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文獻(xiàn)綜述
題 目 直膨式太陽能熱泵熱水器的簡單分析
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
直膨式太陽能熱泵熱水器的簡單分析
摘要: 從可持續(xù)發(fā)展的立場出發(fā)，介紹了發(fā)展太陽能熱泵技術(shù)對(duì)節(jié)能與環(huán)保的意義。在回顧現(xiàn)有太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，指出目前存在的問題，提出了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案，時(shí)于促進(jìn)太陽能熱泵熱水技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有參考價(jià)值。通過將太陽能熱水系統(tǒng)和空調(diào)熱泵系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)出直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)。針對(duì)該新型系統(tǒng)中的熱泵空調(diào)熱水子系統(tǒng)進(jìn)行研究，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，分別對(duì)該系統(tǒng)的3種模式下的換熱性能進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更為高效。
關(guān)鍵詞: 吸收式制冷系統(tǒng);太陽能集熱器;空調(diào)系統(tǒng);熱泵
Abstract: From the viewpoint of sustainable development,the author explainedth-e important of developing solar energy air conditioning technology in order to save energy and protect environment.After reviewing nowadays status,the auth-or found out the shortcomings and proposed a feasible prototype that paperhangers high reference value in promoting the industrialization of solar energy air-conditioning&hot water technology. The research presents a solar-assisted air-conditioner with water heater in which solar water heater and heat pump air-cohibition-er are combined. The performance of heat pump in the new system is experimentally investigated. The performance of heat pump working at 3 modes under standard condition is measured.
Keyword： Abortion refrigeration system；solar energy collector； air conditioning system； heat pump
引言
太陽能是取之不盡, 用之不竭, 可再生的清潔能源。生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水力能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包括以上各種可再生能源。大規(guī)模利用太陽能是世界各國政府和學(xué)者都十分重視的研究課題。太陽能熱水器現(xiàn)已發(fā)展到非常成熟的水平, 它是以獲取生活熱水為目的的。但這種應(yīng)用方式與人們的生活需求正相反, 當(dāng)夏季太陽輻射強(qiáng)、氣溫高的時(shí)候, 太陽能熱水器產(chǎn)生的熱水量最大, 而此時(shí)最需要的是空調(diào)降溫而不是熱水, 這使得其熱利用的經(jīng)濟(jì)性不高。充分利用太陽能熱水器的成熟技術(shù)與吸收式制冷技術(shù)的良好結(jié)合, 開發(fā)直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng), 符合人們對(duì)空調(diào)與生活熱水的需求,也使太陽能得到更充分合理的利用, 是太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展趨勢之一, 具有廣闊的發(fā)展前景。
建立在太陽能熱水器基礎(chǔ)上的太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng),可充分利用夏天的太陽能,在制冷和供暖的同時(shí)還能提供生活熱水，為用戶減少電費(fèi)支出,節(jié)省購買空調(diào)和熱水器而增加的初投資,因而具有較高的經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)的太陽能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段,商業(yè)化前景不樂觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比,太陽能空調(diào)系統(tǒng)初投資過大,系統(tǒng)過于復(fù)雜。
要使太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,必須從集熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三個(gè)方面著手,研制新的系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高性價(jià)比。
直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)想
在目前的情況下,太陽能在制冷方面最有可能實(shí)現(xiàn)大型商業(yè)化或小型家庭化的組合是將太陽能集熱器和吸收式制冷機(jī)結(jié)合起來,在制冷和供暖的同時(shí)提供生活熱水。為了能充分利用太陽能這樣的低品位熱源,國內(nèi)外在循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)和創(chuàng)新、制冷工質(zhì)對(duì)的選擇等方面開展了越來越活躍的研究。
我認(rèn)為,應(yīng)該研制出一種用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽能空調(diào)系統(tǒng),因?yàn)閴嚎s機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用在制冷裝置中最為廣泛和成熟的裝置,具有運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制的特點(diǎn)。這樣,系統(tǒng)的制冷溫度的范圍和穩(wěn)定性將會(huì)得到大幅度的改善。而且,用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的系統(tǒng)也將比現(xiàn)有的太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。這樣,太陽能空調(diào)技術(shù)才有可能較快地實(shí)用化和商業(yè)化。作者沿用該思路,構(gòu)思出了一種新型的采用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽能單效吸收壓縮復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)[6]。
直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的組成
1 系統(tǒng)的工作原理
圖1 直膨式太陽能熱泵熱水器循環(huán)原理圖
圖1顯示的是直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）在此研究中的示意圖。此系統(tǒng)是由一個(gè)無光太陽能集熱器作為蒸發(fā)器，一個(gè)制冷劑為R-22的旋轉(zhuǎn)式封閉壓縮機(jī)，一個(gè)帶有再繞式銅管的熱水槽作為蒸發(fā)器，一個(gè)恒溫膨脹閥（TEV）和一些輔助配件組成的。
這些壓縮的的制冷劑液體從冷凝器通過膨脹閥直接進(jìn)入太陽能集熱/蒸發(fā)器，并在那里得到入射太陽能（和/或周圍環(huán)境大氣能量）的加熱。周圍環(huán)境的空氣作為熱源或者冷源取決于制冷劑的溫度是否低于或高于周圍環(huán)境的溫度。從蒸發(fā)器出來的制冷劑通過壓縮機(jī)的壓縮，最后高溫高壓的制冷劑蒸汽被輸送到冷凝器，在那里得到冷凝。這些能量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)水吸收，通過一種（銅管線圈型）熱交換器把能量轉(zhuǎn)換成水槽中水的能量。
圖2 熱水箱由熱泵得熱過程示意圖
圖表2顯示的是制冷劑在理想外界條件下的一個(gè)特定的熱泵循環(huán)。在圖中，1-2,2-3,3-4和4-1分別代表壓縮過程，冷凝過程，節(jié)流過程和蒸發(fā)過程。制冷劑相應(yīng)的熱力狀態(tài)點(diǎn)1,2,3，和4分別代表蒸發(fā)壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過冷液體和蒸發(fā)壓力下的過冷液體。如圖2所示，由于太陽能集熱/蒸發(fā)器的壓力是下降的，1點(diǎn)的蒸發(fā)壓力總比在4點(diǎn)蒸發(fā)壓力小。只要加熱集熱/蒸發(fā)器中的制冷劑，水槽中的水也將得到加熱，類似的周期反應(yīng)也會(huì)反過來發(fā)生。
2.2 直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的主要構(gòu)建形式
圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù)
名稱 規(guī)格及型號(hào) 備注
壓縮機(jī) 滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子 額定功率0.75KW，排氣量13.40cm3 /rev,蓄水150L，內(nèi)置沉浸式。
熱水箱 承壓式保溫水箱 長60m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 。
太陽能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 4板式集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，總集熱面積為4.20m3
熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型
Danfoss, Denmark制造
一系列沒有任何玻璃或背絕緣熱源設(shè)備的太陽能集熱器 （總面積為4.20m2)，以R22作為制冷劑的蒸發(fā)器。它包括4個(gè)鋁集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，這種網(wǎng)絡(luò)式的管道設(shè)計(jì)經(jīng)特殊工藝使兩片鋁板能夠粘合在一起，從而形成肋片，以至于流體能夠在周圍流動(dòng)。其結(jié)果是，鋁集熱/蒸發(fā)器重量輕，非常薄，所以它可以輕松地安裝在任何地方。本實(shí)驗(yàn)研究中，我們把集熱/蒸發(fā)器面朝南部，固定在一個(gè)傾斜度為31.220（上海緯度）的屋頂上，如圖3所示。為了提高其吸收率，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器表面涂有選擇性的涂層。系統(tǒng)中使用R22的額定輸入的功率為750W旋轉(zhuǎn)式全封閉壓縮機(jī)，為避免過載，在壓縮機(jī)上裝有過熱保護(hù)器和低高切斷開關(guān)。冷凝器銅管（9.900.75mm）線圈總長度約60米，它們被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保溫層厚度38mm）。打開和關(guān)閉電源的的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)是由位于水箱內(nèi)的溫度計(jì)控制的，所以熱力膨脹閥（外部平衡型）控制制冷劑的流量是通過太陽能集熱/蒸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)的。
3 直膨式太陽能熱泵熱水器存在的問題
目前國內(nèi)的太陽能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，商業(yè)化前景并不樂觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，太陽能空調(diào)系統(tǒng)初投資過大，系統(tǒng)過于復(fù)雜，具體有以下幾個(gè)方面[10]:
1) 集熱系統(tǒng)效率比較差，集熱面積過大，集熱溫度一般不超過100 0C，難以高效地驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且需要龐大的儲(chǔ)熱裝置。
2) 制冷系統(tǒng)一般采用以Liar-Hz0為工質(zhì)對(duì)的雙效或雙級(jí)吸收式系統(tǒng)，無法制取零度以下的溫度，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，初投資很高。
3) 需要輔助熱源，增加了初投資，使系統(tǒng)過于龐大。
4 可能遇到的困難及解決的途徑
4.1 工質(zhì)對(duì)的選擇及其用量的確定[12]
NH3-LiN03，不需要精餾，是良好的制冷工質(zhì)對(duì)。同NH3-H20相比它可以在低的熱源溫度下工作，即允許在太陽能集熱器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度下工作;它還可以在低的蒸發(fā)溫度to=-5-20℃下得到較高的熱力系數(shù)=0.47-0.7。實(shí)驗(yàn)證明，這種工質(zhì)對(duì)可在太陽能驅(qū)動(dòng)或輔助加熱系統(tǒng)工作，所以作者初步考慮也采用這種工質(zhì)對(duì)來作為本系統(tǒng)的工質(zhì)對(duì)。
由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)可能比較復(fù)雜，吸收式與壓縮式可能單獨(dú)工作，或者同時(shí)工作。為了在每種工作狀態(tài)下都能確保其制冷量的穩(wěn)定，就必須確保工質(zhì)對(duì)的用量在極限工作狀態(tài)下是充足的，具體的用量則需要依靠實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法來確定。
4.2 壓縮機(jī)的選擇
由于該系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氨，這樣就給壓縮機(jī)的潤滑帶來了困難，因?yàn)榘焙统Ｒ?guī)的潤滑油不互溶。目前已研制出能溶于氨的合成潤滑油，也研制出能耐氨和該種潤滑油的鋁導(dǎo)線和絕緣材料。為了擴(kuò)大氨在制冷裝置中的應(yīng)用，當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)氣體冷卻的半封閉或全封閉壓縮機(jī)。
4.3 自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合，在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)從吸收式，吸收壓縮聯(lián)合式到壓縮式連續(xù)變化的復(fù)雜過程，其要求的自控系統(tǒng)可能很復(fù)雜。要想系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中能始終保持穩(wěn)定最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，必須為其設(shè)計(jì)一套好的控制系統(tǒng)。
5 直膨式太陽能熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)分析
太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)性早已為人所熟知,以下僅就太陽能空調(diào)系統(tǒng)作一分析。純粹為了空調(diào)的太陽能空調(diào)系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟(jì)的, 其主要原因是太陽能集熱系統(tǒng)的投資占了大部分, 而空調(diào)的應(yīng)用只有半年時(shí)間,系統(tǒng)的利用率低。但如果與熱水系統(tǒng)相結(jié)合,由于同樣的投資可以全年充分利用, 就有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
[27]網(wǎng)上資料顯示，以江門市太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)為例, 該系統(tǒng)除滿足全年熱水供應(yīng)外, 還可提供600 多m2辦公場所的空調(diào), 100kW 兩級(jí)吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)部分投資30 萬元, 較同樣面積常規(guī)空調(diào)投資增加一倍, 以年空調(diào)運(yùn)行4000h、電價(jià)0.50元/ kWh 計(jì), 所增投資不到兩年即能回收。就用戶而言, 如果需用大量的熱水, 并利用夏季多余的太陽能制冷供空調(diào), 那么采用太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)是很好的選擇,經(jīng)濟(jì)效益較好。
單純的太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)由于要用較多的集熱器面積，往往初投資較大，改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的途徑就是提高太陽能集熱器的利用率，如冬季用于建筑采暖、全年供應(yīng)熱水，夏季空調(diào)等。采暖、熱水供應(yīng)與強(qiáng)化自然通風(fēng)復(fù)合能量利用系統(tǒng)，特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能全年高效利用。冬季利用集熱器產(chǎn)生的40℃以上的熱水通過地板輻射采暖末端進(jìn)行供暖，夏季利用60℃以上的熱水驅(qū)動(dòng)吸附制冷機(jī)進(jìn)行空調(diào)降溫，全年供應(yīng)熱水，過渡季節(jié)利用太陽能加熱強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境。該項(xiàng)目入選了國際Wisions可再生能源推廣計(jì)劃。復(fù)合能量系統(tǒng)技術(shù)被認(rèn)為是建筑結(jié)合規(guī)模化、低成本利用太陽能的重要方向。
6.結(jié)論
總的來看，太陽能集熱轉(zhuǎn)換及與之匹配的制冷空調(diào)方式和蓄能方式有機(jī)結(jié)合是未來太陽能制冷空調(diào)技術(shù)進(jìn)一步高效化、低成本、規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵所在，也是將來一段時(shí)間太陽能空調(diào)制冷技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。
目前太陽能空調(diào)主要依靠太陽的熱能進(jìn)行制冷，與純粹利用電能為動(dòng)力的壓縮式制冷系統(tǒng)相比，可以明顯地降低電耗。但太陽能集熱器采光面積與空調(diào)建筑面積的配比受到限制，目前只適用于層數(shù)不多的建筑。隨著太陽能集熱器及制冷機(jī)的工藝制造和工質(zhì)等技術(shù)不斷改進(jìn)，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用將得到廣泛的推廣。它的應(yīng)用意義在于保護(hù)自然環(huán)境，節(jié)約常規(guī)能源。隨著能源政策對(duì)清潔能源的傾斜，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的前景將無限美好[30]。
由于太陽能的密度低、不穩(wěn)定、非連續(xù), 使如何開發(fā)戶式新型太陽能空調(diào)系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用的關(guān)鍵。目前, 要實(shí)現(xiàn)其商品化生產(chǎn), 還有許多問題需要進(jìn)一步解決。但是, 隨著技術(shù)的革新以及人們節(jié)能與環(huán)保觀念的增強(qiáng), 戶式太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)必將有更廣闊的發(fā)展空間。
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