以太阳能空气为热源的直膨式热泵热水系统
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图 & 系统以太阳能为热源的 #$%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 4 显示以太阳能为热源 时 BC2 值 随 环 境 温度的变化情况 $ 可以看到曲线呈锯齿状 ! 随环境 温度的升高并不是严格上升 ! 说明在利用太阳能 制热水时 ! 环境温度并非是影响 BC2 值的主要因 素 !BC2 值大小还与太阳辐射强度有关 $
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可再生能源 "##$%!! 总第 !"" 期 "
以太阳能 R 空气为热源 的 直 膨 式 热 泵 空 调 及 热水系统如图 & 所示 $
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文主要针对其在春季供热水工况下运行的实测结
图 5 直膨式太阳能热泵空调及热水系统
&- 太阳能集热 ’ 蒸发器 %"- 四通换向阀 %H- 气液分离器 %G- 压缩机 %.- 冷凝盘管 %$- 生活热水箱 %,- 电磁阀 %I- 板式换热器 %!- 蓄热 ! 冷 " 水
图 # ! 种热源在相同的压缩机频率下 $%& 值比较
从图中可以看出 # 以太阳能为热源时的系统
-./ 值较高 0 系统优化运行所需要的输入功率更
低 # 这说明利用太阳能的节能优势显著 $ 现以 ’ 月 !( 日和 ’ 月 "! 日两天的试验情况 为例进行对比分析 $ 这两天的天气情况相似 # 都是 晴天 $ ’ 月 !( 日环境温度为 ")%* & # 利用太阳能 生产热水 %’ 月 "! 日为 ")%" & # 以空气为热源生 产热水 $ 压缩机工作频率均选用 )# 23 #数据处理 结果如表 "$
箱 %&#- 单向阀 %&&- 储液器 %&"- 过滤干燥器 %&H- 电子膨胀阀 %&G- 热力膨胀阀 %&.- 风冷换热器 %&$- 循环水泵 %&,- 地盘管 %&I- 风机盘管 收稿日期 ! "##$-&#-"G " 基金项目 ! 国家 "DE 支持项目 !FCBBBCG)B""$ 作者简介 ! 张雪梅 !&!DH- "@ 女 # 硕士研究生 # 研究方向为太阳能发电及制冷空调 $ IJK6.L ’ML6:N41:N0-$BGOHGEP:1K
万方数据
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研究与试验
通过降低压缩机 ! 的频率来减少制冷剂的循 环量 ! 同时开启电磁阀 " 和 #! 关闭电磁阀 $! 使制 冷剂蒸气在压缩机 ! 内被压缩 ! 在冷凝盘管 % 中 全部冷凝 ! 用于加热生活水箱中的冷水 ! 而冷凝后 的制冷剂液体通过四通换向阀 & 经板式换热器 ’ 的旁通管直接流入储液器 (( 中 !然后经过热力膨 胀阀 (! 节流降压 ! 再到太阳能集热蒸发器 ( " 或 风冷换热器 (%# 吸热蒸发 ! 最后回到压缩机 !! 如 此循环 $ 晴天可开启电磁阀 )!关闭电磁阀 *!利用 太阳能集热板接收太阳能作为热源生产热水 ! 阴 雨天气则可开启电磁阀 *! 关闭电磁阀 )! 以空气 为热源生产热水 $ 系统主要配置如表 ($
图 ! 系统以空气为热源的 #$%
23456 功率采集仪分别对整个系统和压缩机所消
耗的功率进行采集 $ 所有热电偶 %压力表以及太阳 辐 射 仪 均 与 ,70+8970 数 据 采 集 系 统 连 接 ! 自 动采集数据 $ 系统全年运行均以 :&& 为制冷工质 $ 春季热 水试验基本是晴天以太阳能为能源 ! 阴雨天以空 气为热源 $ 根据需要 !也采集了几组晴天以空气为 热源的数据 ! 以便在相同的天气状况下对 & 种热 源的优劣进行比较 $ 选用不同热源时 ! 分别选用不 同的压缩机工作频率 ! 试验频率为 46;%6 8< ! 并 万方数据
直膨式太阳能热泵空调及热水系统 ( 将太阳 能热泵与水蓄热 !冷 " 空调结合 #集冬季采暖 &夏季 空调及全年生活热水供应等功能于一体 # 不仅可 以节约高品位能源 #而且减少了环境污染
(H)J(Q)
果进行分析 # 比较了分别以太阳能和空气为热源 的热泵热水系统的运行性能 $
6 系统工作原理与试验
可再生能源 "##$%!! 总第 &"" 期 "
研究与试验
以太阳能 ’ 空气为热源的直膨式热泵热水系统
张雪梅 ! 王如竹 ! 李郁武 ! 旷玉辉 ( 吴静怡
! 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 摘
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要 ! 介绍了一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统 $ 针对春季供热水工况 # 分别对以太阳能及空气为热源
研究与试验
温度#分别进行以 太 阳 能 和 空 气 为 热 源 的 热 水 试验$
太阳辐射强度对 -./ 值的影响见图 ’$
图 ’ 系统 $%& 值随太阳辐射强度的变化趋势
显 而 易 见 # -./ 值 随 着 太 阳 辐 射 强 度 的 增 强而上升$ 折线尾部有下降现象是由于当时环 境温度相对较低所造成的$ 由此可知#以太阳 能 为 热 源 时 # 系 统 的 -./ 值 变 化 是 太 阳 辐 射 强度 和 环 境 温 度 共 同 作 用 的 结 果0其 中 太 阳 辐 射强度的影响更大$ 图 ! 是以压缩机工作频率为横坐标 #比较 了 在 )# # ), # ’# # ’, # ,# 23 下 # 分 别 以 太 阳 能 和 空 气 为 热 源 时 # 系 统 和 压 缩 机 的 -./ 值 # 其 中 0 针对每个频率0挑选了相似的天气状况和环境
冷凝换热盘管作为冷凝器 % 夏季则以太阳能集热 器 ! 夜间 " 或空气换热器 ! 白天 1 夜里 " 和生活水箱 内置冷凝换热盘管为冷凝器 $ 在单纯热水工况下0 仅使用生活水箱内置的冷凝换热盘管进 行 换 热 0 冷凝器使用面积偏小 0 并非最佳工况 0 所以导致系 统 -./ 整体偏低 $
" 结论
表"
名 称
:7D7EF-97 7D7:G0 DHI! &66> J(&" KLLM* @A FNNO
以 % 8< 为变化步长 $ 压缩机变频器设置了过载保 护功能 ! 当生活水箱的水温接近 %6 = 时 ! 自动停 机 ! 这样使热水温度不致过高 ! 能满足用户需要即 可 ! 有利于节能 $ 每组试验从压缩机开启到停机历 时 >6 ?@A 左右 ! 在这段时间内可以认为环境温度 或太阳辐射强度基本稳定 $
本文通过对直膨式热泵空调及热水系统春季 热水工况的试验分析 #可以得出以下结论 $
! 当使用太阳能作为热源制热水时 # 系统的 -./ 值 受 到 外 界 环 境 温 度 和 太 阳 辐 射 强 度 的 共 同影响 0 但以太阳辐射强度的影响为主 $ 一般来 说 #太阳辐射强度越大 #-./ 值越高 $ " 当使用空气热源制热水时 # 外界环境温度 对系统 -./ 值影响显著 #随其温度 !下转第 ,! 页" !!
生产生活热水进行了比较 # 发现以太阳能为热源具有更高的 )*+ 值 # 节能效果更为显著 % 根据试验数据分析了 压缩机工作频率 & 太阳辐射强度 & 环境温度等因素对热泵系统性能系数的影响 $ 关键词 ! 太阳能 % 空气能 % 生活热水 % )*+ 中图分类号 ! %&!’" 文献标志码 ! ( 文章编号 ! &$,&-."!" !"##$"#!-###"-#)
试验中进行相关参数的数据采集 $ 利用太阳 能时 ! 需要采集的参数包括太阳辐射强度 %环境温 度 % 压缩机吸排气温度 % 冷凝盘管进出口温度 % 集 热板进出口温度 % 集热器板温 % 生活热水温度 % 压 缩机进出口压力 % 冷凝盘管出口压力 % 集热板进出 口压力等 $ 利用空气作为热源时 !需要采集的参数 有环境温度 %压缩机吸排气温度 %冷凝盘管进出口 温度 % 风冷换热器进出口温度 % 生活热水温度 % 压 缩机进出口压力 % 冷凝盘管出口压力 % 风冷换热器 进出口压力等 $ 制冷剂温度的测量采用 + 型热电 偶 & 生活热水温度测量采 用 , 型 热 电 偶 & 太 阳 辐 射强度的测量使用 +-./& 总辐射仪 & 压力的测量 采用 0+1 系列电阻远程压力 表 $ 另 外 ! 用 & 台
直膨式太阳能热泵空调及热水系统主要设备
规格及型号 板式蒸发器 单相变频涡旋压缩机 承压式保温水箱 备 注
太阳集热器 P 蒸发器 压缩机 生活热水箱 风冷换热器
集热面积为 (( ?& 额定功率为 4 匹 容 积 &66 9Q 内 置 冷凝换热盘管 换热面积 (% ?&Q 功率 T6 E
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! 试验结果与分析 以 ! 月份的 &6 组试验数据为依据 ! 针对系统
的性能系数进行分析 $ 在处理数据过程中 !对每一 组数据分别计算出了整个系统的 BC2 " 即考虑试 验运行中的所有用电设备 ’ 和压缩机的 BC2" 即忽 略除压缩机外的其他用电设备所消耗的电量 ’$ 图 & 显示以空气为热源时 BC2 值 随 环 境 温 度的变化情况 $ 从图中可以看出随着环境温度的 升高 !BC2 值基本呈上升的趋势 ! 说明在使用空气 源时 ! 外界气温对系统 BC2 有着很明显的影响 ! 外界温度越高 !BC2 值越高 ! 从而节能效果越好 $
表 ! 天气相似情况下 ! 以太阳能和空气为热源的生产热水的试验结果
日期 天气状况 环境温度 压缩机进口温度 压缩机进口压力 蒸发温度 蒸发压力 冷凝温度 冷凝压力
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系统 -./
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由表 " 可以看到 #在几乎相同的天气状况下 # 以空气为热源时的一些主要参数值都比利用太阳 能时要低 $当以太阳能集热器作为蒸发器时 # 由于 集热板对太阳能的吸收 # 使其保持较高的温度 # 使 蒸发温度稍高于环境温度 # 有利于制冷工质在内 部的蒸发 %使用风冷换热器作为蒸发器时 # 由于其 换热性能比不上集热器 # 导致蒸发温度比环境温 度低了 (%" & # 这个温差对整个热泵系统的性能 会产生非常不利的影响 # 导致以空气为热源时系 统 -./ 比利用太阳能为热源时低 $ 另外需要说明的是 0 设计这套系统主要是为 了冬季的采暖和夏季的空调 0 并不是以供热水工 况为主 0 在冬季采暖工况和夏季空调工况下也可 同时生产热水0 所以在设计时使系统的冷凝器由 " 个部分组成 & 冬季以板式换热器和生活水箱内置
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 4 显示以太阳能为热源 时 BC2 值 随 环 境 温度的变化情况 $ 可以看到曲线呈锯齿状 ! 随环境 温度的升高并不是严格上升 ! 说明在利用太阳能 制热水时 ! 环境温度并非是影响 BC2 值的主要因 素 !BC2 值大小还与太阳辐射强度有关 $
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以太阳能 R 空气为热源 的 直 膨 式 热 泵 空 调 及 热水系统如图 & 所示 $
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文主要针对其在春季供热水工况下运行的实测结
图 5 直膨式太阳能热泵空调及热水系统
&- 太阳能集热 ’ 蒸发器 %"- 四通换向阀 %H- 气液分离器 %G- 压缩机 %.- 冷凝盘管 %$- 生活热水箱 %,- 电磁阀 %I- 板式换热器 %!- 蓄热 ! 冷 " 水
图 # ! 种热源在相同的压缩机频率下 $%& 值比较
从图中可以看出 # 以太阳能为热源时的系统
-./ 值较高 0 系统优化运行所需要的输入功率更
低 # 这说明利用太阳能的节能优势显著 $ 现以 ’ 月 !( 日和 ’ 月 "! 日两天的试验情况 为例进行对比分析 $ 这两天的天气情况相似 # 都是 晴天 $ ’ 月 !( 日环境温度为 ")%* & # 利用太阳能 生产热水 %’ 月 "! 日为 ")%" & # 以空气为热源生 产热水 $ 压缩机工作频率均选用 )# 23 #数据处理 结果如表 "$
箱 %&#- 单向阀 %&&- 储液器 %&"- 过滤干燥器 %&H- 电子膨胀阀 %&G- 热力膨胀阀 %&.- 风冷换热器 %&$- 循环水泵 %&,- 地盘管 %&I- 风机盘管 收稿日期 ! "##$-&#-"G " 基金项目 ! 国家 "DE 支持项目 !FCBBBCG)B""$ 作者简介 ! 张雪梅 !&!DH- "@ 女 # 硕士研究生 # 研究方向为太阳能发电及制冷空调 $ IJK6.L ’ML6:N41:N0-$BGOHGEP:1K
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研究与试验
通过降低压缩机 ! 的频率来减少制冷剂的循 环量 ! 同时开启电磁阀 " 和 #! 关闭电磁阀 $! 使制 冷剂蒸气在压缩机 ! 内被压缩 ! 在冷凝盘管 % 中 全部冷凝 ! 用于加热生活水箱中的冷水 ! 而冷凝后 的制冷剂液体通过四通换向阀 & 经板式换热器 ’ 的旁通管直接流入储液器 (( 中 !然后经过热力膨 胀阀 (! 节流降压 ! 再到太阳能集热蒸发器 ( " 或 风冷换热器 (%# 吸热蒸发 ! 最后回到压缩机 !! 如 此循环 $ 晴天可开启电磁阀 )!关闭电磁阀 *!利用 太阳能集热板接收太阳能作为热源生产热水 ! 阴 雨天气则可开启电磁阀 *! 关闭电磁阀 )! 以空气 为热源生产热水 $ 系统主要配置如表 ($
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直膨式太阳能热泵空调及热水系统 ( 将太阳 能热泵与水蓄热 !冷 " 空调结合 #集冬季采暖 &夏季 空调及全年生活热水供应等功能于一体 # 不仅可 以节约高品位能源 #而且减少了环境污染
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果进行分析 # 比较了分别以太阳能和空气为热源 的热泵热水系统的运行性能 $
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可再生能源 "##$%!! 总第 &"" 期 "
研究与试验
以太阳能 ’ 空气为热源的直膨式热泵热水系统
张雪梅 ! 王如竹 ! 李郁武 ! 旷玉辉 ( 吴静怡
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要 ! 介绍了一种直膨式太阳能热泵空调及热水系统 $ 针对春季供热水工况 # 分别对以太阳能及空气为热源
研究与试验
温度#分别进行以 太 阳 能 和 空 气 为 热 源 的 热 水 试验$
太阳辐射强度对 -./ 值的影响见图 ’$
图 ’ 系统 $%& 值随太阳辐射强度的变化趋势
显 而 易 见 # -./ 值 随 着 太 阳 辐 射 强 度 的 增 强而上升$ 折线尾部有下降现象是由于当时环 境温度相对较低所造成的$ 由此可知#以太阳 能 为 热 源 时 # 系 统 的 -./ 值 变 化 是 太 阳 辐 射 强度 和 环 境 温 度 共 同 作 用 的 结 果0其 中 太 阳 辐 射强度的影响更大$ 图 ! 是以压缩机工作频率为横坐标 #比较 了 在 )# # ), # ’# # ’, # ,# 23 下 # 分 别 以 太 阳 能 和 空 气 为 热 源 时 # 系 统 和 压 缩 机 的 -./ 值 # 其 中 0 针对每个频率0挑选了相似的天气状况和环境
冷凝换热盘管作为冷凝器 % 夏季则以太阳能集热 器 ! 夜间 " 或空气换热器 ! 白天 1 夜里 " 和生活水箱 内置冷凝换热盘管为冷凝器 $ 在单纯热水工况下0 仅使用生活水箱内置的冷凝换热盘管进 行 换 热 0 冷凝器使用面积偏小 0 并非最佳工况 0 所以导致系 统 -./ 整体偏低 $
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名 称
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本文通过对直膨式热泵空调及热水系统春季 热水工况的试验分析 #可以得出以下结论 $
! 当使用太阳能作为热源制热水时 # 系统的 -./ 值 受 到 外 界 环 境 温 度 和 太 阳 辐 射 强 度 的 共 同影响 0 但以太阳辐射强度的影响为主 $ 一般来 说 #太阳辐射强度越大 #-./ 值越高 $ " 当使用空气热源制热水时 # 外界环境温度 对系统 -./ 值影响显著 #随其温度 !下转第 ,! 页" !!
生产生活热水进行了比较 # 发现以太阳能为热源具有更高的 )*+ 值 # 节能效果更为显著 % 根据试验数据分析了 压缩机工作频率 & 太阳辐射强度 & 环境温度等因素对热泵系统性能系数的影响 $ 关键词 ! 太阳能 % 空气能 % 生活热水 % )*+ 中图分类号 ! %&!’" 文献标志码 ! ( 文章编号 ! &$,&-."!" !"##$"#!-###"-#)
试验中进行相关参数的数据采集 $ 利用太阳 能时 ! 需要采集的参数包括太阳辐射强度 %环境温 度 % 压缩机吸排气温度 % 冷凝盘管进出口温度 % 集 热板进出口温度 % 集热器板温 % 生活热水温度 % 压 缩机进出口压力 % 冷凝盘管出口压力 % 集热板进出 口压力等 $ 利用空气作为热源时 !需要采集的参数 有环境温度 %压缩机吸排气温度 %冷凝盘管进出口 温度 % 风冷换热器进出口温度 % 生活热水温度 % 压 缩机进出口压力 % 冷凝盘管出口压力 % 风冷换热器 进出口压力等 $ 制冷剂温度的测量采用 + 型热电 偶 & 生活热水温度测量采 用 , 型 热 电 偶 & 太 阳 辐 射强度的测量使用 +-./& 总辐射仪 & 压力的测量 采用 0+1 系列电阻远程压力 表 $ 另 外 ! 用 & 台
直膨式太阳能热泵空调及热水系统主要设备
规格及型号 板式蒸发器 单相变频涡旋压缩机 承压式保温水箱 备 注
太阳集热器 P 蒸发器 压缩机 生活热水箱 风冷换热器
集热面积为 (( ?& 额定功率为 4 匹 容 积 &66 9Q 内 置 冷凝换热盘管 换热面积 (% ?&Q 功率 T6 E
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! 试验结果与分析 以 ! 月份的 &6 组试验数据为依据 ! 针对系统
的性能系数进行分析 $ 在处理数据过程中 !对每一 组数据分别计算出了整个系统的 BC2 " 即考虑试 验运行中的所有用电设备 ’ 和压缩机的 BC2" 即忽 略除压缩机外的其他用电设备所消耗的电量 ’$ 图 & 显示以空气为热源时 BC2 值 随 环 境 温 度的变化情况 $ 从图中可以看出随着环境温度的 升高 !BC2 值基本呈上升的趋势 ! 说明在使用空气 源时 ! 外界气温对系统 BC2 有着很明显的影响 ! 外界温度越高 !BC2 值越高 ! 从而节能效果越好 $
表 ! 天气相似情况下 ! 以太阳能和空气为热源的生产热水的试验结果
日期 天气状况 环境温度 压缩机进口温度 压缩机进口压力 蒸发温度 蒸发压力 冷凝温度 冷凝压力
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热源 太阳能 空气
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由表 " 可以看到 #在几乎相同的天气状况下 # 以空气为热源时的一些主要参数值都比利用太阳 能时要低 $当以太阳能集热器作为蒸发器时 # 由于 集热板对太阳能的吸收 # 使其保持较高的温度 # 使 蒸发温度稍高于环境温度 # 有利于制冷工质在内 部的蒸发 %使用风冷换热器作为蒸发器时 # 由于其 换热性能比不上集热器 # 导致蒸发温度比环境温 度低了 (%" & # 这个温差对整个热泵系统的性能 会产生非常不利的影响 # 导致以空气为热源时系 统 -./ 比利用太阳能为热源时低 $ 另外需要说明的是 0 设计这套系统主要是为 了冬季的采暖和夏季的空调 0 并不是以供热水工 况为主 0 在冬季采暖工况和夏季空调工况下也可 同时生产热水0 所以在设计时使系统的冷凝器由 " 个部分组成 & 冬季以板式换热器和生活水箱内置