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直膨式太阳能热泵系统性能分析与优化

本文介绍了直膨式太阳能热泵系统的工作原理，针对该系统建立仿真模型，并从太阳辐射强度、环境温度、集热面积、压缩机转速等角度对其热工性能进行了分析，提出了一般性的优化设计、匹配运行的意见。
太阳能热泵;直接膨胀式;性能系数.
AnalysisandOptimiazationoftheDirect-ExpansionSolar-AssistedHeatPump(DX-SAHP)System

ThisarticleintroducestheworkingprinciplesoftheDX-SAHPsystemandsetsupasimulationmodelforit.Itanalyzesthethermalperformanceofthesystemfromthepointsofsolarradiationintensity,environmenttemperature,collectorareaandrotationalspeedofcompressor.Optimiazationsuggestionsarealsoproposed.
solarheatpump;direct–expansion;performancecoefficient.
0引言
众所周知，热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵虽然消耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和。故采用热泵可以节约高位能，特别是在冬季供暖的场所尤其显得经济。把热泵技术和太阳能热利用技术有机地结合起来，组成太阳能热泵供热系统，不仅能够有效地克服太阳能稀薄性和间歇性的
弱点，还能节约高位能和减少环境污染，具有较大的开发应用潜力。
根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式，太阳能热泵可分为直接膨胀式（简称“直膨式”）和非直接膨胀式。其中，直膨式太阳能热泵的概念早在1955年就由Spom等人提出，他们的研究表明直膨式结构可以同时提高热泵机组和太阳集热器的性能。此后，国外研究者对这种系统进行了一系列理论和实验研究，取得了大量成果，而国内在这方面的研究甚少。同时，由于我国各地气候条件以及系统结构参数和匹配关系的差异，各研究团队设计的实验样机的热性能差别很大，产品实用化的进程缓慢。
本文对直膨式太阳能热泵系统在不同工况下的运行性能进行了模拟仿真，并引用国内高校的研究实验数据进行对比，分析各种运行条件对系统COP的影响，并得出一般性的直膨式太阳能系统的优化方向。

1直膨式太阳能热泵工作原理
热泵是一种从低温环境吸取热量而向温度较高的物体供给热量的设备，其工作循环和制冷装置的工作循环一样，是逆卡诺循环，只是其工作目的、工作温度和性能指标不同而已。直膨式太阳能热泵与空气源热泵的区别是，前者是以太阳辐射能作为低温热源，这样可以做可以在环境温度较低时显著提高系统的性能系数，起到节约能源的作用。直膨式太阳能热的主要部件包括太阳能集热器/蒸发器，压缩机、热力膨胀阀、冷凝器等，基本工作原理如图1所示。

图1直膨式太阳能热泵工作原理

2数学模型的建立与分析
上世纪80年代开始制冷空调是设计方法的现代化逐渐成为一种趋势，它将制冷系统热动力学、数学和计算机科学而建立系统的数值仿真模型，然后在数值计算结果的指导下进行必要的实验研究，可以理论与实践相结合，提高科学研究的可靠性与效率。同时，由于受到不同的实验装置地理位置运行时间和气候条件等因素的影响，不仅直膨式太阳能热泵热水系统的实验结果难以推广应用，而且难以为实验装置的进一步优化提供依据。因此，利用数值仿真模型进行系统性能的分析显得尤为必要。
本节针对图1中涉及的直膨式太阳能热泵热水系统的主要部件，采用运算速度快、计算结果满足要求的集中参数方法；而后将每个部件出口处制冷剂状态作为下一部件进口处制冷剂状态，并将各部件制冷剂流量均视为与压缩机排量相同。
2.1太阳能集热/蒸发器模型
太阳能集热/蒸发器的热性能普遍采用两种方法来模拟分析：一种是考虑管内制冷剂的压降，利用平衡均相理论建立制冷剂均相流动的控制方程，并采用四阶RungeKutta法对其求解；另一种是忽略了制冷剂在集热器中的压降，利用能量平衡原理建立了集热/蒸发器的代数控制方程。管内制冷剂压降较小(<20kPa)的情况下两种方法所得结果非常接近，本文所引用的数据都是在压降较小的情况下测得的，因此可采用简单模型加以分析。
由制冷剂在集热器内的吸热量等于集热器有效集热量可得下列能量平衡公式：
Q=mr(h1-h4)=AeF’[S-UL(Te-T0)]
=AeF’[αIT-ε(σT04-σTSky4)-UL(Te-T0)](1)
UL=(5.7+3.8Vw+4εσT03) (2)
TSky=0.0552T