直膨式太阳能热泵热水装置的优化分析与变容量运行研究

【摘要】： 基于推动DX-SAHP建筑节能技术在中国的推广,本文选择了以直膨式太阳能热泵热水装置(DX-SAHPWH)为研究对象,在对自行研制的多台实验样机的实际运行性能及其主要影响因素进行了系统的理论分析的基础上,针对目前面临的主要障碍开展了一系列的研究工作,主要体现在以下几个方面: 基于前人的研究成果,根据上海地区气象特点,研制出DX-SAHPWH(A)实验样机(铝制热轧吹涨式裸板太阳集热板的有效集热面积为4.20m2、滚动转子式压缩机的额定输入功率为750W、立式承压蓄热水箱聚氨酯保温层厚度38mm、容水量为150L、外平衡式TEX-2型热力膨胀阀)。春季晴天的实验结果表明, DX-SAHPWH(A)在90～98分钟内可将150升水从14℃～20℃加热到50℃,耗电量为0.98～1.06kWh(约1度电),系统的COP和ηcoll分别为5.21～6.61和88%～105%。结合实验结果,通过针对热泵系统及主要部件的有效能分析方法发现,在DX-SAHPWH(A)的各个主要部件中,压缩机的节能潜力最大,其次是太阳集热板和冷凝器,热力膨胀阀的节能潜力最小。指出,压缩机和太阳集热板之间的容量匹配对于提高系统的热力性能至关重要。基于减少太阳集热板的有效能损失和选取有利于实现与建筑一体化结合的较小集热面积的考虑,研制出DX-SAHPWH(B)实验样机(铜制管板焊接式裸板太阳集热板有效集热面积为2.08m2、滚动转子式压缩机的额定输入功率为400W、立式承压蓄热水箱聚氨酯保温层厚度38mm、容水量为150L、外平衡式TEX-2型热力膨胀阀和DPF1.5型电子膨胀阀并联)。在秋季晴天的工况下,DX-SAHPWH(B)在164～201分钟内可将150升水从23℃～25℃加热到50℃,耗电量为0.90～1.12kWh,系统的COP和ηcoll分别为4.13～5.12和84%～101%。由于受可选择产品的限制,DX-SAHPWH(B)采用的管板焊接式太阳集热板和集热管之间的换热效果不佳,导致系统(B)的热力性能比系统(A)低,不过,系统(B)压缩机吸气压力也相对较低,这有助于防止压缩机过载,有利于系统安全运行。利用电子膨胀阀在DX-SAHPWH(B)上进行了太阳集热板过热度的“开环比例-闭环PI”控制研究,通过实验手段整定出若干组不同典型工况下的控制参数,编制PC机采集/控制程序根据不同工况进行集热板过热度的合理控制,并与使用热力膨胀阀进行过热度控制的效果进行了实验对比,结果表明,与热力膨胀阀相比,电子膨胀阀可以实现更为准确、稳定的太阳集热板过热度控制。 为有效实现系统的“动态匹配”(主要是压缩机和太阳集热板之间容量的匹配)运行,提出压缩机转速可调的DX-SAHPWH(C)系统匹配方案,并研制出实验样机。DX-SAHPWH(C)主要由裸板式太阳集热板(铝板热轧吹涨结构,有效集热面积为4.20m2)、全封闭滚动转子式变频压缩机(额定频率72Hz,额定输入功率为860W)、沉浸式铜盘管冷凝换热器、立式承压蓄热水箱(聚氨酯保温层厚度38mm、容水量为150L)、外平衡式TEX-2型热力膨胀阀和DPF1.8型电子膨胀阀并联、以及专门的微型控制器等部件组成。在秋季晴天的工况下进行了初步的性能实验,结果表明,DX-SAHPWH(C)在62～87分钟内可将150升水从23℃～30℃加热到50℃,耗电量为0.54～0.84kWh,系统的COP和ηcoll分别为5.29～6.93和88%～99%;对比相近工况下系统的热力性能发现,由于采用了变频压缩机的容量调节方法,DX-SAHPWH(C)可以实现更好的部件容量匹配关系,与DX-SAHPWH(A)和(B)相比,耗时分别减少了6%和48%,压缩机总功耗分别减少了29%和20%,COP分别提高了25%和31%,总有效能效率ηex分别提高了16%和55%。 建立DX-SAHPWH(C)的集中参数动态仿真数学模型,利用仿真计算方法深入分析系统的结构参数、运行参数、环境参数与热力性能之间的相互关系,为容量可调的DX-SAHPWH(C)的运行控制方案的制定提供理论依据。将数值仿真计算与实验进行了多种工况下瞬态及总体特性参数的对比验证,结果表明,仿真与实验结果吻合性好;结合上海地区“典型气象年逐时参数”数据库和数值仿真模型预测DX-SAHPWH全年多工况下的热力性能,建立了系统全年热力性能的数据库,在基本满足“总耗时Δτ少于6小时,COP不低于4.5(气温低于10℃的工况)和5.0(气温高于10℃的工况)”的约束条件和“蒸发温度不高于25℃、不低于-15℃”的原则下,制定出DX-SAHPWH(C)具体的运行控制方案,主要包括系统启/停机控制规则、压缩机频率f随外部环境参数I T和t 0的变化而调节的系统变容量控制规则、以及电子膨胀阀开度脉冲数u随压缩机频率f、太阳辐射强度I T和集热板过热度ΔT sh及其偏差e的变化而调节的集热板过热度控制规则。然后,从硬件设计以及软件编程两方面开展工作,研制出基于价格低廉的8位单片机微处理器(Renesas-M37544)的专用微型控制器,以便用最低的成本完全实现DX-SAHPWH的制冷剂节流控制和变频压缩机容量调节。 另外,作者所在的研究团队与国内新能源领域企业通力合作,完成了“阳台安装型直膨式太阳能热泵热水器”的小批量试制和现场性能实测,在DX-SAHPWH与建筑的一体化结合及产品实用化推广方面迈出了重要一步。 【关键词】：太阳能 热泵 热水器 直膨式 太阳集热/蒸发器 微型控制器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 直膨式太阳能热泵技术的研究与进展15-33
• 1.1 概述15-18
• 1.2 太阳能热泵技术的工作原理、发展历史及其在我国的发展前景18-21
• 1.3 直膨式太阳能热泵技术的国内外研究现状及存在的问题21-31
• 1.3.1 直膨式太阳能热泵技术的研究现状21-30
• 1.3.2 直膨式太阳能热泵技术存在的问题30-31
• 1.4 本文的主要工作31-33
• 第2章 直膨式太阳能热泵热水装置的实验研究33-58
• 2.1 直膨式太阳能热泵热水装置的工作原理33
• 2.2 直膨式太阳能热泵热水装置实验样机的部件及整机构建33-37
• 2.2.1 设计指标及参数33-34
• 2.2.2 太阳集热板34-35
• 2.2.3 压缩机35
• 2.2.4 冷凝器及蓄热水箱35-36
• 2.2.5 热力膨胀阀和其它配件36
• 2.2.6 实验样机的整机构建36-37
• 2.3 直膨式太阳能热泵热水装置实验样机及数据采集系统37-40
• 2.3.1 实验样机部件参数37-38
• 2.3.2 数据采集系统38-40
• 2.3.3 实验操作过程40
• 2.4 直膨式太阳能热泵热水装置工作特性实验研究40-52
• 2.4.1 运行模式40-41
• 2.4.2 热力性能的评价指标41-44
• 2.4.3 实验结果分析与讨论44-52
• 2.5 直膨式太阳能热泵热水装置与几种常规热水装置的性能价格比较52-54
• 2.6 直膨式太阳能热泵热水装置与建筑的一体化结合及其产品实用化54-57
• 2.6.1 与建筑的一体化结合54-55
• 2.6.2 产品实用化55-57
• 2.7 本章小结57-58
• 第3章 直膨式太阳能热泵热水装置热力性能的优化分析58-86
• 3.1 直膨式太阳能热泵热水装置结构优化设计58-69
• 3.1.1 直膨式太阳能热泵热水装置（A）的热力性能分析58-62
• 3.1.2 太阳集热板结构优化设计62-64
• 3.1.3 直膨式太阳能热泵热水装置（B）的热力性能分析64-68
• 3.1.4 直膨式太阳能热泵热水装置工作特性总体分析68-69
• 3.2 直膨式太阳能热泵热水装置采用电子膨胀阀为节流元件69-79
• 3.2.1 太阳集热板过热度电子膨胀阀控制的硬件实现69-71
• 3.2.2 太阳集热板过热度电子膨胀阀控制的方案制定71-75
• 3.2.3 基于PC 机的太阳集热板过热度电子膨胀阀控制的软件实现75-77
• 3.2.4 太阳集热板过热度热力/电子膨胀阀控制效果的实验对比77-79
• 3.3 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）的构建79-82
• 3.3.1 太阳集热板79-80
• 3.3.2 变频压缩机及变频器80-82
• 3.3.3 冷凝器及蓄热水箱82
• 3.3.4 热力膨胀阀与电子膨胀阀82
• 3.4 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）的热力性能分析82-84
• 3.5 本章小结84-86
• 第4章 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）的数值仿真与参数分析86-105
• 4.1 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）数值仿真的必要性86
• 4.2 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）数学模型的建立86-91
• 4.2.1 太阳集热板模型87-88
• 4.2.2 压缩机模型88-89
• 4.2.3 冷凝器及蓄热水箱模型89-90
• 4.2.4 热力/电子膨胀阀模型90-91
• 4.3 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）数学模型的求解91-92
• 4.4 影响变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）热力性能的参数分析92-104
• 4.4.1 结构参数对热力性能的影响分析93-98
• 4.4.2 运行参数对热力性能的影响分析98-99
• 4.4.3 环境参数对热力性能的影响分析99-104
• 4.5 本章小结104-105
• 第5章 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）运行控制的研究105-131
• 5.1 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）的基本控制策略105
• 5.2 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）数值仿真的实验验证105-108
• 5.3 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）运行控制方案的制定108-117
• 5.3.1 启/停机控制方案108-109
• 5.3.2 变容量运行控制方案109-116
• 5.3.3 太阳集热板过热度控制方案116-117
• 5.4 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）专用微型控制器的研制117-126
• 5.4.1 微型控制器硬件设计117-119
• 5.4.2 微型控制器软件设计119-125
• 5.4.3 基于RENESAS-M37544 的专用微型控制器125-126
• 5.5 变容量直膨式太阳能热泵热水装置（C）全年运行的工作特性分析126-129
• 5.5.1 依照控制规则运行的部分实验结果126-128
• 5.5.2 全年变容量运行工作特性的仿真分析128-129
• 5.6 本章小结129-131
• 第6章 总结131-135
• 6.1 对本文研究工作的总结131-133
• 6.2 研究工作的创新性133-134
• 6.3 存在的问题134-135
• 参考文献135-141
• 致谢141-143
• 攻读学位期间发表论文、申请专利与所获奖励143-144

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