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文獻(xiàn)翻譯
題 目 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系
統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 系
指導(dǎo)教師(職稱(chēng))
完成時(shí)間
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程系 中國(guó)上海 200240；教育部太陽(yáng)能發(fā)電及制冷工程研究中心， 中國(guó)上海 200240 ； 于2006年2月25日）
Abstract：In this study, a direct expansion solar-assisted heat pump water heater (DX-SAHPWH) with rated input power 750W was tested and analyzed. Through experimental research in spring and thermodynamics analysis about the system performance, some suggestions for the system optimization are proposed. Then, a small-type DX-SAHPWH with rated input power 400W was built, tested and analyzed. Through exergy analysis for each component of DX-SAHPWH (A) and (B), it can be seen that the highest exergy loss occurs in the compressor and collector/evaporator, followed by the condenser and expansion valve, respectively. Furthermore, some methods are suggested to improve the performance of each component, especially the collector/evaporator. A methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied. In order to maintain a proper matching between the heat pumping capacity of the compressor and the evaporative capacity of the collector/evaporator under widely varying ambient conditions, the electronic expansion valve and variable frequency compressor are suggested to be utilized for the DX-SAHPWH.
r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.
摘要：在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)額定輸入功率為750W的“直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和分析，通過(guò)在春季運(yùn)行工況下的實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)性能的熱力學(xué)分析，對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)我們提出了一些合理化建議。根據(jù)分析結(jié)果，研制了額定輸入功率為400W的小型化“直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)并加以試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。我們把以上兩個(gè)系統(tǒng)分別命名為A和B，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩套系統(tǒng)各主要部件的火用損失以壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器為最大，然后依次是冷凝器和熱力膨脹閥。此外，我們還對(duì)提高各部件性能尤其是集熱器和蒸發(fā)器的性能提出了一些方法和建議。為了保持熱泵壓縮機(jī)的容量和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的合理匹配，我們?cè)凇爸迸蚴教?yáng)能熱泵熱水器”系統(tǒng)中應(yīng)用了電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)。
2006Elsevier Ltd公司保留專(zhuān)利所有權(quán)。
關(guān)鍵詞: 熱泵；熱水器；性能系數(shù)；太陽(yáng)能集熱效率；火用。
1.引言：
太陽(yáng)能是一種免費(fèi)可再生能源，它像是空氣熱源的熱泵。為了提高熱泵的COP，來(lái)自世界各地的研究人員已經(jīng)提出了把熱泵系統(tǒng)與太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的觀點(diǎn)。所謂直膨式太陽(yáng)能熱泵，就是把集熱器和蒸發(fā)器組合成一個(gè)單元（集熱/蒸發(fā)器），在熱泵循環(huán)系統(tǒng)中,制冷劑被入射的太陽(yáng)能（和/或周?chē)諝獾哪芰浚┱舭l(fā)吸收。直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相比有很多優(yōu)勢(shì)，如優(yōu)越的熱力性能，較低的系統(tǒng)制造成本和集熱/蒸發(fā)器較長(zhǎng)的使用壽命。
據(jù)估計(jì)，在中國(guó)太陽(yáng)能熱水器每年的銷(xiāo)售額約達(dá)100億元人民幣。另?yè)?jù)報(bào)道，在2000年中國(guó)約有500萬(wàn)家庭安裝了太陽(yáng)能熱水器，并且它的發(fā)展速度越來(lái)越快。與傳統(tǒng)的熱泵熱水器相比，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器憑借其優(yōu)勢(shì)將在中國(guó)有一個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)。
直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的概念是由Sporn和Ambrose在西弗吉尼亞州[1]首次提出的。通過(guò)他們的共同努力，他們?cè)谶^(guò)去27年里記錄報(bào)道很多理論和實(shí)驗(yàn)性研究的結(jié)果。此領(lǐng)域的審查文件表示，在不同的試驗(yàn)條件下，當(dāng)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的COP測(cè)試值從2到9變化的時(shí)候，集熱/蒸發(fā)器的效率將從45%變化到75%。系統(tǒng)組成的匹配程度對(duì)系統(tǒng)的COP和集熱器的效率高低由一定的影響，尤其是集熱/蒸發(fā)器與壓縮機(jī)系統(tǒng)組成的匹配程度。因此，每個(gè)組件之間的適當(dāng)匹配對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱水泵熱水器的的性能有很重要的影響。
幾何參數(shù) 符號(hào)
Ac 太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器面積，m2 集熱/蒸發(fā)器的吸收率
COP 性能系數(shù) （火用）損系數(shù)
Cpw 常壓下水的比熱容，kJ/kg.K 集熱/蒸發(fā)板發(fā)射率
D 管道外直徑， m 效率
EQW 火用熱水率，KW v 容積效率
Erad 太陽(yáng)輻射，KW v1 吸入制冷劑蒸氣的比容m3/kg
e 具體的火用 ，kJ/kg 斯忒藩常數(shù)W/m2K4
F 翅片效率 時(shí)間，或時(shí)間間隔，s
F’ 集熱效率因子 下腳標(biāo)
H 焓值率，KJ 0 環(huán)境的參數(shù)
H 比焓，kJ/kg comp 壓縮機(jī)
Hw 風(fēng)的傳熱系數(shù)，W/m2K coll 集熱/蒸發(fā)器
Irr （火用）損率，kW cond 冷凝或冷凝器
IT 太陽(yáng)輻射總強(qiáng)度，W/m2 eva 蒸發(fā)或集熱/蒸發(fā)器
mr 制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s ex （火用）
Mw 水箱中水的質(zhì)量，kg f 制冷劑液體
N 壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，rpm p 集熱/蒸發(fā)器板
P 壓力，Pa rad 太陽(yáng)輻射
QCond 冷凝中制冷劑散熱量，KW r 制冷劑
Qeva 蒸發(fā)中制冷劑散熱量，KW sa 溶膠-空氣
S 熵, kJ/K v 膨脹閥
S 特殊條件下的熵, kJ/kgK w 水箱的熱水
T 絕對(duì)溫度，k i 進(jìn)氣口，或DX-SAHPWH系
ULcond 冷凝器熱損系數(shù)，W/m2K 統(tǒng)的第i個(gè)組件
Vd 排水量cm3/rev j 第j段的數(shù)據(jù)采集間隔
Vw 周?chē)h(huán)境風(fēng)速，m/s o 出口
W 集熱/蒸發(fā)器的管間距，m 1,2,3,4 狀態(tài)點(diǎn)
Wi 壓縮機(jī)的指示功率，kW
Wcomp 壓縮機(jī)總輸入功率, kW
目前，在制冷和空調(diào)行業(yè)，除集熱/蒸發(fā)器外，其余的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)均采用普通的材料和部件。為了使直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的能得到更好地發(fā)展，我們對(duì)集熱/蒸發(fā)器性能增強(qiáng)的研究顯得更有重要意義。
在這項(xiàng)研究中，我們的主要目的在于開(kāi)發(fā)出一種更高性能的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)，以適應(yīng)潛在的中國(guó)市場(chǎng)。目前，這兩個(gè)系統(tǒng)原型（直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B））被依次放置在中國(guó)教育部太陽(yáng)能發(fā)電及制冷工程研究中心（上海交通大學(xué)，北緯31.22'N，東經(jīng)121.48。）。在季節(jié)性試驗(yàn)中，我們分別用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B）進(jìn)行了火用分析。同時(shí)我們對(duì)集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)也提出和運(yùn)用了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
應(yīng)當(dāng)指出的是，這項(xiàng)研究中使用的制冷劑R-22，在發(fā)展中國(guó)家，例如中國(guó)，盡管它將會(huì)在2040年前被淘汰，但是現(xiàn)在它仍然廣泛應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)。為了促使發(fā)展中國(guó)家能夠節(jié)省能源，運(yùn)用R-22作為制冷劑來(lái)提高熱泵系統(tǒng)的熱力性能對(duì)我們來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。另一方面，我們可以運(yùn)用同樣的分析方法來(lái)分析其他類(lèi)型的制冷劑熱泵系統(tǒng)。
2. 系統(tǒng)描述和實(shí)驗(yàn)裝置
2.1直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的熱力循環(huán)
圖1 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器循環(huán)原理圖
圖1顯示的是直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）在此研究中的示意圖。此系統(tǒng)是由一個(gè)無(wú)光太陽(yáng)能集熱器作為蒸發(fā)器，一個(gè)制冷劑為R-22的旋轉(zhuǎn)式封閉壓縮機(jī)，一個(gè)帶有再繞式銅管的熱水槽作為蒸發(fā)器，一個(gè)恒溫膨脹閥（TEV）和一些輔助配件組成的。
這些壓縮的的制冷劑液體從冷凝器通過(guò)膨脹閥直接進(jìn)入太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器，并在那里得到入射太陽(yáng)能（和/或周?chē)h(huán)境大氣能量）的加熱。周?chē)h(huán)境的空氣作為熱源或者冷源取決于制冷劑的溫度是否低于或高于周?chē)h(huán)境的溫度。從蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)的壓縮，最后高溫高壓的制冷劑蒸汽被輸送到冷凝器，在那里得到冷凝。這些能量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)水吸收，通過(guò)一種（銅管線圈型）熱交換器把能量轉(zhuǎn)換成水槽中水的能量。
圖2 熱水箱由熱泵得熱過(guò)程示意圖
圖表2顯示的是制冷劑在理想外界條件下的一個(gè)特定的熱泵循環(huán)。在圖中，1-2,2-3,3-4和4-1分別代表壓縮過(guò)程，冷凝過(guò)程，節(jié)流過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程。制冷劑相應(yīng)的熱力狀態(tài)點(diǎn)1,2,3，和4分別代表蒸發(fā)壓力下的過(guò)熱蒸汽，冷凝壓力下的過(guò)熱蒸汽，冷凝壓力下的過(guò)冷液體和蒸發(fā)壓力下的過(guò)冷液體。如圖2所示，由于太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器的壓力是下降的，1點(diǎn)的蒸發(fā)壓力總比在4點(diǎn)蒸發(fā)壓力小。只要加熱集熱/蒸發(fā)器中的制冷劑，水槽中的水也將得到加熱，類(lèi)似的周期反應(yīng)也會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生。
2.2.樣機(jī)設(shè)計(jì)
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造如圖 3所示。在表1中列出的每個(gè)主要組件規(guī)格。
圖3 試驗(yàn)樣機(jī)安裝的照片
圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù)
名稱(chēng) 規(guī)格及型號(hào) 備注
壓縮機(jī) 滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子 額定功率0.75KW，排氣量13.40cm3 /rev,蓄水150L，內(nèi)置沉浸式。
熱水箱 承壓式保溫水箱 長(zhǎng)60m的銅盤(pán)管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 。
太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 4板式集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，總集熱面積為4.20m3
熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型
Danfoss, Denmark制造
一系列沒(méi)有任何玻璃或背絕緣熱源設(shè)備的太陽(yáng)能集熱器 （總面積為4.20m2)，以R22作為制冷劑的蒸發(fā)器。它包括4個(gè)鋁集熱板，分2個(gè)流程并聯(lián)，這種網(wǎng)絡(luò)式的管道設(shè)計(jì)經(jīng)特殊工藝使兩片鋁板能夠粘合在一起，從而形成肋片，以至于流體能夠在周?chē)鲃?dòng)。其結(jié)果是，鋁集熱/蒸發(fā)器重量輕，非常薄，所以它可以輕松地安裝在任何地方。本實(shí)驗(yàn)研究中，我們把集熱/蒸發(fā)器面朝南部，固定在一個(gè)傾斜度為31.220（上海緯度）的屋頂上，如圖3所示。為了提高其吸收率，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器表面涂有選擇性的涂層。系統(tǒng)中使用R22的額定輸入的功率為750W旋轉(zhuǎn)式全封閉壓縮機(jī)，為避免過(guò)載，在壓縮機(jī)上裝有過(guò)熱保護(hù)器和低高切斷開(kāi)關(guān)。冷凝器銅管（9.900.75mm）線圈總長(zhǎng)度約60米，它們被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保溫層厚度38mm）。打開(kāi)和關(guān)閉電源的的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)是由位于水箱內(nèi)的溫度計(jì)控制的，所以熱力膨脹閥（外部平衡型）控制制冷劑的流量是通過(guò)太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2.3 測(cè)試設(shè)備
環(huán)境溫度由鉑熱電偶溫度計(jì)（A級(jí)精度)測(cè)量，不同系統(tǒng)的收集器表面溫度和制冷劑溫度是有另一熱電偶(T型，具有不確定性0.5。C）測(cè)量的。水的溫度是有位于熱水槽的溫度熱敏電阻測(cè)量的。壓力的高低是由壓力傳感器測(cè)定的。為了測(cè)定集熱/蒸發(fā)器流程中的壓降，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器的里外各裝了一個(gè)低壓壓力傳感器（不確定性0.5bar）。在冷凝器的外面裝了裝了一個(gè)高壓的壓力傳感器。為了測(cè)量太陽(yáng)輻射的瞬間強(qiáng)度，我們?cè)诩療?蒸發(fā)器周?chē)惭b了一個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)（具有敏感性7.464V/Wm2，不確定性為10W/m2）。我們用電子功率測(cè)量計(jì)（準(zhǔn)確性級(jí)別0.5，不確定性約為10-15W）測(cè)量壓縮機(jī)的瞬間功耗。以上過(guò)程是由基于D-A系統(tǒng)的個(gè)人電腦指導(dǎo)和控制的。為了以后分析的方便，數(shù)據(jù)記錄器（Keithley Model-2700數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）分析記錄了這些數(shù)據(jù)。
3.系統(tǒng)的熱力學(xué)分析
熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是比較簡(jiǎn)單的熱力學(xué)分析方法?；鹩梅治鰧?shí)際上是能量分析的一部分?；鹩梅治龅睦碚撌菍?shí)質(zhì)上的可用的能源分析?；鹩檬浅爻合孪到y(tǒng)最大有用功的一種測(cè)量方式。在直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)中熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律比較簡(jiǎn)單的運(yùn)用體現(xiàn)在系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)上。這些結(jié)果會(huì)使工程設(shè)計(jì)者更容易有效地識(shí)別組件的火用損失，為進(jìn)行進(jìn)一步的修改提供合理的量化的指導(dǎo)。
3.1 .熱力學(xué)第一定律分析
在這項(xiàng)研究中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的能量守恒可以表示為
(1)
其中表示傳熱量，下標(biāo)cond表示冷凝器，eva表示集熱/蒸發(fā)器。i代表壓縮機(jī)的指示功率。
集熱/蒸發(fā)器從周?chē)h(huán)境中的熱量可以表示為制冷劑從集熱/蒸發(fā)器入口到出口焓值的變化。
(2)
對(duì)于恒定速率運(yùn)行下的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，在壓縮機(jī)中循環(huán)流過(guò)的制冷劑的質(zhì)量的為
(3)
其中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為N，制冷劑流量為, 型號(hào)為2830, 13.40cm3/rev，91%的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）上的旋轉(zhuǎn)封閉式壓縮機(jī)的容積效率v。壓縮機(jī)入口處的比體積是由壓力Peva和通過(guò)管道的制冷劑溫度T1決定的。
壓縮機(jī)的指示功率可有通過(guò)壓縮機(jī)入口和出口處制冷劑的焓差決定的。
(4)
其中為壓縮機(jī)總輸入功率，為壓縮機(jī)的效率，效率0.75用于下文中直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的計(jì)算。
冷凝器的傳熱量可以由以下焓值變化來(lái)表示
(5)
節(jié)流過(guò)程可近似認(rèn)為是等焓過(guò)程：
(6)
由熱力學(xué)第一定律知，太陽(yáng)能集熱器的效率coll和直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可以定義為
(7)
(8)
公式中代表的是以上提到的2分鐘的時(shí)間采集間隔，下標(biāo)j代表第j段的時(shí)間間隔，代表太陽(yáng)能集熱器的面積代表太陽(yáng)總的輻射強(qiáng)度，代表水從冷凝器獲得的熱量，它可以近似認(rèn)為是冷凝器制冷劑的散熱量，也就是說(shuō)熱水通過(guò)覆有38mm厚的聚氨酯的水槽到外界環(huán)境的熱量損失可以忽略不計(jì)。
3.2 熱力學(xué)第二定律的分析
一個(gè)熱力系統(tǒng)的(火用)平衡方程式：
(9)
表示火用的輸入量，表示火用的輸出量，表示火用損失，表示火用變化。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的用平衡方程式可以表示為：
(10)
其中表示火用，其下標(biāo)rad表示太陽(yáng)能輻射，下標(biāo)表示從冷凝器到水的熱交換。表示直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的壓縮機(jī)總的火用損失。下標(biāo)i代表直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)第i個(gè)壓縮機(jī)。
每個(gè)壓縮機(jī)的火用損失可以按以下方式估算：
我們可以得到在集熱/蒸發(fā)器中的火用損失
(11)
其中表示入射的太陽(yáng)能的火用，[14]，表示總的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，表示集熱/蒸發(fā)器平板表面的溫度。
壓縮機(jī)的火用損失可以總結(jié)為
(12)
冷凝器的火用損失可以總結(jié)為
(13)
膨脹閥的火用損失為
(14)
由熱力學(xué)第二定律的評(píng)價(jià)指標(biāo)知，火用效率并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。在本文中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)火用效率可以定義為
(15)
通過(guò)火用損失效率的概念我們可以比較清楚的算出系統(tǒng)中每個(gè)壓縮機(jī)的火用損失，火用效率可以定義為
(16)
ex和ex的關(guān)系為
(17)
4．試驗(yàn)結(jié)果及討論
目前，我們選擇2005年4月的一個(gè)天氣晴朗的日子，在上海對(duì)系統(tǒng)A的性能進(jìn)行了一系列研究。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。它顯示了對(duì)于150L的水從14-20加熱到50度大概需要90-98分鐘，壓縮機(jī)的總耗功為0.98-1.06KW。平均的性能系數(shù)和效率分別為5.21-6.61和88-105%。它表明當(dāng)蒸發(fā)溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，集熱/蒸發(fā)器的效率是可能大于1。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器性能的提高是有很大作用的。
圖表2 系統(tǒng)A在春季里的試驗(yàn)結(jié)果
2005年4月22，我們用一組典型工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能。
圖4 系統(tǒng)A的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和溫度隨時(shí)間的變化
從圖4的數(shù)據(jù)中我們可以得到，在此試驗(yàn)條件下太陽(yáng)能輻射的平均值IT和環(huán)境的平均溫度分別為812W/m2和24.4度。瞬間的環(huán)境沒(méi)有太大變化，但是由于云的影響太陽(yáng)輻射的變化是難以預(yù)測(cè)的。
4.1 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)和效率
從2005年4月22日的研究結(jié)果中我們可以看出，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能系數(shù)和效率分別為5.21和88%。
我們把系統(tǒng)A開(kāi)始運(yùn)行30分鐘后直到一小時(shí)后運(yùn)行結(jié)束的階段稱(chēng)之為“相對(duì)穩(wěn)定階段”。在這個(gè)階段，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，例如Tcond,i, Tcond,o, Teva,o, Teva,i, Tw, Tp等，都隨時(shí)間的增加而直線上升。
為了研究直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)是隨時(shí)間而變化的，在本實(shí)驗(yàn)中，我們把穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間分成七個(gè)小的時(shí)間段。他們是a占前1/8的時(shí)間段，b-1/4,c-1/2,d為整個(gè)時(shí)間段，e為后1/2,f-1/4，g-1/8。直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）a-g七個(gè)間隔的平均性能系數(shù)和效率可以有方程式計(jì)算出。圖5顯示的就是7和8及7個(gè)間隔所對(duì)應(yīng)的階段。
圖5 系統(tǒng)A的COP和TW隨時(shí)間變化的特性
圖6 系統(tǒng)A的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時(shí)間的變化特性
從圖5中我們可以看出系統(tǒng)A的集熱/蒸發(fā)效率幾乎達(dá)到90%，它們比常規(guī)的太陽(yáng)能集熱器的效率高的多，并且其波動(dòng)范圍變化不大。但是性能系數(shù)的增加主要是因?yàn)門(mén)w 和Tcond的減少。
值得注意的是，圖5中的TW的的測(cè)量值是瞬時(shí)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)TW達(dá)到55°C時(shí)，壓縮機(jī)將自動(dòng)停止工作，熱泵中的循環(huán)水將會(huì)在水槽中與熱水混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，平衡水水的溫度TW2將比測(cè)量值低約4.8°C。
如上所述，為了測(cè)定集熱/蒸發(fā)器的壓降，在集熱/蒸發(fā)器的里外各裝兩個(gè)低壓傳感器。為了測(cè)量冷凝壓力，我們?cè)诶淠鞯耐饷姘惭b了一個(gè)高壓傳感器。圖6顯示的是三個(gè)壓力的測(cè)定值。從圖6中我們可以注意到，Pcond和 Peva都隨TW的增加而增加，并且Pcond的增加速率比較快。壓縮機(jī)的排氣溫度越來(lái)越高。當(dāng)實(shí)際的Tw,2的值達(dá)到50.5°C時(shí)排氣溫度將達(dá)90.4°C。因此，過(guò)高的溫度TW將會(huì)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
4.2 系統(tǒng)部件的不可逆性
在以上提到的7個(gè)中間環(huán)節(jié)中，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）火用效率和和用損失系數(shù)可以有公式估算得到。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)決定了9-17中的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)果如圖7所示。
在圖7中，系統(tǒng)A的火用效率隨著時(shí)間的也逐漸增加。那是由于周?chē)h(huán)境比較低的熱力學(xué)能通過(guò)系統(tǒng)A以熱水的形式轉(zhuǎn)換成比較高的熱力學(xué)能。然而，除了膨脹閥每個(gè)系統(tǒng)的火用損失系數(shù)都是減小的。如圖7所示，最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，然后分別是集熱/蒸發(fā)器，冷凝器，和膨脹閥。這些計(jì)算結(jié)果證明Hawlader等人的觀點(diǎn)是正確的。
直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的組件是相當(dāng)匹配的，尤其是壓縮機(jī)的泵送能力和蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力之間的匹配程度是提高其性能的關(guān)鍵。
最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，它首先表明的是壓縮機(jī)并不是影響產(chǎn)品性能最主要的因素。其次，由于壓縮機(jī)的功耗很大程度上取決于進(jìn)口和出口壓力，所以，使冷凝和蒸發(fā)溫度比較接近可以壓縮機(jī)的火用損失。因此，較高的太陽(yáng)能輻射，較高的環(huán)境溫度都有助于提高壓縮機(jī)的性能。由于直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）提供的是家用熱水，過(guò)高的水溫是沒(méi)有必要的，推薦使用Tw2的終溫為45-50°C。
集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)在較低的溫度下運(yùn)行將導(dǎo)致更多的火用損失。如果可能的話應(yīng)該提供較高的蒸發(fā)溫度。直膨式太陽(yáng)能熱泵最明顯的優(yōu)勢(shì)在于它能夠通過(guò)入射的太陽(yáng)能來(lái)提高蒸發(fā)溫度。
圖7 系統(tǒng)A的i和ex隨時(shí)間的變化
在下文中，我們將介紹直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），它含有一種新型的有較低的壓力損失的集熱/蒸發(fā)器。
水槽中熱水的熱損失和周?chē)諝獾臒釗p失最終導(dǎo)致了火用損失。在本文中，熱量損失可以忽略不計(jì)，因此，在圖7中估算出的冷凝器的火用損失比實(shí)際的是偏低的。為了減少火用損失，我們可以提高水槽的絕熱性能，增加熱交換和優(yōu)化冷凝器的外形和在水槽中的位置。
如圖6所示，隨著Tw的增加壓縮速率逐漸增加，節(jié)流損失也逐漸增加。因此較低終點(diǎn)設(shè)置溫度Tw2是非常有利的。我們計(jì)算出的膨脹閥的火用的大約為2-14%。
4.3 最佳的蒸發(fā)溫度
集熱/蒸發(fā)器從周?chē)h(huán)境中吸收的熱量為
(18)
其中Ac為集熱器的面積，S表示常溫的條件下集熱/蒸發(fā)器從外界吸收的太陽(yáng)輻射與向外界散發(fā)的太陽(yáng)輻射的差值。S=IT-q0，表示集熱/蒸發(fā)器的吸收率，表示集熱/蒸發(fā)器發(fā)射率，q0表示單位面積常溫下黑體輻射的太陽(yáng)能與外界的輻射能的差值。T表示溫度，下標(biāo)p代表集電板，eva代表制冷劑的蒸發(fā)量，0代表周?chē)h(huán)境，F(xiàn)代表集電器的效率因子。
集熱/蒸發(fā)器的火用增加等于吸收的太陽(yáng)輻射乘以ZCarnot，集熱/蒸發(fā)器的火用效率可以定義為
(19)
通過(guò)比較，我們可以得到最大的火用效率，
(20)
在方程式右邊的第二項(xiàng)提到了空氣的溫度
(21)
結(jié)合方程式（20）和（21）我們可以得到
(22)
2005年4月22的試驗(yàn)結(jié)果表明，周?chē)h(huán)境的平均溫度和蒸發(fā)器的平均溫度分別為24.4和19.8°C。最佳的蒸發(fā)溫度為39.1°C。如圖8所示，隨著Tw的逐漸增加，Teva,optimum和Teva差值逐漸減少。這實(shí)際上與圖7中集熱/蒸發(fā)器火用損失效率逐漸降低是一致的。
圖8 系統(tǒng)A的Teva，optimum，Teva和T0隨時(shí)間的變化
4.4 集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)以上估算，蒸發(fā)器的最佳蒸發(fā)溫度比實(shí)際的蒸發(fā)溫度要高得多。因此，我們需要比較高的蒸發(fā)溫度。但是，實(shí)際的蒸發(fā)溫度取決于外形設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)件。
然而，效率的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相互沖突的。壓縮機(jī)的排氣溫度也許不能承受過(guò)高的蒸發(fā)溫度。根據(jù)查圖維迪等人的觀點(diǎn)，蒸發(fā)溫度也許低于或高于T0，主要取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和外界條件。他們認(rèn)為帶有無(wú)蓋的容器和變頻壓縮機(jī)的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)有一個(gè)最佳的性能系數(shù)，它使蒸發(fā)溫度維持在超過(guò)環(huán)境溫度5-10°C的范圍。但是黃認(rèn)為太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在Teva小于T0的條件下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于壓縮機(jī)有較低的排氣溫度和來(lái)自太陽(yáng)和周?chē)h(huán)境的雙熱源是十分有利的。在本實(shí)驗(yàn)研究中，我們根據(jù)壓縮機(jī)的吸氣壓力，把蒸發(fā)溫度設(shè)定為比環(huán)境溫度低5°C左右。
如圖6所示，由于制冷劑復(fù)雜的流程，在集熱/蒸發(fā)器入口和出口處的壓力損失越大。因此，為了減少制冷劑在流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失，在集熱/蒸發(fā)器中我們應(yīng)該設(shè)計(jì)比較合適的流程。
集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)步驟如下所示
在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇的測(cè)試地點(diǎn)是上海，提供的環(huán)境的平均溫度為25°C，太陽(yáng)能平均輻射強(qiáng)度為800W/m2，平均風(fēng)速為3.1m/s，集熱/蒸發(fā)器的吸收率和發(fā)射率大約為0.9。
比較方程式（7）和（18），我們可以得到
(23)
從方程式中我們可以算出和分別為-5°C和90%。的估計(jì)值為0.94。
集熱器的有效因子可以表述為
(24)
其中F表示肋效率，F(xiàn)=tanUb/Ub，
W表示管子節(jié)距，D表示管子的外直徑，p =236W/mK表示集熱/蒸發(fā)板的導(dǎo)電率，p=1.60mm為厚度，D和W分別為12.0和130.0mm。最后Ac是由方程式（18）決定的。
理論上，集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理圖如圖9所示。
圖9 集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理圖
圖10 系統(tǒng)B集熱/蒸發(fā)器的原理圖
但是，由于市場(chǎng)上提供產(chǎn)品的限制，目前實(shí)際使用的集熱/蒸發(fā)器是由8個(gè)太陽(yáng)能集熱板構(gòu)成，如圖10所示。集熱器的總面積為2.08m2，集熱/蒸發(fā)器板是由厚度為0.18mm的銅板構(gòu)成，它的表面涂有被太陽(yáng)能選擇吸收的黑漆材料。銅管內(nèi)外直徑分別為11.0mm和12.0mm，它被焊接在銅管的背面，他們之間的距離為140.0mm。它朝南安裝在了與地面呈31.22°的屋頂上。
基于對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)（A）的分析和研究，我們開(kāi)發(fā)出了種小型的，輸入功率為400W的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），在此研究中，用于估算直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）的壓縮機(jī)效率為0.60。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）主要組成部分的規(guī)格列于表3中。
圖表3 系統(tǒng)B的主要部件參數(shù)
名稱(chēng) 規(guī)格及型號(hào) 備注
壓縮機(jī) 滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子 額定功率0.40KW，排氣量7.40cm3 /rev
熱水箱 承壓式保溫水箱 蓄水150L，內(nèi)置沉浸式，50m的銅盤(pán)管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器
太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 8個(gè)薄板（由0.18mm厚的銅板焊接在一起其直徑12.00,50mm），總集熱/蒸發(fā)器面積為2.08m3
熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型
Danfoss, Denmark制造
4.5 系統(tǒng)（A）和（B）的試驗(yàn)性比較
為了檢驗(yàn)系統(tǒng)B性能，我們于2005年10月的秋天在上海做了一系列的試驗(yàn)與系統(tǒng)A進(jìn)行分析和比較。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。
圖表4 系統(tǒng)B在秋季里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
通過(guò)表2和表4的比較，我們意識(shí)到在相同的外界條件和取得相同的熱水條件下，系統(tǒng)B與系統(tǒng)A相比需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。然而，系統(tǒng)A和B消耗的電能都不會(huì)超過(guò)1KWh。在相似的運(yùn)用成本下，較低的成本和較小的面積對(duì)于安裝在房頂或者墻上的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常有利的，因此，體統(tǒng)B在這方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于系統(tǒng)A。
為了進(jìn)一步的分析，我們?cè)?005年10月15對(duì)系統(tǒng)B在典型工況下進(jìn)行的分析結(jié)果與2005年4月22對(duì)系統(tǒng)A的分析結(jié)果做出了比較。
從圖11中我們可以看到，在試驗(yàn)期間，太陽(yáng)能的平均輻射IT和環(huán)境的平均溫度T0分別為795W/m2和24.7°C，與圖4中相似，環(huán)境溫度幾乎是不發(fā)生變化的。然而，瞬間太陽(yáng)輻射在沒(méi)有云影響的情況下是成正玄曲線變化的。
從2005年10月15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得到，系統(tǒng)B的性能系數(shù)COP和集熱/蒸發(fā)器的效率分別為4.94和86。
圖11 系統(tǒng)B的IT和T0隨時(shí)間的變化
圖12 系統(tǒng)B的coll，COP，和TW隨時(shí)間的變化
如圖12所示，系統(tǒng)B的coll，COP，TW,的變化特性與系統(tǒng)A是十分相似的。主要的不同在于，十分鐘后系統(tǒng)B進(jìn)入跨穩(wěn)態(tài)工作條件的階段。從圖5與圖12的比較中我們可以看出，系統(tǒng)B的性能系數(shù)和集熱效率都比系統(tǒng)A較低。在圖12中TW時(shí)瞬間溫度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，一旦TW的溫度達(dá)到54°C時(shí)，壓縮機(jī)將會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，熱泵中的循環(huán)水將會(huì)與槽中的熱水混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際平衡時(shí)水的溫度Tw2要比實(shí)際測(cè)量的低約4°C。
通過(guò)比較表2和表4，我們可以得出系統(tǒng)B中的集熱/蒸發(fā)器的壓（溫）降要比系統(tǒng)A的要小。從圖13中我們可以得出出口和入口處的壓力損失大概為0.083Mpa。這對(duì)提高集熱/蒸發(fā)器的效率是非常有用的。
圖13 系統(tǒng)B的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時(shí)間的變化
圖14 系統(tǒng)B的i和ex隨時(shí)間的變化
用以上同樣的分析方法，我們可以在圖14中查出每個(gè)組件的火用損失效率和系統(tǒng)B的火用效率。與系統(tǒng)A不同，它最大的火用損失發(fā)生在集熱/蒸發(fā)器，而不是壓縮機(jī)。
盡管隨著制冷劑的流動(dòng)集熱/蒸發(fā)器壓降問(wèn)題得到了 改善，但是因?yàn)槭袌?chǎng)可利用產(chǎn)品的限制，我們?cè)谙到y(tǒng)B中集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)采用的是板上管而不是單跨管。板上管結(jié)構(gòu)并不能使集熱/蒸發(fā)器與外界環(huán)境的熱交換變得更加充分。從表4中可以估算出，在2005年10月15進(jìn)行的數(shù)據(jù)測(cè)定F大概為0.67。
圖標(biāo)15 系統(tǒng)B的Teva，optimum，Teva和T0隨時(shí)間的變化
4.6 進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能的方法
隨著熱負(fù)荷與氣候，季節(jié)和全年性的工作條件的變化，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的也是不斷變化的。由于變化的工作條件引起的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)每個(gè)組件的不匹配（尤其是壓縮機(jī)與集熱/蒸發(fā)器的不匹配），都將會(huì)導(dǎo)致火用損失。
如果我們能夠自動(dòng)控制制冷劑在集熱/蒸發(fā)器的流動(dòng)Teva,optimum 和Teva的不同將會(huì)減少，那么系統(tǒng)的火用損失也將會(huì)減少。如果在沒(méi)有超過(guò)壓縮機(jī)最大吸氣壓力的情況下，我們將采用比較高的蒸發(fā)溫度。在相同蒸發(fā)溫度的條件下，稍高的性能系數(shù)和直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)有較好穩(wěn)定性是相互矛盾的。值得提出的是，適度的蒸發(fā)壓力是由實(shí)際工況決定的。
為了保持較高的性能系數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制蒸發(fā)溫度保持一個(gè)穩(wěn)定的范圍，我們將在未來(lái)在直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)上安裝一個(gè)可變速的壓縮機(jī)和電子膨脹閥控制器。我們將應(yīng)用于一些適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ行У亟Y(jié)合這兩種可控元件，在全年廣泛不同環(huán)境條件下保持壓縮機(jī)吸熱能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的適當(dāng)匹配。然后，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的較高的火用損失也必然得到減少。此外，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的熱力性能和穩(wěn)定性也會(huì)得到提高。
5. 結(jié)論
通過(guò)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)A（輸入功率為750W）在春季里的實(shí)驗(yàn)性研究和熱力學(xué)分析，我們對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些合理化建議。然后，我們研制了一種裝有新型集熱/蒸發(fā)器的小型直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)B（輸入功率為400W），通過(guò)測(cè)試和分析，并使之與系統(tǒng)A進(jìn)行比較。
系統(tǒng)A和B消耗的電能至多為1KWh，在相似的預(yù)期成本下，較小的系統(tǒng)需要較低的運(yùn)營(yíng)成本，并且較小的集熱/蒸發(fā)面積也有利于系統(tǒng)在房頂?shù)陌惭b。
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)A和B的每個(gè)組件進(jìn)行火用分析，我們可以得到，最大的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器上，緊接著是冷凝器和膨脹閥。
此外，為了提高系統(tǒng)中每個(gè)組件的性能，我們提出了一些合理的方法和建議。集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化一些設(shè)計(jì)方法得到了應(yīng)用和實(shí)施。
在可變的工況條件和實(shí)際市場(chǎng)可利用產(chǎn)品的限制條件下，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的選擇并不像設(shè)計(jì)中的那么匹配。在大范圍變動(dòng)的外界條件下，為了能使壓縮機(jī)的泵送能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力有合適的匹配度，在下一步的工作中我們將對(duì)系統(tǒng)A采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥。
致謝
中國(guó)科學(xué)技術(shù)部（合同編號(hào)2005BA908B07）和上?？茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)（合同編號(hào)05dz05807）對(duì)此項(xiàng)研究在一定程度上的支持。作者還要特別感謝馬強(qiáng)先生提供的技術(shù)支持和孫云康先生，王泰華先生對(duì)他們?cè)谠囼?yàn)研究中的幫助。
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