双热源多功能热泵系统的理论和实验研究

双热源多功能热泵系统的理论和实验研究随着经济快速发展和人民生活水平不断提高,我国能源消费量持续上升,过度消耗化石能源引起生态破坏,"以煤为主"的能源结构造成城市大气污染,导致生态环境压力越来越大,能源环境问题受到广泛关注,成为亟待解决的关键问题。

因此,提高可再生能源在能源结构中的比例,探索更高效的能源利用方法,是实现我国社会可持续发展的重要保障。

通过将热泵技术与太阳能利用技术结合,太阳能热泵技术(solar assisted heat pump,SAHP)将太阳能作为热泵系统的热源,一方面太阳能可以有效提高热泵系统蒸发温度,进而提高热泵系统性能,另一方面,热泵系统的制冷工质作为冷却介质,可以及时带走太阳能集热系统的热量,有效提高集热效率。

根据太阳能集热介质,太阳能热泵系统可以分为:直接膨胀式太阳能热泵系统(DX-SAHP)和间接膨胀式太阳能热泵系统(IX-SAHP)。

直接膨胀式太阳能热泵系统在太阳辐照强度高的情况下,可以达到较高的运行效率,但是由于太阳辐照以及其它室外环境条件的随机变化,导致直接膨胀式太阳能热泵系统的运行性能不稳定。

间接膨胀式太阳能热泵系统利用储热水箱储存所收集的太阳能,可以有效解决太阳辐射与加热负荷之间不匹配的问题,实现系统稳定运行,但是同时也导致了系统结构复杂,初始投资大等问题。

本文针对间接膨胀式太阳能热泵系统和直接膨胀式太阳能热泵系统在应用中存在的问题,提出了双热源多功能热泵系统和并联式双热源热泵系统,对其展开了深入研究,主要研究工作包括:提出双热源多功能热泵系统,该系统可以利用太阳能和空气源实现制冷、制热和制热水,能够在全年高效运行。

设计并搭建双热源多功能热泵系统,基于太阳能热泵空调性能检测平台提供的稳定外界环境,
针对太阳能制热模式和太阳能制热水模式在不同运行策略下运行时,不同初始条件和边界条件对系统性能的影响进行了实验研究。

结果表明,太阳能制热水模式中,初始水温越高,蒸发侧和冷凝侧换热功率越高,对应的系统耗功量和COP越高。

太阳能制热模式中,提高初始水温可以显著提高蒸发侧和冷凝侧换热功率,对应的系统耗功量和COP也随之升高,当太阳能集
热系统和多功能热泵系统同时运行时,太阳辐照强度升高,蒸发侧和冷凝侧换热
量均上升,COP也随之升高。

根据第二定律分析可知,对于双热源多功能热泵系统的太阳能制热水模式和太阳能制热模式,当蒸发侧有太阳辐照输入时,由于蒸发侧和冷凝侧换热功率升高,系统的(?)效率也随之升高。

在太阳能制热水模式中,当生活用水箱水温随着加热过程升高时,系统的(?)效率升高。

在太阳能制热模式中,低温热源温度随着制热过程降低,而高温热源温度保
持不变,因此系统(？)效率也随之升高。

建立了双热源多功能热泵系统的动态数学模型,并利用实验数据验证模型的准确性,模拟结果与实验结果的均方根误差
小于5%。

基于经验证的动态数学模型,对系统在不同运行条件的性能进行了模拟预测。

为了充分利用太阳能,降低系统能耗,满足热需求,分别针对供暖季节和非供暖季节制定了双热源多功能热泵系统的全年控制策略。

基于全年运行的控制策略,利用所建立的双热源多功能热泵理论模型,对系
统在合肥(32° N,117° E)、北京(40° N,116° E)和西宁(37° N,102° E)
的全年运行性能进行了模拟计算,该系统能够全年在以上三个地区以较高的COP
运行。

针对直接膨胀式太阳能热泵系统和传统空气源热泵热水系统在运行中存在
的问题,提出了并联式双热源热泵系统。

在该系统中,PV/T蒸发器与空气源蒸发器并联,系统可以同时从外界环境和太阳辐照中获取能量以产出热水和电。

通过建立并联式双热源热泵系统动态模型,研究不同太阳辐照强度、不同环境温度以及不同光伏电池覆盖率对PV/T蒸发器的光伏光热性能和系统总体性能的影响。

模拟结果表明,并联式双热源热泵系统中,PV/T蒸发器和空气源蒸发器可以在不利的运行条件下起到互补作用。

当系统中盘管水箱水温升高时,空气源蒸发器换热功率降低,PV/T蒸发器换热功率升高,可以降低水箱水温升高所造成的不利影响。

当太阳辐照强度处于较低水平时,PV/T蒸发器换热功率降低,此时,空气源
成为主要的热源。

随着太阳辐照强度升高,PV/T蒸发器换热功率增大,空气源蒸发器换热功率减小,冷凝侧换热功率增大,流入PV/T蒸发器的制冷工质质量流量增大,PV/T蒸发器的光热效率和光伏效率降低,系统耗功量增大,COP增大。

当辐照强度分别为1OOW/m2、200W/m2和300W/m2时,PV/T蒸发器的平均光热效率分别为49.27%、45.40%和44.16%,平均光伏效率分别为15.54%、15.46%和15.36%,系统平均COP为2.25、2.45和2.66。

环境温度越高,空气源蒸发器和PV/T蒸发器从环境中获得的热量增多,蒸发侧换热功率增大,冷凝侧换热功率随之增大,空气源蒸发器中制冷工质的质量流量增大,PV/T蒸发器的光热效率升高,光伏效率降低,系统耗功量增大,COP增大。

当环境温度从10℃上升到30℃时,PV/T蒸发器光热效率从49.27%上升到78.72%,光伏效率从15.54%降低到14.81%,系统COP从2.26上升到3.08。

并联式双热源热泵系统中,PV/T蒸发器的光伏电池覆盖率增高时,对应的光伏效率和
发电量增大,而光热效率和换热功率降低,空气源蒸发器中的制冷工质质量流量增大,系统的COP和PV/T蒸发器的光伏光热综合效率升高。

当PV/T蒸发器的光伏电池覆盖率从0增大到1时,PV/T蒸发器的光伏效率从0上升到16.29%,光热效率从55.88%下降到44.64%,PV/T蒸发器的光伏光热综合效率从55.88%增大到87.51%,系统COP从2.14增大到2.32。

与采用普通太阳能集热器的并联式双热源热泵系统相比,采用PV/T集热器作为蒸发器的系统具有更高的COP和更高的光伏光热综合效率。