1、直膨式太阳能热泵热水器系统的性能分析与优化设计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 o
2、ptimization 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 conde
3、nser 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
4、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 reserv
5、ed.摘要：在这项研究中，我们对额定输入功率为 750W 的“直膨式太阳能热泵热水器”系统进行了测试和分析，通过在春季运行工况下的实验研究和系统性能的热力学分析，对于系统的优化设计我们提出了一些合理化建议。根据分析结果，研制了额定输入功率为 400W 的小型化“直膨式太阳能热泵热水器”系统并加以试验验证和分析。我们把以上两个系统分别命名为 A 和 B，通过对比分析发现，两套系统各主要部件的火用损失以压缩机和集热/蒸发器为最大，然后依次是冷凝器和热力膨胀阀。此外，我们还对提高各部件性能尤其是集热器和蒸发器的性能提出了一些方法和建议。为了保持热泵压缩机的容量和集热/蒸发器的蒸发量之间的合理匹配，我
6、们在“直膨式太阳能热泵热水器”系统中应用了电子膨胀阀和变频压缩机。12006Elsevier Ltd 公司保留专利所有权。 C关键词: 热泵；热水器；性能系数；太阳能集热效率；火用。1.引言：太阳能是一种免费可再生能源，它像是空气热源的热泵。为了提高热泵的 COP，来自世界各地的研究人员已经提出了把热泵系统与太阳能应用系统相结合的观点。所谓直膨式太阳能热泵，就是把集热器和蒸发器组合成一个单元（集热/蒸发器） ，在热泵循环系统中,制冷剂被入射的太阳能（和/或周围空气的能量）蒸发吸收。直膨式太阳能热泵系统与传统的太阳能热泵系统相比有很多优势，如优越的热力性能，较低的系统制造成本和集热/蒸发器较长的
7、使用寿命。据估计，在中国太阳能热水器每年的销售额约达 100 亿元人民币。另据报道，在 2000 年中国约有 500 万家庭安装了太阳能热水器，并且它的发展速度越来越快。与传统的热泵热水器相比，直膨式太阳能热泵热水器凭借其优势将在中国有一个巨大的潜在市场。直膨式太阳能热泵系统的概念是由 Sporn 和 Ambrose 在西弗吉尼亚州1首次提出的。通过他们的共同努力，他们在过去 27 年里记录报道很多理论和实验性研究的结果。此领域的审查文件表示，在不同的试验条件下，当直膨式太阳能热泵系统的 COP 测试值从 2 到 9 变化的时候，集热/蒸发器的效率将从 45%变化到 75%。系统组成的匹配程度
8、对系统的 COP 和集热器的效率高低由一定的影响，尤其是集热/蒸发器与压缩机系统组成的匹配程度。因此，每个组件之间的适当匹配对直膨式太阳能热水泵热水器的的性能有很重要的影响。几何参数 符号Ac 太阳能集热/蒸发器面积，m 2 集热/蒸发器的吸收率COP 性能系数 （火用）损系数Cpw 常压下水的比热容，kJ/kg.K 集热/蒸发板发射率D 管道外直径， m 效率2EQW 火用热水率，KW v 容积效率Erad 太阳辐射，KW v 1 吸入制冷剂蒸气的比容 m3/kge 具体的火用 ，kJ/kg 斯忒藩常数 W/m2K4F 翅片效率 时间，或时间间隔，sF 集热效率因子 下脚标H 焓值率，KJ
9、0 环境的参数H 比焓，kJ/kg comp 压缩机Hw 风的传热系数，W/m2K coll 集热/蒸发器Irr （火用）损率，kW cond 冷凝或冷凝器IT 太阳辐射总强度，W/m 2 eva 蒸发或集热/蒸发器mr 制冷剂的质量流量，kg/s ex （火用）Mw 水箱中水的质量，kg f 制冷剂液体N 压缩机电机的转速，rpm p 集热/蒸发器板P 压力，Pa rad 太阳辐射QCond 冷凝中制冷剂散热量，KW r 制冷剂Qeva 蒸发中制冷剂散热量，KW sa 溶胶-空气S 熵, kJ/K v 膨胀阀S 特殊条件下的熵, kJ/kgK w 水箱的热水T 绝对温度，k i 进气口，或
10、DX-SAHPWH 系ULcond 冷凝器热损系数，W/m2K 统的第 i 个组件Vd 排水量 cm3/rev j 第 j 段的数据采集间隔Vw 周围环境风速，m/s o 出口W 集热/蒸发器的管间距，m 1,2,3,4 状态点Wi 压缩机的指示功率，kW Wcomp 压缩机总输入功率, kW目前，在制冷和空调行业，除集热/蒸发器外，其余的直膨式太阳能热泵热水器系统均采用普通的材料和部件。为了使直膨式太阳能热泵热水器系统的能得到更好地发展，我们对集热/蒸发器性能增强的研究显得更有重要意义。3在这项研究中，我们的主要目的在于开发出一种更高性能的直膨式太阳能热泵热水器系统，以适应潜在的中国市场。目
11、前，这两个系统原型（直膨式太阳能热泵热水器系统（A）和（B） ）被依次放置在中国教育部太阳能发电及制冷工程研究中心（上海交通大学，北纬 31.22N，东经 121.48。 ） 。在季节性试验中，我们分别用热力学第一定律和热力学第二定律对直膨式太阳能热泵热水器系统（A）和（B）进行了火用分析。同时我们对集热/蒸发器系统也提出和运用了一些优化设计方法。应当指出的是，这项研究中使用的制冷剂 R-22，在发展中国家，例如中国，尽管它将会在 2040 年前被淘汰，但是现在它仍然广泛应用于热泵系统。为了促使发展中国家能够节省能源，运用 R-22 作为制冷剂来提高热泵系统的热力性能对我们来说显得尤为重要。另
12、一方面，我们可以运用同样的分析方法来分析其他类型的制冷剂热泵系统。2. 系统描述和实验装置2.1 直膨式太阳能热泵热水器的热力循环图 1 直膨式太阳能热泵热水器循环原理图4图 1 显示的是直膨式太阳能热泵热水器系统（A）在此研究中的示意图。此系统是由一个无光太阳能集热器作为蒸发器，一个制冷剂为 R-22 的旋转式封闭压缩机，一个带有再绕式铜管的热水槽作为蒸发器，一个恒温膨胀阀（TEV）和一些辅助配件组成的。这些压缩的的制冷剂液体从冷凝器通过膨胀阀直接进入太阳能集热/蒸发器，并在那里得到入射太阳能（和/或周围环境大气能量）的加热。周围环境的空气作为热源或者冷源取决于制冷剂的温度是否低于或高于周围
13、环境的温度。从蒸发器出来的制冷剂通过压缩机的压缩，最后高温高压的制冷剂蒸汽被输送到冷凝器，在那里得到冷凝。这些能量在冷凝器中被冷却介质水吸收，通过一种（铜管线圈型）热交换器把能量转换成水槽中水的能量。图 2 热水箱由热泵得热过程示意图图表 2 显示的是制冷剂在理想外界条件下的一个特定的热泵循环。在图中，1-2,2-3,3-4 和 4-1 分别代表压缩过程，冷凝过程，节流过程和蒸发过程。制5冷剂相应的热力状态点 1,2,3，和 4 分别代表蒸发压力下的过热蒸汽，冷凝压力下的过热蒸汽，冷凝压力下的过冷液体和蒸发压力下的过冷液体。如图 2 所示，由于太阳能集热/蒸发器的压力是下降的，1 点的蒸发压力
14、总比在 4 点蒸发压力小。只要加热集热/蒸发器中的制冷剂，水槽中的水也将得到加热，类似的周期反应也会反过来发生。2.2.样机设计直膨式太阳能热泵热水器系统（A）的实验样机的设计和制造如图 3 所示。在表 1 中列出的每个主要组件规格。图 3 试验样机安装的照片图表 1 系统 A 主要部件参数名称 规格及型号 备注6压缩机 滚动式转子 额定功率 0.75KW，排气量 13.40cm3 /rev,蓄水150L，内置沉浸式。热水箱 承压式保温水箱 长 60m 的铜盘管（ 9.90 0.75mm）作为冷凝换热器 。太阳能集热/蒸发器 铝板 4 板式集热板，分 2 个流程并联，总集热面积为4.20m3
15、热力膨胀阀 TEX-2 型由 外部平衡型Danfoss, Denmark 制造一系列没有任何玻璃或背绝缘热源设备的太阳能集热器 （总面积为 4.20m2)，以 R22 作为制冷剂的蒸发器。它包括 4 个铝集热板，分 2 个流程并联，这种网络式的管道设计经特殊工艺使两片铝板能够粘合在一起，从而形成肋片，以至于流体能够在周围流动。其结果是，铝集热/蒸发器重量轻，非常薄，所以它可以轻松地安装在任何地方。本实验研究中，我们把集热/蒸发器面朝南部，固定在一个倾斜度为 31.220（上海纬度）的屋顶上，如图 3 所示。为了提高其吸收率，我们在集热/蒸发器表面涂有选择性的涂层。系统中使用 R22 的额定输入
16、的功率为 750W 旋转式全封闭压缩机，为避免过载，在压缩机上装有过热保护器和低高切断开关。冷凝器铜管（ 9.900.75mm）线圈总长度约 60 米，它们被放置在水箱中（水量 150L 和聚氨酯保温层厚度 38mm）。打开和关闭电源的的直膨式太阳能热泵热水器系统是由位于水箱内的温度计控制的，所以热力膨胀阀（外部平衡型）控制制冷剂的流量是通过太阳能集热/蒸发器来实现的。2.3 测试设备环境温度由铂热电偶温度计（A 级精度)测量，不同系统的收集器表面温度和制冷剂温度是有另一热电偶(T 型，具有不确定性 0.5。 C）测量的。水的温度是有位于热水槽的温度热敏电阻测量的。压力的高低是由压力传感器测定
17、的。为了测定集热/蒸发器流程中的压降，我们在集热/蒸发器的里外各装了一个低压压力传感器（不确定性 0.5bar）。在冷凝器的外面装了装了一个高压的压力传感器。为了测量太阳辐射的瞬间强度，我们在集热/蒸发器周围安装了一个太阳辐射强度计（具有敏感性 7.464 V/Wm2，不确定性为 10W/m2）。我们用电子7功率测量计（准确性级别 0.5，不确定性约为 10-15W）测量压缩机的瞬间功耗。以上过程是由基于 D-A 系统的个人电脑指导和控制的。为了以后分析的方便，数据记录器（Keithley Model-2700 数据采集系统）分析记录了这些数据。3.系统的热力学分析热力学第一定律和热力学第二定
18、律是比较简单的热力学分析方法。火用分析实际上是能量分析的一部分。火用分析的理论是实质上的可用的能源分析。火用是常温常压下系统最大有用功的一种测量方式。在直膨式太阳能热泵热水器系统中热力学第一定律和热力学第二定律比较简单的运用体现在系统的合理设计上。这些结果会使工程设计者更容易有效地识别组件的火用损失，为进行进一步 的修改提供合理的量化的指导。3.1 .热力学第一定律分析在这项研究中，直膨式太阳能热泵热水器系统的能量守恒可以表示为(1) cond=ievaQW其中 表示传热量，下标 cond 表示冷凝器，eva 表示集热/蒸发器。 i代。Q 。W表压缩机的指示功率。集热/蒸发器从周围环境中的热量
19、可以表示为制冷剂从集热/蒸发器入口到出口焓值的变化。(2)14()revaQmh对于恒定速率运行下的压缩机来说，在压缩机中循环流过的制冷剂的质量的为(3)160dvrNV其中发动机的转速为 N，制冷剂流量为 , 型号为 2830, d13.40cm3/rev，91%的直膨式太阳能热泵热水器系统（A ）上的旋转封闭式压缩机的容积效率 v。压缩机入口处的比体积 是由压力 Peva 和通过管道的制冷剂1温度 T1 决定的。压缩机的指示功率可有通过压缩机入口和出口处制冷剂的焓差决定的。8(4)21()icompWh其中 为压缩机总输入功率， 为压缩机的效率，效率 0.75 用于下compWc文中直膨式
20、太阳能热泵热水器系统（A）的计算。冷凝器的传热量可以由以下焓值变化来表示(5)23()rcondQmh节流过程可近似认为是等焓过程：(6)34rr由热力学第一定律知，太阳能集热器的效率 coll 和直膨式太阳能热泵热水器系统的性能系数 COP 可以定义为(7)jjcjjevacolTIAQ(8)jjcompjjwWCOP公式中 代表的是以上提到的 2 分钟的时间采集间隔，下标 j 代表第 j 段的时间间隔， 代表太阳能集热器的面积 代表太阳总的辐射强度， 代表水cATI w。Q从冷凝器获得的热量，它可以近似认为是冷凝器制冷剂的散热量，也就是说热水通过覆有 38mm 厚的聚氨酯的水槽到外界环境的
21、热量损失可以忽略不计。3.2 热力学第二定律的分析一个热力系统的(火用)平衡方程式：(9)EIEroutin表示火用的输入量， 表示火用的输出量， 表示火用损失， 表inEout rIE示火用变化。直膨式太阳能热泵热水器的用平衡方程式可以表示为：9(10)iirwcomprad ，。 IEWQ其中 表示火用，其下标 rad 表示太阳能辐射，下标 表示从冷凝器到水E w的热交换。 表示直膨式太阳能热泵热水器系统的压缩机总的火用损失。下irI标 i 代表直膨式太阳能热泵热水器系统第 i 个压缩机。每个压缩机的火用损失可以按以下方式估算：我们可以得到在集热/蒸发器中的火用损失 -f-out1fin4
22、radevr ， EI(11)S(T140rH）（其中 表示入射的太阳能的火用， 14， 表radE ）（ PIA0colrad-TI示总的太阳辐射强度， 表示集热/蒸发器平板表面的温度。PT压缩机的火用损失可以总结为 f-out2,1compcopr ， EWIfin(12)(T210SH）（冷凝器的火用损失可以总结为 w-Efout3f-in2condr QI，(13)）（）（）（ WTS0320-1T膨胀阀的火用损失为 )-(H- 43043f-out4fin3r SEI ）（， (14)(0ST由热力学第二定律的评价指标知，火用效率并没有标准化。在本文中，直膨式太阳能热泵热水器系统火用效率可以定义为
