市場(chǎng)可利用產(chǎn)品的限制條件下，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的選擇并不像設(shè)計(jì)中的那么匹配。在大范圍變動(dòng)的外界條件下，為了能使壓縮機(jī)的泵送能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力有合適的匹配度，在下一步的工作中我們將對(duì)系統(tǒng)A采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥。
致謝
中國(guó)科學(xué)技術(shù)部（合同編號(hào)2005BA908B07）和上?？茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)（合同編號(hào)05dz05807）對(duì)此項(xiàng)研究在一定程度上的支持。作者還要特別感謝馬強(qiáng)先生提供的技術(shù)支持和孫云康先生，王泰華先生對(duì)他們?cè)谠囼?yàn)研究中的幫助。
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