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多功能热泵系统的智能控制及能效评价方法研究

江明旒  
【摘要】:本课题研究的多功能热泵系统(Multi-functional heat pump system,简称MHPS)能够把空调和热水器有机的结合起来,不仅提高了综合能效比和设备利用率,而且在夏季可以减少空调向环境的热排放量,从而达到节能减排的目的。然而,由于MHPS的工作模式多、运行工况不稳定并且控制复杂,机器的可靠性问题严重阻碍了该技术的推广与应用。此外,由于MHPS实际的使用情况非常复杂,机组的能效与其应用的地域、用户侧的使用习惯以及用水量需求等都有很大关系,因此如何制定一套有效的检测方法以及评价指标来反映机组实际使用过程中的节能效果也十分重要。基于上述因素,本文展开了以下研究工作: 搭建了MHPS实验系统,部件及控制系统的设计遵循以下原则: 一、系统简单可靠,运动部件尽可能少;二、控制稳定,尤其是机组对变工况等因素的适应能力要强。针对空调兼热水模式下的MHPS和常规空调进行了热力学分析比较,量化了空调兼热水模式下MHPS和常规空调机组在能效比与火用效率两方面的差异,明确了系统热力性能与部件结构参数、运行工况、运行模式等因素间的关系,为系统的匹配优化以及调控提供了有力的理论依据。 单独制热水模式是MHPS的主要工作模式之一。在进行MHPS实验研究前,我们在恒温室专门先进行了的空气源热泵热水器的电子膨胀阀调控规律的研究。针对热泵热水器运行时特殊的对象特性,提出了一种具有自适应功能的双模糊控制方法,分别对启动阶段电子膨胀阀的开度以及热水加热过程中电子膨胀阀的开度进行设定和调节。实验结果表明,采用上述控制方法,电子膨胀阀可以避免湿压缩和系统参数的振荡,使不可逆损失减少,从而提高了机组的效率。在环境温度分别为5 oC,20 oC和35 oC的条件下,相比热力膨胀阀控制的系统,采用电子膨胀阀的热泵热水系统,其COP分别提高了8.2%,5.5%和6.1%,并且机组稳定性得到明显改善。 文中比较分析了空调制冷兼制热水模式下系统的冷凝温度、蒸发温度、过热度、过冷度、压缩机排气温度、压缩机功率、制冷量及制冷COP在冷凝热水回收开启前后的变化情况。并对相关机理进行了深入分析,揭示了系统性能及各参数在热回收前后变化的本质,提出了电子膨胀阀预判断控制的策略。实验结果表明,当水箱中的水温较低时,在热水回收启动瞬间会导致空调侧制冷量的突降,之后制冷量会迅速恢复并保持在热回收之前的制冷量。由于机组的压缩机功率在热水回收期间也有较大幅度的下降,使得在加热热水过程中的平均制冷COP有所提高,系统整体运行更经济。 分析了地理区域、用水量需求以及用户侧用水习惯对单独制热水模式下MHPS实际运行能效的影响,提出了用全年综合运行工况作为参照工况点来对单独制热水模式下的多功能热泵机组进行能效评定的方法。对不同模式下制冷量和制热量的测试方法、水箱当量容积测定、水箱保温性能评价、热水加热过程中辅助电加热比例等多功能热泵机组检测过程中的关键问题展开分析研究。此外,还根据我国5个不同的气候区域的特点,按运行模式和温区对MHPS进行了各种运行模式的累积时间分布研究,给出了MHPS的能效评价指标APF的计算依据。 本课题的研究成果对于多功能热泵机组的实用化、商业化以及其相关标准的制定都具有重要意义。


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