直膨式太阳能热泵系统性能分析的技术措施

直膨式太阳能热泵系统是将制冷剂作为集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发,然后通过热泵循环在冷凝器中释放冷凝热用来供热、制取生活热水等.由于直膨式太阳能热泵系统具有清洁、高效、集热系数高、集热成本低、极具小型化和商品化潜力等优点,其相关研究引起了国内外学者的广泛关注.
　　1955年,美国Sporn等通过实验研究提出了“直膨式太阳能热泵”的概念.研究表明,直膨式集热结构可同时提高热泵机组和太阳能集热/蒸发器的性能［l］.1958年,日本的柳丁政之助设计并建造了典型的双槽式太阳能辅助热泵供(冷)暖系统——柳丁太阳房Ⅱ号［2］,虽在技术上是比较先进的,但存在经济性问题.1977年,Franklin等开发出一种直膨式太阳能辅助热泵系统.实验发现,在相同环境条件下,直膨式太阳能辅助热泵系统的性能与常规的太阳能直接采暖系统相比有显著提高［3］.1979年,Chaturvedi等对直膨式太阳能辅助热泵在饱和稳定工况下的性能进行了初步的理论研究［4］.20世纪80年代以后,国内许多学者对直膨式太阳能热泵系统的结构、热力性能、工质特性、运行控制、计算机模拟和经济性分析等多方面进行了研究,并取得一定成果.
　　 孙振华［7］在保持集热面积不变的情况下,将铝板热轧吹涨式集热/蒸发器更换为铜翅片管板式集热/蒸发器,并进行了对比实验.两种不同的集热/蒸发器结构如图2所示,实验结果如图3所示.在太阳辐照度变化不大的情况下,运行过程中压力损失明显减小.
　　1.2 冷凝器结构对系统性能的影响
　　冷凝器是直膨式太阳能热泵系统的能量输出部件,用于供暖或加热生活热水.在满足系统压降的前提下,增加冷凝器面积,可降低冷凝器出口的制冷剂焓值,即增大了冷凝器换热量,导致COP、集热效率升高,加热时间减少,压缩机耗功降低.李振兴［13］通过模拟发现,沉浸式冷凝盘管的长度由20 m逐步增加至80 m,系统平均COP由3.99
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2 太阳能集热板结构示意图
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　　Fig.2
　　
　　Schematic of the solar collector/evaporator
　　
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　　图3 更换集热板前、后的制冷剂压降
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　　Fig.3
　　
　　Pressure drop of refrigerant before and after replacement of evaporators
　　
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　　增至5.05,太阳能集热器平均集热效率ηcoll由1.08 增至1.15,热水加热时间τh由144 min降至140 min,压缩机耗功Wcomp由1.50 kWh降至1.19 kWh.可见,增加冷凝器的有效换热面积,可对冷凝器的换热效果起到一定的强化作用.
　　1.3 压缩机容量对系统性能的影响
　　压缩机为制冷剂热力循环提供动力,其容量大小决定了运行时系统内部的制冷剂质量流量的大小,影响系统性能.Chaturvedi等 ［14］和Hawlader等 ［15］分别研究了压缩机变容量调节对系统性能的影响,结果如图4所示.对压缩机进行变容量调节后,直膨式太阳能热泵系统的性能系数会显著提高.环境温度为12 ℃时,将压缩机频率从50 Hz降低至30 Hz,系统COP提高了约12%;环境温度为20 ℃时,将压缩机频率从50 Hz降低到30 Hz,系统制热性能系数提高约50%.
　　2 外部参数对系统性能的影响分析
　　直膨式太阳能热泵系统的结构确定后,其性能完全取决于系统的运行环境条件——外部参数.通过分析系统在外部参数发生变化时的性能,可对系统结构参数作进一步的优化和改进.
　　 　　图4 不同环境温度下压缩机变频调节对直膨式太阳能热泵系统热性能的影响
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　　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 太阳辐照度对系统性能的影响
　　太阳辐射能是制冷剂蒸发的主要热源,太阳辐照度会直接影响制冷剂的蒸发温度,进而影响到整个热泵循环的性能.理论研究表明,随着太阳辐照度的增大,系统COP和热水加热功率Qh几乎呈线性上升,Wcomp略有增加,τh减小,热泵循环性能得到提高.旷玉辉［5］就太阳能辐射强度对系统性能影响的模拟结果如图5所示.
　　2.2 环境温度对系统性能的影响
　　环境温度升高,系统各性能指标都得到了一定的改善.其中COP上升,集热器集热功率Qc和热水加热功率Qh均增大;τh下降;Wcomp变化较小.这是由于集热/蒸发板与周围空气通过对流换热吸收热量,且环境温度越高,集热/蒸发板从空气中吸收热量就越多.这在一定程度上弥补了太阳能的不足,使得ηcoll增大.因此,环境温度的升高对系统性能的改善是十分有利的.旷玉辉［5］就环境温度对系统性能影响的模拟结果如图6所示.
　　本文将从影响直膨式太阳能热泵系统的内部参数和外部参数等方面对相关研究进行总结分析并提出优化方法.
　　1 内部参数对系统性能的影响分析
　　压缩机、太阳能集热/蒸发器、冷凝器、膨胀阀是构成直膨式太阳能热泵系统的四大部件.其中,太阳能集热/蒸发器、冷凝器结构参数和压缩机容量(运行频率)是影响系统性能的主要内部参数.
　　1.1 太阳能集热/蒸发器结构对系统性能的影响
　　太阳能集热/蒸发器是直膨式太阳能热泵系统的吸热部件,其吸热能力直接影响系统性能.上海交通大学、上海理工大学、山东科技大学等高校和众多学者［5-13］通过建立太阳能集热/蒸发器的动态分布参数模型和搭建试验台分析了太阳能集热/蒸发器结构参数对系统性能的影响规律.
　　1.1.1 太阳能集热/蒸发器类型的影响
　　太阳能集热/蒸发器类型会对集热板表面温度、管内制冷剂压降、流量等产生影响,进而影响系统性能系数COP.太阳能集热/蒸发板与空气存在对流和辐射换热,保温层和透明盖板可减少集热/蒸发板表面及背部与空气的换热,降低热损失.刘立平等［10］模拟了三种 不同类型的集热/蒸发器对系统COP的影响,结果如图1所示.可看出,集热/蒸发器背部保温与否对系统COP的影响不大,背部保温的集热/蒸发器所在系统的COP略高于无保温结构的系统.相比之下,顶部装透明盖板,背面进行保温处理的集热/蒸发器所在系统的COP明显高于其它两个系统,系统COP提高了约12%.
　　
　　1.1.2 太阳能集热/蒸发器结构的影响
　　集热面积增加,太阳能集热/蒸发器的吸热量增加,则制冷剂的蒸发温度升高;同时,蒸发温度的提高会增大集热/蒸发器的散热损失.上海交通大学旷玉辉［5］经模拟研究发现,在保持集热/蒸发管的直径和管间距不变的情况下,增加太阳能集热器面积可提高系统COP,但降低了集热效率ηcoll,同时增加了集热成本.
　　李振兴［13］在系统其它结构参数不变的前提下,模拟了集热板厚度对太阳能热泵系统性能的影响.模拟结果发现,集热板厚度由0.5 mm增至4 mm的过程中,系统平均供热性能系数COP由4.752增至4.761,太阳能集热器集热效率ηcoll由1.127增至1.132.可见,集热板厚度对系统性能的影响不大,应在满足设计和安装条件下尽量减小集热板厚度,以减少初投资.