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太阳能与空气能分级耦合热泵热水器模拟及优化研究

许振飞  
【摘要】:太阳能与空气能都是清洁能源,提高这两种能源的利用程度对提高我国的清洁能源利用率有重要意义。不过,因太阳能具有间歇性与不稳定性,需为其配备稳定的辅助热源才能保证供能的可靠性。空热源热泵是近两年广泛推行的供能设备,但其在低温环境运行时存在制热量衰减,排气温度过高等问题。为了解决两种能源单独利用时存在的问题,本文将太阳能热利用技术与双级压缩空气源热泵技术相结合,提出一种太阳能与空气能分级耦合热泵循环,并将其应用于生活热水制取,针对太阳能与空气能分级耦合热泵热水器运行特性开展了相关研究。首先,本文将太阳能集热器引入到双级压缩热泵的中间喷射支路,提出了太阳能与空气能分级耦合热泵循环(简称分级耦合热泵循环)。同时,结合压焓图对比分析了分级耦合热泵循环和传统双级压缩中间补气循环的性能差异。结果表明,当蒸发温度和冷凝温度不变时,分级耦合热泵循环的制热量和制热系数均优于传统双级压缩中间补气循环,证明本文提出的分级耦合热泵循环相对传统纯空气源双级压缩中间补气循环具有优越性。其次,以太阳能与空气能分级耦合热泵热水器为研究对象,对其建立了仿真模型,并使用MATLAB软件对模型进行求解,研究了热泵热水器将150L的水自20℃加热至50℃时系统各项参数的变化情况和太阳辐射强度、室外环境温度对其特性参数的影响规律。仿真结果显示:随着太阳辐射强度的升高,中间喷射压力和相对喷射量提高,压缩机排气温度降低,制热功率增大,达到目标水温的加热时间变短,系统制热系数整体提升。当太阳辐射强度为200 W/m~2和400 W/m~2时,加热时间为213分钟和187分钟,分别较传统双级压缩中间补气空气源热泵的241分钟缩短了11.62%和22.41%。随着室外环境温度的升高,分级耦合热泵热水器的中间喷射压力和低压级压缩机质量流量增大,相对喷射量减少,压缩机排气温度升高,制热功率增大,达到目标水温的加热时间变短,系统制热系数整体提升。当室外环境温度为-10℃时,加热时间为164分钟,比室外环境温度为-15℃时的181分钟缩短了9.4%,室外环境温度每升高1℃,加热时间平均缩短3.6分钟。最后,通过观察不同水温时热泵热水器制热系数随压缩机容积比的变化规律,发现随着压缩机容积比的增大,热泵热水器的制热系数先增大后减小,每个工况下都存在一个使分级耦合热泵热水器的制热系数达到最大值的最优容积比。当热水温度从20℃逐渐升高到50℃时,最优容积比从0.6逐渐降到了0.4。基于此,本文提出选用变频压缩机作高压级压缩机,以实现容积比的动态调整,使热泵热水器在加热过程中的制热系数时刻接近最优值。


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