圆台型直膨式太阳能热泵热水系统的理论研究

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1、万方数据第28卷第5期200r7年5月太阳能学报ACTAENERGIAE鲫ARISSlNICAV01．28．No．5May．，2007直膨式太阳能热泵热水器热力性能分析及优化设计李郁武，王如竹，王泰华，吴静怡，许煜雄(上海交通大学制冷与低温工程研究所，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心，上海200030)摘要：针对“直膨式太阳能热泵热水器”750w实验样机(系统A)进行了过渡季节运行工况下的实验研究，根据实验数据计算出系统供热性能系数、太阳集热效率和各主要部件的有效能损失系数以及系统的有效能效率等热力学指标，对各部件可加以完善的潜力做了量化分析，

2、为整套系统的进一步优化设计提供参考。根据分析结果，研制了小型化400w实验样机(系统B)并加以实验验证。通过对比分析发现，两套系统各主要部件的有效能损失以压缩机(其有效能损失系数，系统A为40％，系统B为34％)和太阳集热／蒸发器(其有效能损失系数，系统A为21％，系统B为37％)为最大，然后依次是冷凝器(其有效能损失系数，系统A为11％，系统B为8％)和热力膨胀阀(其有效能损失系数，系统A和系统B均为5％)。因此，压缩机的合理选配、集热器的优化设计是提高太阳能热泵热水器性能的关键。关键词：直膨式太阳能热泵热水器；性能系数；集热效率；有效能损失系

3、数中图分类号：TKll．4文献标识码：A0引言直膨式太阳能热泵将太阳能热利用与热泵节能技术有机结合起来，既可以通过太阳辐射作用提高热泵的蒸发温度和coP，又可以弥补太阳能热利用中存在的低密度、间断性和不稳定性等不足，值得推广。由于各地气候条件以及系统结构参数和匹配关系的差异，见诸报导的太阳能热泵实验样机的性能差别很大，产品实用化进程缓慢。依靠自身力量，在系统设计、部件优化、运行控制以及与建筑一体化结合等方面进行全面而深入的研究，使直膨式太阳能热泵系统这种绿色节能装置在我国快步走向商品化，对促进我国的节能和环保事业具有重要意义。2001年开始，上海

4、交通大学制冷与低温工程研究所在直膨式太阳能热泵热水器的样机开发方面做了大量系统、详实的工作[1。]。2004年底，已研制出∞P更高的实验样机，目前已开展了较有成效的研究工作‘6

5、。1直膨式太阳能热泵热水器实验装置收稿日期：2006也稍基金项目：世博科技专项(科技部2005BA908Bar7；上海市科委05cl拼80r7)图1是实验样机实物照片，除太阳集热／蒸发器(下文简称“集热板”)外，直膨式太阳能热泵热水器系统的其余部件与常规热泵系统完全相同，极具商品化潜力。制冷剂作为太阳集热介质直接在集热板中吸收环境中的热量(太阳能、空气热)而蒸发，然后通过

6、热泵循环将冷凝热释放给水箱内被加热的水。由于本热泵系统的蒸发器与太阳集热器是合二为一C一压缩机HWT一生活热水箱EV一膨胀阀SCE一集热板AM一气液分离器SRM一太阳能总辐射表图1实验样机实际安装情况Fig．1陆血llflnlalpIoto啪peset-叩万方数据5期李郁武等：直膨式太阳能热泵热水器热力性能分析及优化设计的，所以集热温度可以处于一个比常规太阳集热器较低的温度范围内，这样可以使集热效率大大提高，采用廉价的裸板集热器也可获得较好的集热性能，有利于降低集热成本和实现与建筑物一体化结合；同时，太阳辐射效应可以提高热泵系统的蒸发温度，热泵机

7、组的性能因而得到改善。图2是热泵系统热力循环及水箱内热水从热泵冷凝器得热的过程在压焓图上的表示。本实验样机的压缩机额定输入功率为750W，系统各主要部件的参数列于表l中。为区别后文中进一步小型化的400W实验样机，故分别命名750w样机为DX．SAHP．wH系统A，400w样机为Dx—SAHPwH系统B。^2图2热水箱由热泵得热过程示意图Fig．2H咖rele雠t0t}lehot删er砒表1系统A主要部件参数Table1Specmcati∞0fthe胧曲comp帅e吣0fDx-SA}Ⅱ’wH(A)为实现对热泵系统各参数的自动采集，编制了Vi钏al

8、Basic测试程序，通过计算机控制Keithley数据采集系统，对有关参数(太阳辐射强度、温度、压力、耗电量等)进行扫描测试与记录。为研究系统的瞬时变化特性，扫描间隔时问设定为2lIlin。2热力学分析指标2．1热力学第一定律分析指标按热力学第一定律，热泵系统的冷凝器、蒸发器和压缩机存在如下热量平衡关系：Q阳d=Q。+职(1)j个Q。ld=赢，(^：一^，)一M。c～专≥(2)Q。=疵，(^。一^。)(3)形i=m，(矗2一^1)=形唧·可唧(4)式中，Q训——冷凝器放热功率，kw；Q。——集热板吸热功率，kw；形——压缩机指示功率，kw；肮，—

9、—系统内制冷剂流量，琬，=竿k∥s；K——’1压缩机理论排气量，m3／s；叩，——压缩机输气系数，91％(厂家给出)；v。——压缩机吸气