直膨式太陽能熱泵熱水裝置的優(yōu)化分析與變?nèi)萘窟\行研究

【摘要】： 基于推動DX-SAHP建筑節(jié)能技術(shù)在中國的推廣,本文選擇了以直膨式太陽能熱泵熱水裝置(DX-SAHPWH)為研究對象,在對自行研制的多臺實驗樣機的實際運行性能及其主要影響因素進行了系統(tǒng)的理論分析的基礎(chǔ)上,針對目前面臨的主要障礙開展了一系列的研究工作,主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 基于前人的研究成果,根據(jù)上海地區(qū)氣象特點,研制出DX-SAHPWH(A)實驗樣機(鋁制熱軋吹漲式裸板太陽集熱板的有效集熱面積為4.20m2、滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的額定輸入功率為750W、立式承壓蓄熱水箱聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L、外平衡式TEX-2型熱力膨脹閥)。春季晴天的實驗結(jié)果表明, DX-SAHPWH(A)在90～98分鐘內(nèi)可將150升水從14℃～20℃加熱到50℃,耗電量為0.98～1.06kWh(約1度電),系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為5.21～6.61和88%～105%。結(jié)合實驗結(jié)果,通過針對熱泵系統(tǒng)及主要部件的有效能分析方法發(fā)現(xiàn),在DX-SAHPWH(A)的各個主要部件中,壓縮機的節(jié)能潛力最大,其次是太陽集熱板和冷凝器,熱力膨脹閥的節(jié)能潛力最小。指出,壓縮機和太陽集熱板之間的容量匹配對于提高系統(tǒng)的熱力性能至關(guān)重要?；跍p少太陽集熱板的有效能損失和選取有利于實現(xiàn)與建筑一體化結(jié)合的較小集熱面積的考慮,研制出DX-SAHPWH(B)實驗樣機(銅制管板焊接式裸板太陽集熱板有效集熱面積為2.08m2、滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的額定輸入功率為400W、立式承壓蓄熱水箱聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L、外平衡式TEX-2型熱力膨脹閥和DPF1.5型電子膨脹閥并聯(lián))。在秋季晴天的工況下,DX-SAHPWH(B)在164～201分鐘內(nèi)可將150升水從23℃～25℃加熱到50℃,耗電量為0.90～1.12kWh,系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為4.13～5.12和84%～101%。由于受可選擇產(chǎn)品的限制,DX-SAHPWH(B)采用的管板焊接式太陽集熱板和集熱管之間的換熱效果不佳,導(dǎo)致系統(tǒng)(B)的熱力性能比系統(tǒng)(A)低,不過,系統(tǒng)(B)壓縮機吸氣壓力也相對較低,這有助于防止壓縮機過載,有利于系統(tǒng)安全運行。利用電子膨脹閥在DX-SAHPWH(B)上進行了太陽集熱板過熱度的“開環(huán)比例-閉環(huán)PI”控制研究,通過實驗手段整定出若干組不同典型工況下的控制參數(shù),編制PC機采集/控制程序根據(jù)不同工況進行集熱板過熱度的合理控制,并與使用熱力膨脹閥進行過熱度控制的效果進行了實驗對比,結(jié)果表明,與熱力膨脹閥相比,電子膨脹閥可以實現(xiàn)更為準確、穩(wěn)定的太陽集熱板過熱度控制。 為有效實現(xiàn)系統(tǒng)的“動態(tài)匹配”(主要是壓縮機和太陽集熱板之間容量的匹配)運行,提出壓縮機轉(zhuǎn)速可調(diào)的DX-SAHPWH(C)系統(tǒng)匹配方案,并研制出實驗樣機。DX-SAHPWH(C)主要由裸板式太陽集熱板(鋁板熱軋吹漲結(jié)構(gòu),有效集熱面積為4.20m2)、全封閉滾動轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(額定頻率72Hz,額定輸入功率為860W)、沉浸式銅盤管冷凝換熱器、立式承壓蓄熱水箱(聚氨酯保溫層厚度38mm、容水量為150L)、外平衡式TEX-2型熱力膨脹閥和DPF1.8型電子膨脹閥并聯(lián)、以及專門的微型控制器等部件組成。在秋季晴天的工況下進行了初步的性能實驗,結(jié)果表明,DX-SAHPWH(C)在62～87分鐘內(nèi)可將150升水從23℃～30℃加熱到50℃,耗電量為0.54～0.84kWh,系統(tǒng)的COP和ηcoll分別為5.29～6.93和88%～99%;對比相近工況下系統(tǒng)的熱力性能發(fā)現(xiàn),由于采用了變頻壓縮機的容量調(diào)節(jié)方法,DX-SAHPWH(C)可以實現(xiàn)更好的部件容量匹配關(guān)系,與DX-SAHPWH(A)和(B)相比,耗時分別減少了6%和48%,壓縮機總功耗分別減少了29%和20%,COP分別提高了25%和31%,總有效能效率ηex分別提高了16%和55%。 建立DX-SAHPWH(C)的集中參數(shù)動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型,利用仿真計算方法深入分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)與熱力性能之間的相互關(guān)系,為容量可調(diào)的DX-SAHPWH(C)的運行控制方案的制定提供理論依據(jù)。將數(shù)值仿真計算與實驗進行了多種工況下瞬態(tài)及總體特性參數(shù)的對比驗證,結(jié)果表明,仿真與實驗結(jié)果吻合性好;結(jié)合上海地區(qū)“典型氣象年逐時參數(shù)”數(shù)據(jù)庫和數(shù)值仿真模型預(yù)測DX-SAHPWH全年多工況下的熱力性能,建立了系統(tǒng)全年熱力性能的數(shù)據(jù)庫,在基本滿足“總耗時Δτ少于6小時,COP不低于4.5(氣溫低于10℃的工況)和5.0(氣溫高于10℃的工況)”的約束條件和“蒸發(fā)溫度不高于25℃、不低于-15℃”的原則下,制定出DX-SAHPWH(C)具體的運行控制方案,主要包括系統(tǒng)啟/停機控制規(guī)則、壓縮機頻率f隨外部環(huán)境參數(shù)I T和t 0的變化而調(diào)節(jié)的系統(tǒng)變?nèi)萘靠刂埔?guī)則、以及電子膨脹閥開度脈沖數(shù)u隨壓縮機頻率f、太陽輻射強度I T和集熱板過熱度ΔT sh及其偏差e的變化而調(diào)節(jié)的集熱板過熱度控制規(guī)則。然后,從硬件設(shè)計以及軟件編程兩方面開展工作,研制出基于價格低廉的8位單片機微處理器(Renesas-M37544)的專用微型控制器,以便用最低的成本完全實現(xiàn)DX-SAHPWH的制冷劑節(jié)流控制和變頻壓縮機容量調(diào)節(jié)。 另外,作者所在的研究團隊與國內(nèi)新能源領(lǐng)域企業(yè)通力合作,完成了“陽臺安裝型直膨式太陽能熱泵熱水器”的小批量試制和現(xiàn)場性能實測,在DX-SAHPWH與建筑的一體化結(jié)合及產(chǎn)品實用化推廣方面邁出了重要一步。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 熱泵 熱水器 直膨式 太陽集熱/蒸發(fā)器 微型控制器
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TH38
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 直膨式太陽能熱泵技術(shù)的研究與進展15-33
• 1.1 概述15-18
• 1.2 太陽能熱泵技術(shù)的工作原理、發(fā)展歷史及其在我國的發(fā)展前景18-21
• 1.3 直膨式太陽能熱泵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題21-31
• 1.3.1 直膨式太陽能熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀21-30
• 1.3.2 直膨式太陽能熱泵技術(shù)存在的問題30-31
• 1.4 本文的主要工作31-33
• 第2章 直膨式太陽能熱泵熱水裝置的實驗研究33-58
• 2.1 直膨式太陽能熱泵熱水裝置的工作原理33
• 2.2 直膨式太陽能熱泵熱水裝置實驗樣機的部件及整機構(gòu)建33-37
• 2.2.1 設(shè)計指標及參數(shù)33-34
• 2.2.2 太陽集熱板34-35
• 2.2.3 壓縮機35
• 2.2.4 冷凝器及蓄熱水箱35-36
• 2.2.5 熱力膨脹閥和其它配件36
• 2.2.6 實驗樣機的整機構(gòu)建36-37
• 2.3 直膨式太陽能熱泵熱水裝置實驗樣機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)37-40
• 2.3.1 實驗樣機部件參數(shù)37-38
• 2.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)38-40
• 2.3.3 實驗操作過程40
• 2.4 直膨式太陽能熱泵熱水裝置工作特性實驗研究40-52
• 2.4.1 運行模式40-41
• 2.4.2 熱力性能的評價指標41-44
• 2.4.3 實驗結(jié)果分析與討論44-52
• 2.5 直膨式太陽能熱泵熱水裝置與幾種常規(guī)熱水裝置的性能價格比較52-54
• 2.6 直膨式太陽能熱泵熱水裝置與建筑的一體化結(jié)合及其產(chǎn)品實用化54-57
• 2.6.1 與建筑的一體化結(jié)合54-55
• 2.6.2 產(chǎn)品實用化55-57
• 2.7 本章小結(jié)57-58
• 第3章 直膨式太陽能熱泵熱水裝置熱力性能的優(yōu)化分析58-86
• 3.1 直膨式太陽能熱泵熱水裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計58-69
• 3.1.1 直膨式太陽能熱泵熱水裝置（A）的熱力性能分析58-62
• 3.1.2 太陽集熱板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計62-64
• 3.1.3 直膨式太陽能熱泵熱水裝置（B）的熱力性能分析64-68
• 3.1.4 直膨式太陽能熱泵熱水裝置工作特性總體分析68-69
• 3.2 直膨式太陽能熱泵熱水裝置采用電子膨脹閥為節(jié)流元件69-79
• 3.2.1 太陽集熱板過熱度電子膨脹閥控制的硬件實現(xiàn)69-71
• 3.2.2 太陽集熱板過熱度電子膨脹閥控制的方案制定71-75
• 3.2.3 基于PC 機的太陽集熱板過熱度電子膨脹閥控制的軟件實現(xiàn)75-77
• 3.2.4 太陽集熱板過熱度熱力/電子膨脹閥控制效果的實驗對比77-79
• 3.3 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）的構(gòu)建79-82
• 3.3.1 太陽集熱板79-80
• 3.3.2 變頻壓縮機及變頻器80-82
• 3.3.3 冷凝器及蓄熱水箱82
• 3.3.4 熱力膨脹閥與電子膨脹閥82
• 3.4 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）的熱力性能分析82-84
• 3.5 本章小結(jié)84-86
• 第4章 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）的數(shù)值仿真與參數(shù)分析86-105
• 4.1 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）數(shù)值仿真的必要性86
• 4.2 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）數(shù)學(xué)模型的建立86-91
• 4.2.1 太陽集熱板模型87-88
• 4.2.2 壓縮機模型88-89
• 4.2.3 冷凝器及蓄熱水箱模型89-90
• 4.2.4 熱力/電子膨脹閥模型90-91
• 4.3 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）數(shù)學(xué)模型的求解91-92
• 4.4 影響變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）熱力性能的參數(shù)分析92-104
• 4.4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱力性能的影響分析93-98
• 4.4.2 運行參數(shù)對熱力性能的影響分析98-99
• 4.4.3 環(huán)境參數(shù)對熱力性能的影響分析99-104
• 4.5 本章小結(jié)104-105
• 第5章 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）運行控制的研究105-131
• 5.1 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）的基本控制策略105
• 5.2 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）數(shù)值仿真的實驗驗證105-108
• 5.3 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）運行控制方案的制定108-117
• 5.3.1 啟/停機控制方案108-109
• 5.3.2 變?nèi)萘窟\行控制方案109-116
• 5.3.3 太陽集熱板過熱度控制方案116-117
• 5.4 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）專用微型控制器的研制117-126
• 5.4.1 微型控制器硬件設(shè)計117-119
• 5.4.2 微型控制器軟件設(shè)計119-125
• 5.4.3 基于RENESAS-M37544 的專用微型控制器125-126
• 5.5 變?nèi)萘恐迸蚴教柲軣岜脽崴b置（C）全年運行的工作特性分析126-129
• 5.5.1 依照控制規(guī)則運行的部分實驗結(jié)果126-128
• 5.5.2 全年變?nèi)萘窟\行工作特性的仿真分析128-129
• 5.6 本章小結(jié)129-131
• 第6章 總結(jié)131-135
• 6.1 對本文研究工作的總結(jié)131-133
• 6.2 研究工作的創(chuàng)新性133-134
• 6.3 存在的問題134-135
• 參考文獻135-141
• 致謝141-143
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文、申請專利與所獲獎勵143-144

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月壇體育中心綜合訓(xùn)練館 太陽能——熱泵中央熱水系統(tǒng)    周小波

蒸發(fā)器過熱度的自適應(yīng)控制    朱瑞琪,孟建軍

太陽能熱泵系統(tǒng)運行工況的模擬研究    余延順,馬最良,廉樂明

太陽能熱泵熱水器性能的模擬研究    冒東奎

二十一世紀中國能源發(fā)展的總趨勢    安玉彬,劉旭東,田永春

壓縮式熱泵熱水器實驗研究及性能分析    余樂淵,趙軍,朱強,張春雷

太陽能熱泵系統(tǒng)(SAHP)的熱力學(xué)分析    曠玉輝,張開黎,于立強,張喜明

R134a應(yīng)用于直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)    趙軍,劉立平,李麗新,朱強,涂鋒華

線性唯象律下太陽能熱泵中集熱器工作溫度的優(yōu)化分析    嚴子浚,陳金燦

第八講 太陽能干燥的發(fā)展    李宗楠;梁溥森;

太陽能熱泵的試驗研究    李長久;王晶;

新型凝結(jié)換熱表面的研究    王中錚，郭新川，谷操，趙鎮(zhèn)南，李汝俊，王艷

太陽能建筑設(shè)計競賽獲獎作品選登    姬小羽;

太陽能熱泵系統(tǒng)應(yīng)用初探    潘冬玲;劉義軍;

太陽能熱泵系統(tǒng)及其供熱系數(shù)比較    孫志林;楊柳;屈宗長;

太陽能熱泵    曠玉輝 ,王如竹

太陽能集熱器與熱泵聯(lián)合供暖裝置的實驗研究    于立強,曠玉輝,施志剛,張喜明

太陽能熱泵國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用分析    祖文超;

太陽能熱泵技術(shù)及其供熱應(yīng)用    李軍凱;范亞云;

太陽能熱泵國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用分析    祖文超;李瓊;

太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的探討    李百萍;范暉;孫國田;

直膨式太陽能輔助熱泵技術(shù)的研究進展    孔祥強;林琳;張東;楊前明;

太陽能熱泵中的設(shè)備能量平衡    蘭國彬;張小松;杜塏;

太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的實驗研究    曠玉輝;王如竹;于立強;

蓄熱型太陽能熱泵空調(diào)技術(shù)經(jīng)濟分析    黃煒;張琳邡;肖占;紀河;

太陽能熱泵系統(tǒng)的綜合評價    劉立平;

幾種制冷工質(zhì)在太陽能熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用的比較    方金升;趙紅霞;韓吉田;

節(jié)能型能源走進百姓家    王如竹

在京招商收獲豐碩成果    潘成勇　陳菁

綠色供暖系統(tǒng)值得大力推廣    郭正則

江蘇資本西進呈現(xiàn)新變化    江南

制定優(yōu)惠政策扶持留學(xué)人員    通訊員黎朝成 歐陽鋼橋

博浪公司成為國內(nèi)行業(yè)翹楚    記者 劉慧敏

復(fù)合太陽能技術(shù)成建筑節(jié)能重要途徑    沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 耿耿　李慧星 肖瑋 李貝妮

武城“三回”工程引資超百億    記者 華江　通訊員 召華 玉磊

“平板”太陽能熱水器現(xiàn)身交易會    記者 朱丹　通訊員 周棟林 魯英

電子膨脹閥開度對光伏—太陽能熱泵系統(tǒng)性能影響的研究    王海濤

間接膨脹式太陽能多功能熱泵系統(tǒng)的研究    陽季春

太陽能熱泵潛熱蓄熱供暖系統(tǒng)性能研究    韓宗偉

三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)實驗與模擬    楊靈艷

三套管蓄能型熱泵集成系統(tǒng)運行特性研究    牛福新

雙熱源式太陽能熱泵及熱水系統(tǒng)優(yōu)化研究    孫琳

太陽能熱泵供暖系統(tǒng)運行優(yōu)化研究    馬文瑞

太陽能熱泵采暖系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計研究    劉祥哲

太陽能熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)特性與優(yōu)化研究    程磊

蘭州太陽能熱泵和電鍋爐聯(lián)合運行系統(tǒng)的分析    馮俊芝

太陽能熱泵制熱量預(yù)測模型及控制策略研究    陳慶杰

空氣型太陽能熱泵供冷供熱裝置的研究    王麗煥

直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析    李振興

小功率直接蒸發(fā)式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的研究與試驗    張勇

太陽能熱泵供暖系統(tǒng)優(yōu)化分析    葛昕