直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化摘 要： 本文介紹了直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)該系統(tǒng)建立仿真模型，并從太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、集熱面積、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等角度對(duì)其熱工性能進(jìn)行了分析，提出了一般性的優(yōu)化設(shè)計(jì)、匹配運(yùn)行的意見。關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能熱泵;直接膨脹式;性能系數(shù).Analysis and Optimiazation of the Direct-Expansion Solar-Assisted Heat Pump (DX-SAHP) SystemAbstract: This article introduces the working principles of the DX-SAHP system and sets up a simulation model for it. It analyzes the thermal performance of the system from the points of solar radiation intensity, environment temperature, collector area and rotational speed of compressor. Optimiazation suggestions are also proposed.key words: solar heat pump; direct expansion; performance coefficient. 0 引言眾所周知，熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵雖然消耗了一定的高位能，但它所供給的熱量卻是所消耗的高位能和吸取的低位能之和。故采用熱泵可以節(jié)約高位能，特別是在冬季供暖的場(chǎng)所尤其顯得經(jīng)濟(jì)。把熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，組成太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)，不僅能夠有效地克服太陽(yáng)能稀薄性和間歇性的弱點(diǎn)，還能節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染，具有較大的開發(fā)應(yīng)用潛力。根據(jù)太陽(yáng)能集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式，太陽(yáng)能熱泵可分為直接膨脹式（簡(jiǎn)稱“直膨式”）和非直接膨脹式。其中，直膨式太陽(yáng)能熱泵的概念早在1955年就由Spom等人提出，他們的研究表明直膨式結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提高熱泵機(jī)組和太陽(yáng)集熱器的性能。此后，國(guó)外研究者對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行了一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了大量成果，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究甚少。同時(shí)，由于我國(guó)各地氣候條件以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配關(guān)系的差異，各研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的熱性能差別很大，產(chǎn)品實(shí)用化的進(jìn)程緩慢。本文對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行了模擬仿真，并引用國(guó)內(nèi)高校的研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析各種運(yùn)行條件對(duì)系統(tǒng)COP的影響，并得出一般性的直膨式太陽(yáng)能系統(tǒng)的優(yōu)化方向。1 直膨式太陽(yáng)能熱泵工作原理熱泵是一種從低溫環(huán)境吸取熱量而向溫度較高的物體供給熱量的設(shè)備，其工作循環(huán)和制冷裝置的工作循環(huán)一樣，是逆卡諾循環(huán)，只是其工作目的、工作溫度和性能指標(biāo)不同而已。直膨式太陽(yáng)能熱泵與空氣源熱泵的區(qū)別是，前者是以太陽(yáng)輻射能作為低溫?zé)嵩矗@樣可以做可以在環(huán)境溫度較低時(shí)顯著提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，起到節(jié)約能源的作用。直膨式太陽(yáng)能熱的主要部件包括太陽(yáng)能集熱器/蒸發(fā)器，壓縮機(jī)、熱力膨脹閥、冷凝器等，基本工作原理如圖1所示。圖1直膨式太陽(yáng)能熱泵工作原理2 數(shù)學(xué)模型的建立與分析上世紀(jì)80年代開始制冷空調(diào)是設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代化逐漸成為一種趨勢(shì)，它將制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)而建立系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型，然后在數(shù)值計(jì)算結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)研究，可以理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高科學(xué)研究的可靠性與效率。同時(shí)，由于受到不同的實(shí)驗(yàn)裝置地理位置運(yùn)行時(shí)間和氣候條件等因素的影響，不僅直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以推廣應(yīng)用，而且難以為實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。因此，利用數(shù)值仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析顯得尤為必要。本節(jié)針對(duì)圖1中涉及的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的主要部件，采用運(yùn)算速度快、計(jì)算結(jié)果滿足要求的集中參數(shù)方法；而后將每個(gè)部件出口處制冷劑狀態(tài)作為下一部件進(jìn)口處制冷劑狀態(tài)，并將各部件制冷劑流量均視為與壓縮機(jī)排量相同。 2.1太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器模型太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的熱性能普遍采用兩種方法來(lái)模擬分析：一種是考慮管內(nèi)制冷劑的壓降，利用平衡均相理論建立制冷劑均相流動(dòng)的控制方程，并采用四階Runge Kutta法對(duì)其求解；另一種是忽略了制冷劑在集熱器中的壓降，利用能量平衡原理建立了集熱/蒸發(fā)器的代數(shù)控制方程。管內(nèi)制冷劑壓降較小(20 kPa)的情況下兩種方法所得結(jié)果非常接近，本文所引用的數(shù)據(jù)都是在壓降較小的情況下測(cè)得的，因此可采用簡(jiǎn)單模型加以分析。由制冷劑在集熱器內(nèi)的吸熱量等于集熱器有效集熱量可得下列能量平衡公式： Q=mr(h1-h4)=AeFS-UL(Te-T0)= AeFIT-(T04-TSky4)-UL(Te-T0) (1) UL =(5.7+3.8Vw+4T03) (2) TSky=0.0552 T01.5 (3)其中，mr為制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）；h1為集熱器出口制冷劑焓值（J/kg）；h4為集熱器進(jìn)口制冷劑焓值（J/kg）；Ae為集熱面積（m2）；F為集熱板即熱效率因子；S為集熱板吸收、發(fā)射輻射之差(W/m2)；UL為集熱板總熱損系數(shù)（W/m2K）；Te為制冷劑蒸發(fā)溫度（K）；T0為室外環(huán)境溫度（K）；為集熱板表面太陽(yáng)吸收率；為集熱板表面輻射率；為黑體輻射常數(shù)，5.6710-8W/(m2K4)；TSky為有效天空溫度（K）；Vw為室外風(fēng)速（m/s）（取本文取南京冬季室外計(jì)算風(fēng)速2.6m/s）。2.2冷凝器模型2.2.1制冷劑側(cè)換熱方程Qcond=AcondUcond(Tcond - Tw) (4)(5)其中，是冷凝盤管的傳熱系數(shù)：Ucond=1Acond,oAcond,i1hcond+1hw由于制冷劑在冷凝器盤管中為兩相環(huán)狀流，因此在水平方位冷凝盤管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可用下式估算：hcond=0.0265kldcond,iGrdcond,il0.8Cplkl0.3 (6)其中，kl為液態(tài)制冷劑導(dǎo)熱系數(shù)（W/(mK)）；Gr為制冷劑環(huán)狀流質(zhì)量流量（kg/(sm2)）；l為液態(tài)制冷劑動(dòng)力粘性系數(shù)（Ns/m2）；Cpr為制冷劑比熱，假定是兩相環(huán)狀流，此處采用飽和液態(tài)的比熱，（J/(kgK)）；水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：hw=0.5kwdcond,ogwtGrdcond,o3w2Cpwwkw0.25 (7)其中，kw為水的導(dǎo)熱系數(shù)（W/(mK)）；w為水的體積膨脹系數(shù)（1/K）；Cpw為水的比熱（J/(kgK)）；w為水的動(dòng)力粘度（Pas）2.2.1制冷劑側(cè)換熱方程冷凝功率和集熱板即熱功率、壓縮機(jī)輸入功率之間有如下關(guān)系式：Qcond=Qeva + compWcomp (8)采用均勻水箱模型進(jìn)行分析，則可以認(rèn)為水箱內(nèi)部溫度分布保持均勻一致。同時(shí)，假設(shè)水箱逼問與水文始終保持一致，則可得能量平衡方程： Qw=(MwCw+MwCw) =Qc - (UA)t(Tw-Ta) (9)其中，Mw、Cw分別為水箱中水的質(zhì)量（kg）和比熱（J/kgK)；Mwt、Cwt分別為水箱內(nèi)壁的質(zhì)量（kg）和比熱（J/kgK)；Qw為冷凝器的加熱量（J）；（UA）t為水箱壁面的熱損系數(shù)（W/K）；Tw為水溫（）；Tw為水的溫升（）；Ta為環(huán)境溫度（）。2.3壓縮機(jī)模型2.3.1制冷劑質(zhì)量流量(10)mr=nVd60i其中，n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；i為壓縮機(jī)吸氣比容（m3/kg）；為壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；Vd為壓縮機(jī)理論排氣量（m3/kg）。2.3.2壓縮機(jī)功率Wcomp=mrPeicompkk-1PcPek-1k-1 (11)其中，comp為壓縮機(jī)的總效率，是指示功率和輸入功率的比值；Pc、Pe分別為冷凝壓力和蒸發(fā)壓力（Pa）；k為壓縮過程的多變指數(shù)。2.4熱力膨脹閥模型2.4.1流量特性方程通過熱力膨脹閥的制冷劑流量可按下式計(jì)算：mr=CvA02lp (12)Cv=0.02005l+0.634vo (13)其中，p為閥孔前后壓差（Pa）；Cv為流量系數(shù)；A0為閥孔的最小流通面積（m2）；l為入口液體制冷劑密度（kg/m3）；vo為出口制冷劑比容（m3/kg）。2.4.2能量方程由節(jié)流前后焓不變，可得： hi=ho (14)其中hi、ho分別是熱力膨脹閥進(jìn)出口處制冷劑的焓值（J/kg）。2.5求解方法要使得以上四個(gè)部件的模型耦合起來(lái)，形成可以進(jìn)行仿真模擬的系統(tǒng)，需要以下三個(gè)條件作為約束條件：1） 各部件連接點(diǎn)處的制冷劑質(zhì)量流量守恒；2） 各部件制冷劑質(zhì)量之和等于系統(tǒng)的充注量；3） 冷凝功率等于集熱器集熱功率與壓縮機(jī)指示功率之和。然后根據(jù)系統(tǒng)的熱力循環(huán)過程作為程序的運(yùn)算流程，并以以上三個(gè)約束條件作為循環(huán)的判據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。主要部件參數(shù)選取文獻(xiàn)X中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部件參數(shù)。本文利用Visual C+作為編程工具進(jìn)行運(yùn)算，流程圖如圖2所示。是是開始輸入結(jié)構(gòu)、氣象參數(shù)等初始條件輸入時(shí)間步長(zhǎng)（60s）、水終溫壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥計(jì)算約束條件1）集熱/蒸發(fā)器計(jì)算約束條件3）約束條件2）輸出結(jié)果結(jié)束調(diào)整冷凝壓力調(diào)整蒸發(fā)壓力調(diào)整蒸發(fā)器出口過熱度水箱溫度達(dá)預(yù)設(shè)值增加一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)否是否是否否圖23 結(jié)果分析3.1 環(huán)境溫度與輻射強(qiáng)度影響 環(huán)境溫度/圖3輻射強(qiáng)度/Wm-2圖4由圖3和圖4所示，隨著太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度的增大，熱泵COP都會(huì)隨之逐漸增大。在上海交通大學(xué)的研究中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻射強(qiáng)度較大時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)COP的影響則會(huì)較小。3.2 集熱面積的影響集熱面積/m2圖5如圖5所示，隨著集熱面積的增加，熱泵的COP逐漸提升，主要是由于蒸發(fā)溫度隨著集熱面積增大而提高，性能系數(shù)得到改善。但是，因?yàn)檎舭l(fā)溫度升高，散熱也會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致集熱性能下降。另有研究表明，冷凝器集熱水箱體積增大也會(huì)使得COP和集熱系數(shù)有所提升，且單位集熱面積所匹配的水箱容積約為75L125L時(shí)，COP和集熱系數(shù)都能達(dá)到比較理想的數(shù)值。3.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）圖6如圖6所示，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，COP迅速下降，由于模擬數(shù)據(jù)是某一種工況下的，因此可以看出，對(duì)在一定工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需要適應(yīng)工況來(lái)調(diào)節(jié)。相關(guān)研究表明，隨著轉(zhuǎn)速增加，集熱效率則會(huì)增加，因此，可以調(diào)節(jié)至一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，使得COP 和集熱效率都能達(dá)到一個(gè)比較合理的數(shù)值?？梢圆捎脡嚎s機(jī)變頻運(yùn)行或者采用可調(diào)節(jié)流量的電膨脹閥來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。3.4 仿真計(jì)算相對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差山東科技大學(xué)對(duì)于直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的一項(xiàng)基于實(shí)驗(yàn)與仿真模擬研究得出的數(shù)據(jù)如圖7所示：圖7山東科大試驗(yàn)臺(tái)模型的建立中，對(duì)集熱器采用微元的方法建立模型，減少了計(jì)算中的誤差。各項(xiàng)數(shù)據(jù)中，除集熱器平均集熱效率計(jì)算誤差較大（4.6%）外，對(duì)系向的選擇優(yōu)一定指導(dǎo)意義。其余各量平均誤差統(tǒng)的優(yōu)化方均在1%以內(nèi)，理論值與實(shí)驗(yàn)值誤差很小。盡管最大誤差還是不能忽略的，但是理論值與實(shí)驗(yàn)值反映的總體變化規(guī)律還是一致的。因此，采用仿真計(jì)算可以從一定程度上模擬真實(shí)系統(tǒng)的，4 結(jié)語(yǔ)在設(shè)計(jì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)時(shí)，單一考慮某一因素或者一味放大某一因素的影響往往不會(huì)提升系統(tǒng)的性能系數(shù)，而應(yīng)綜合考慮各因素之間的關(guān)系，找到最佳工作點(diǎn)。本文介紹了直膨式太陽(yáng)能熱泵的工作原理并建立了的簡(jiǎn)單仿真模型，并針對(duì)環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、集熱面積、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等因素分析了系統(tǒng)的熱工性能，發(fā)現(xiàn)這些因素（尤其是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速）對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行匹配提出了意見。參考文獻(xiàn)1 劉立平 ,趙軍 ,張華. 直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的模型仿真.太陽(yáng)能學(xué)報(bào).2009.52 孫振華 ,王如竹 ,翟曉強(qiáng). 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究及經(jīng)濟(jì)性分析. 流體機(jī)械.2007年第5期.3 黃金