太阳能/空气能热泵系统匹配特性研究

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随着我国经济的快速增长,建筑空调采暖能耗迅速升高,由燃烧传统化石能源进行供暖所导致的能源短缺和环境污染等问题日益突出,开发利用清洁可再生能源的任务迫在眉睫。太阳能和空气能是两种取之不尽,用之不竭的可再生能源,近年来受到极高的重视和青睐。空气源热泵体积小、效率高,可以取代以燃煤方式进行的集中供暖,在热泵应用市场中具有举足轻重的地位。目前太阳能辅助空气源热泵系统是比较常见的空气源热泵系统,该系统结合了太阳能系统和空气源热泵各自的优点,解决了单一的太阳能系统在太阳辐射不足的情况下无法保证供热量的问题。但在实验的过程中发现,热泵机组在运行过程中,受到室外环境如干球温度和太阳辐射强度影响较大,初始的机组设计使得机组各部件在运行时并不能与之匹配。基于此,本文对机组在静态工况和动态工况下不同部件之间的匹配特性进行研究,从而设计出最优的机组参数,来尽可能的使热泵机组的系统性能达到最大。在机组运行时为了达到高效且稳定,需要调节电子膨胀阀。然而,关于太阳能/空气能热泵在太阳辐射影响下运行策略的研究却未有涉及,本文在各部件匹配特性研究的基础上,再结合实验,对电子膨胀阀在太阳辐射影响下的运行策略进行了研究。运用Fortran结合TRNSYS构建出太阳能/空气能热泵的仿真模型,对系统进行性能模拟。通过分析对比选用榆次地区典型年气候中日平均温度最低的12月19日,供暖季逐时室外干球温度最高的3月3日和含有设计温度的1月5日这三天进行全天的模拟。通过压缩机在设定工况的额定功率,设定冷凝温度和蒸发温度,分析在这三天内太阳能/空气能热泵室内机和室外机在不同室外天气参数的换热量。结果表明:随着蒸发器面积的增大,压缩机的最大耗功和最大COP值都逐渐增大。蒸发器面积在1㎡~8㎡变化时机组的COP增长幅度为27%。随着蒸发器面积的继续增大,机组系统性能并没有明显增长。其中由19㎡提升至20㎡时机组的COP增长幅度仅为0.114%,但压缩机的耗功却增幅明显。因此蒸发器的面积应从经济性和匹配特性综合考量进行选择。在蒸发器面积选定后,再根据制热循环对冷凝器面积和电子膨胀阀的流量区间进行计算。对电子膨胀阀在太阳辐射影响下的运行策略研究结果表明:在室外环境条件相同的工况下,EEV开度在52%左右达到最大值,为保证机组高效运行,在EEV调控过程中,不可一味增大开度,应尽量使其保持在临界值处,且在EEV设计时,应注意会出现的超调等现象;受太阳辐射影响,SIASHP的EEV调节区间相较于常规机组高12.5%。根据此特性SIASHP机组在太阳辐射强度为0-450W/㎡区间内开度较大时也可保持稳定运行而不致出现故障;在太阳辐射强度达到450W/㎡时,SIASHP机组EEV的开度会出现波动,导致机组运行不稳定,因此在太阳辐射强度大于450W/㎡时,可通过自控检测太阳辐射强度自动调节EEV开度在20%-80%的范围内运行。因此在机组设计时,自控装置应综合过热度和太阳辐射强度对EEV调节,在太阳辐射低于450W/㎡,可通过检测过热度进行调节。大于450W/㎡时,检测太阳辐射强度来调控EEV开度。
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