基于肋片式集热板的直膨式太阳能热泵

将一种新型肋片式集热器/蒸发器应用于直膨式太阳能热泵热水器,对其进行实验研究,并提出一系列优化方案。由于集热器表面温度通常低于环境温度,集热器除了从太阳辐射中吸收热能,还能从空气中吸收部分热能,集热效率较高。相同外形尺寸条件下,新型集热器较吹胀板集热器有更大的换热面积。实验结果表明,在天气晴朗的秋季,将150L水从20℃左右加热至50℃,热泵的平均供热性能系数(COP)能达到5.37,即使在环境温度为18.6℃的小雨天气,系统平均COP依旧能够达到3.43。对实验样机建立仿真模型,并针对新型集热器提出一系列优化方案,计算机模拟结果表明,经过优化,在晴朗天气将150L水从20℃加热至50℃,系统的平均COP可达到6。     

复合热源太阳能热泵热水系统性能模拟

提出了一种复合热源太阳能热泵热水系统,通过阀门切换,可以根据不同的天气状况改变运行模式,以空气和太阳辐射作为热源制取生活用水。针对设计的150 L热水系统建立了数学模型,对不同运行模式下的性能进行了计算机模拟分析,分析了太阳辐射强度及环境温度对系统性能的影响,并计算了系统的全年运行状况。从模拟结果可以看出,热泵串联集热器模式（HP+SC）比集热器串联热泵模式（SC+HP）耗时稍长,但COP更高,各月总热效率前者略高于后者。COP及总热效率均随太阳辐射强度及环境温度的升高而升高。在4～10月的晴朗天气下,应尽量优先采用集热器模式（SC）,仅在完全没有太阳辐射时才使用热泵模式（HP）。     

太阳能-空气复合热源热泵热水系统

针对光伏发电效率较低和空气源热泵在寒冷地区应用中存在的问题,研发了一种新型复合蒸发器,将平板微热管阵列太阳能光伏光热(PV/T)集热器与空气源热泵相结合,组成新型太阳能-空气复合热源热泵热水系统。并对该热水系统在不同运行工况下的水箱水温、吸排气压力、压缩机功率和性能等进行了实验研究。实验结果表明,在环境温度分别为5、10和15℃的条件下,热泵加热73 L水,水温从15℃加热到50℃时,双热源运行工况的加热时间比单空气热源运行工况依次缩短了5.14%、10.29%和11.38%,COP依次提高了5.99%、9.28%和11.96%。     

太阳能-空气复合热源热泵热水系统

针对光伏发电效率较低和空气源热泵在寒冷地区应用中存在的问题,研发了一种新型复合蒸发器,将平板微热管阵列太阳能光伏光热（PV/T）集热器与空气源热泵相结合,组成新型太阳能-空气复合热源热泵热水系统。并对该热水系统在不同运行工况下的水箱水温、吸排气压力、压缩机功率和性能等进行了实验研究。实验结果表明,在环境温度分别为5、10和15℃的条件下,热泵加热73 L水,水温从15℃加热到50℃时,双热源运行工况的加热时间比单空气热源运行工况依次缩短了5.14%、10.29%和11.38%, COP依次提高了5.99%、9.28%和11.96%。     

太阳能-空气源耦合热泵系统性能研究

为提高太阳能耦合热泵性能,对冷凝器和集热器进行优化,设计太阳能-空气源耦合热泵系统。通过仿真模拟和实验测试,对供热源的热量进行了定性分析,并对比分析耦合热泵与传统空气源热泵的系统性能。结果表明,在供暖期,耦合热泵系统能高效运行,水箱加热温度设定在45—50℃,缩短加热时间,提高了系统性能。与传统空气源热泵相比,耦合热泵性能系数COP提高了约13.8%,耗功降低了约8.7%。集热器侧供热量/空气源热泵侧的热量比例为0.65/0.35时,耦合热泵系统性能最优,其中模拟COP为4.53,实测COP为4.46。对比模拟和实测结果,模拟和测试COP的最大误差为9.8%,两者耗功最大误差为15.3%。     

新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

针对低温环境条件下热泵逆循环除霜存在的诸多问题,提出了一套具备预热除霜功能的新型空气-水双热源复合热泵系统（new air-water double source composite heat pump system,AWDSHPS-N）,通过阀门切换和低温水源侧水泵的启停控制可直接进入除霜模式,除霜过程中可保证制热的连续性,每次除霜时长不超过5 min。利用恒温恒湿环境仓模拟室外环境条件,可调控水温的低温水箱模拟太阳能等低温热源搭建AWDSHPS-N实验台,对不同测试工况下,单空气源制热模式（air source heating mode,ASHM）、单水源制热模式（water source heating mode,WSHM）、空气-水双热源制热模式（air-water source heating mode,AWSHM）3种制热模式将水从18℃加热至51℃的系统性能系数（coefficient of performance,COP）进行了实验,结果表明：AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%~20.5%;当环境温度和低温水源温度均高于15℃时,系统COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。     

基于准二级压缩空气源热泵热水器的热力性能实验研究

对带中间经济器的准二级压缩低温空气源热泵热水器(HPWT)在不同外界环境温度下的换热性能和制热效果进行实验研究。研究了不同外界环境温度对HPWT的排气温度、回气温度、制热量、消耗功率及制热性能系数(COP)等主要参数的影响。研究表明:随着外界环境温度的降低,HPWT的制热量、能效比依次逐渐降低,在20℃到-15℃的外界环境温度,其制热量下降了64%,COP值下降了54%;加热400 L的冷水到55℃,所需时间差高达3倍之多。在外界环境温度为-15℃时,HPWT的COP值为1.80,较之直接用电制备生活热水,节能效果显著。实验研究对热泵热水器的实际应用具有一定的参考价值。     

新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

针对低温环境条件下热泵逆循环除霜存在的诸多问题,提出了一套具备预热除霜功能的新型空气-水双热源复合热泵系统(new air-water double source composite heat pump system,AWDSHPS-N),通过阀门切换和低温水源侧水泵的启停控制可直接进入除霜模式,除霜过程中可保证制热的连续性,每次除霜时长不超过5 min。利用恒温恒湿环境仓模拟室外环境条件,可调控水温的低温水箱模拟太阳能等低温热源搭建AWDSHPS-N实验台,对不同测试工况下,单空气源制热模式(air source heating mode,ASHM)、单水源制热模式(water source heating mode,WSHM)、空气-水双热源制热模式(air-water source heating mode,AWSHM)3种制热模式将水从18℃加热至51℃的系统性能系数(coefficient of performance,COP)进行了实验,结果表明:AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%~20.5%;当环境温度和低温水源温度均高于15℃时,系统COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。     

空气源热泵热水系统即刻加热模式和循环加热模式的对比

建立了空气源热泵在即刻加热（即热）模式和循环加热（循环）模式下制取热水的对比试验台,并对两种模式制取热水的运行性能作了对比研究。在环境温度为(19±0.5)℃条件下,分别将176 kg热水从初温20℃加热至55℃,即热模式平均COP比循环模式高出24%,同时冷凝加热功率也提高了约20%。结果表明,即热模式不仅具有更高的COP,还具有更高的冷凝加热功率,节约了电能消耗,缩短了加热时间。同时即热模式下冷凝压力、压缩比、压缩机最高出口温度等重要参数都要优于循环模式。显示出了空气源热泵热水系统在即热模式下具有更优越的热泵性能。     

新型太阳能/空气能直膨式热泵与空气源热泵供热性能对比

针对传统空气源热泵制热时极易出现室外机结霜的现象,提出了可同时吸收太阳能和空气能的新型太阳能/空气能直膨式热泵机组,把太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一,使室外机结霜得到有效缓解。为了验证新型太阳能/空气能直膨式热泵机组性能优劣,分别搭建新型太阳能/空气能直膨式热泵系统和空气源热泵系统,在2月26日—3月2日期间,对邯郸某一农村建筑的地板辐射采暖用户进行5天实际测试,对比分析了两种系统的制热性能、耗电量和COP变化情况。通过测试发现室外平均温度为10℃,太阳辐射达到峰值571.5 W·m^-2时太阳能/空气能直膨式热泵的制热量较空气源热泵提高大约70%,全天总制热量较空气源热泵提高大约12%。0～8℃的低温状态时,COP值仍可达到3.46,基本满足建筑采暖需求。并在此基础上对太阳能-空气能直膨式热泵提出进一步的优化措施,逐步推广其在寒冷地区的实际应用。     

太阳能-热泵复合供能系统

为最大限度利用可再生能源,将太阳能PV/T集热器与热泵相结合组成太阳能-热泵复合供能系统,通过不同阀门之间的相互切换,可实现多种运行模式以满足人们对生活热水、采暖或制冷的需求。实验主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行研究,分别从室内温度、制热量、热泵COP、集热效率、发电效率等方面对系统进行实验研究与理论分析,实验结果表明,3种运行工况下热泵COP分别为2.26、3.4和2.61,平均室内温度分别为15.3、18.8和16.5℃,基本能满足冬季采暖负荷要求。系统可充分利用太阳能与热泵各自的优势,实现能源节约,为太阳能和热泵在建筑中联合运行模式提供部分参考价值。     

二氧化碳家用热泵热水器试验研究

CO2因为环保及独特的热力学优势,一直是制冷空调领域的研究热点,然而由于其工作压力较高,用于家用热泵热水器的全封闭式CO2压缩机开发较困难。为了验证CO2在热泵热水器上应用的优势以及研究其系统的运行规律,以国产全封闭式CO2压缩机为基础,设计并搭建了空气源CO2热泵热水器测试系统,在进水温度15—50℃,出水温度65—90℃范围内,测试了不同进、出水温度、不同蒸发温度以及不同排气压力条件下,热泵系统的制热量、COP以及排气温度等关键特征,发现CO2能够稳定提供90℃以上热水,在高温制热上优势明显。同时,即使在蒸发温度为-20℃,系统仍然能够平稳运行,表现出较好的低温运行优势。     

太阳能空气源复合热泵系统的理论与实验分析

构建了一种多功能直膨式太阳能与空气源复合的热泵空调热水系统,并对其性能进行了理论分析与实验对比,系统利用太阳能提高了集热板的蒸发温度,因此相对于普通的空气源热泵,系统的性能得到了提升。在冬季及春季,对系统样机的性能进行了测试。在春季,太阳辐射强度为856 W·m^-2时,系统制生活热水平均COP为5.78;在冬季晴天测试系统供暖性能,COP变化趋势与太阳辐射强度相同,集热效率则与之相反,COP与集热效率均值分别为5.8和0.64。通过对比分析,探究了系统主要参数的相互关系。     

太阳能有机朗肯循环系统的实验特性

为研究中低温太阳能驱动的有机朗肯循环系统的性能,设计并建造了太阳能驱动的有机朗肯循环实验台.实验中以R245fa为有机朗肯循环工质,以WD350导热油为槽式集热器循环工质,对太阳能有机朗肯循环系统进行了实验研究.实验结果表明,当太阳直射辐射强度在400 W·m^-2左右时,集热器出口导热油温度可达 140℃.当集热器出口导热油温度在 110℃附近时,集热器集热效率可达60%左右.在该热源条件下,动力循环部分从基本循环模式切换到回热循环模式时,测算效率从9.3%提升到10.8%,实测循环效率从1.57%提升到1.67%,提升了6.07%.实测循环系统 效率在10%左右,回热模式下略高于基本循环模式.实验中还考察了不同工质流量下的有机朗肯循环性能,在工质流量为 6.88 kg·min^-1时,得到的最大实测平均功率为386.27 W.一定热源温度下,随着工质流量的增加,膨胀机进口压力增加,循环输出功也增加;在一定的工质流量下,随着热源温度的升高,膨胀机进口的温度提高,进口压力也升高,循环输出功也增加.     

不同外绕盘管结构热泵热水器蓄能与用能性能分析

家用空气源热泵热水器能够高效制取生活热水,优化其冷凝盘管外绕结构设计,可以进一步提高系统运行性能。本文提出了外绕变间距盘管结构形式,通过建立MATLAB热泵模型与水箱CFD模型,联立形成耦合模拟模型,经实验验证耦合模型的准确性后,模拟研究了外绕等/变间距盘管结构对热泵热水器蓄能与用能性能的影响。结果显示,与外绕等间距盘管结构相比,变间距盘管结构蓄能过程中的平均传热系数、性能系数（COP）分别提高了21.91%、10.75%,热水温度分布更加均匀,用能过程中的平均传热系数和COP比等间距盘管稍高,热水输出率、释能效率分别提高了7.69%、8.53%,水箱输出的热水温度品质得到改善。本文为对冷凝盘管外绕形式的优化设计提供了方向和指导。     

扰流板太阳能空气集热器的流道优化

通过改变常规的蛇形流道的扰流板式太阳能空气集热器的扰流板布置，开发出一种涡旋形流道太阳能空气集热器，并对其进行实验与模拟研究。研究发现在平均太阳辐照度819.7W/m²、温度7.33℃、流量0.025kg/s的条件下，涡旋形太阳能空气集热器的集热效率可达59.14%，比蛇形太阳能空气集热器高2.18%；而其压力损失仅为蛇形太阳能空气集热器的37.26%，且随着流量的增加，压损降低更加明显；同时得到在出口温度为30～90℃范围内，涡旋形太阳能空气集热器的热损系数在4.6～5.6W/(m²·K)之间，热迁移因子在0.64～0.72之间，二者的平均值各自较蛇形太阳能空气集热器高0.06W/(m²·K)与0.019。与蛇形太阳能空气集热器相比，涡旋形的太阳能空气集热器增加了太阳能空气集热器的集热效率，同时大幅降低压力损失。