太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

1、大學學士學位論文本科畢業(yè)設計論文題 目太陽能輔助空氣源熱泵熱水供應系統(tǒng)設計學 院 名 稱 機械電子工程學院 專業(yè)班級 熱能與動力工程 學生姓名 學 號 指 導 教 師 填表時間： 2014 年 月 日摘要目前，太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)已經(jīng)在建筑中得到廣泛推廣。太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)了空氣和太陽能兩種可再生能源的綜合利用和優(yōu)勢互補，是一種高效潔凈的新型熱水制備方式。本設計在簡述國內外太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)研究的基礎之上，設計了滿足該居民樓全年供應熱水要求的太陽能空氣源熱泵熱水供應系統(tǒng)運行方案，設計了平板型太陽能集熱器；對熱泵系統(tǒng)中，建立壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥數(shù)學模型，并編制了

2、冷凝器、蒸發(fā)器的仿真程序；最后對系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析；其中重點是冷凝器、蒸發(fā)器的結構設計，以及仿真編程和系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析。本設計設計的太陽能空氣源熱泵熱水供應系統(tǒng)中，包括太陽能熱水供應回路和空氣源熱泵熱水供應回路；太陽能優(yōu)先供應熱水，當太陽能供應不足時，空氣源熱泵再供應熱水，最大化的使用太陽能。對系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析，計算出傳統(tǒng)方式和本系統(tǒng)的全年總費用、初投資，得出投資回收年限，表明該系統(tǒng)具有節(jié)能，經(jīng)濟的優(yōu)勢。關鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；蒸發(fā)器；冷凝器；性能分析 ABSTRACT Now the solar assisted air source heat pump hot water syste

3、m has been widely spread in the building. Solar-assisted air source heat pump system realized the utilization and complementary advantage of two renewable energy：air and solar，being a new and high efficient preparation method. This design introduces the solar-assisted air source heat pump system at

4、home and abroad research. Operation scheme of solar hot water - air source heat pump hot water supply system meet the residential building year-round water-supply. This subject also designed a flat solar collector and established mathematical model of compressor, condenser, evaporator, expansion val

5、ve. This paper compiles the condenser, evaporator simulation program. Finally the design makes analysis efficiency of system, which focuses on the simulation programming and the structure design of the condenser and evaporator, and systems analysis of the economy. Solar air source heat pump hot wate

6、r supply system designed in this paper composed of the solar hot water supply loop and air source heat pump hot water supply loop. Solar energy supply hot water first. When the solar energy supply is insufficient, the air source heat pump supplies hot water. System is maximize used of solar energy,

7、to achieve the purpose of energy saving. Economic analysis calculates total cost of the traditional way and the annual, then we get its the investment recovery period. Above all results indicated that the system has the energy saving and being economical.Key words: Solar energy; Air source heat pump

8、; Evaporator; Condenser; Performance analysis目 錄摘要2ABSTRACT31 緒論11.1 本課題的研究目的及意義11.2太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀21.3 本設計的主要研究內容42 太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)方案62.1 太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)要求62.2 熱水供應系統(tǒng)方案設計72.3本章小結93太陽能集熱器數(shù)學模型及結構設計103.1設計參數(shù)103.2 平板型太陽能集熱器的數(shù)學模型113.3 平板型太陽能集熱器結構183.4本章小結194 熱泵裝置各部件數(shù)學模型204.1 壓縮機數(shù)學模型204.2 蒸發(fā)器數(shù)學模型及仿真244.3

9、冷凝器數(shù)學模型及仿真334.4膨脹閥模型404.5輔助電加熱器的選取424.6 本章小結425.系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟性分析435.1 系統(tǒng)的節(jié)能性分析435.2系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析455.3 本章小結466 總結與展望47參考文獻49致謝51附錄一52英文翻譯52附錄二67蒸發(fā)器仿真程序67 1 緒論進入21世紀世界對能源的需求越來越大，然而化石能源（如煤炭、石油、天然氣等）面臨枯竭的困境，并且化石能源的燃燒也會對大氣造成污染。因此開發(fā)研究新型能源和可再生能源是當前重重之重。太陽能作為最常見，最清潔的能源是首選的新能源；空氣源熱泵將低位能轉變成高位能，節(jié)能清潔。本設計所研究的太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)不

10、僅具有節(jié)能，清潔的有點，而且還能節(jié)約費用，在以后會用更廣泛的用途。1.1 本課題的研究目的及意義我國主要是用煤炭、燃油、燃氣、電鍋爐等形式提供商業(yè)建筑熱水，主要采用電熱水器、燃氣熱水器、太陽能熱水器等形式提供民用建筑熱水。我國能耗利用率不高，建筑能耗約占總能耗的30%，其中商業(yè)建筑熱水能耗占總能耗20%一40%，民用建筑熱水能耗占20%1，所以，在建筑節(jié)能工作和提高社會能源使用率上，降低傳統(tǒng)燃煤供暖所造成的大氣污染，減少建筑能耗，大力推廣及使用清潔能源是順應時代的趨勢，對我國緩解和解決大氣污染具有重要意義2。從利用熱能角度，采用電力、燃氣、燃油等高品位熱源的熱水器，雖然加熱效率較高，但實際加熱

11、過程中伴隨著巨大的熵增損失，將熱泵技術和太陽能熱利用技術有機結合起來，以空氣源熱泵作為傳統(tǒng)太陽能熱水器的輔助熱源，來保證太陽能熱水器的全天候工作，在我國，對于太陽能資源十分豐富的地區(qū)而言，這項課題具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。太陽能熱水器具有節(jié)能及環(huán)保等優(yōu)勢，在太陽能資源較豐富的地區(qū)得到了一定的應用，但常規(guī)太陽能熱水器易受氣候的影響，不能全天候運行。熱泵作為一種高效節(jié)能裝置，其應用逐漸普及，將熱泵節(jié)能技術與太陽能熱水系統(tǒng)有機地結合起來，可彌補后者的不足，并實現(xiàn)其高，全天候運行，對節(jié)能、環(huán)保都有重要的意義3。1.2太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀太陽能空氣源熱泵在建筑中的應用已經(jīng)得到了廣泛的推

12、廣，這符合走可持續(xù)發(fā)展道路，節(jié)約能源，環(huán)保的政策。我國地域廣闊，蘊藏這豐富的太陽能資源，因地制宜的在不同的建筑采用不同形式的太陽能熱泵系統(tǒng)，可有效地促進建筑節(jié)能水平的提高和人民生活水平的改善，既節(jié)約的能源，有保護了環(huán)境，符合國家資源和環(huán)境戰(zhàn)略，太陽能熱泵有巨大的發(fā)展前景。太陽能集熱器本身具有受環(huán)境影響大，有間歇性的特點，它與空氣源熱泵相結合能充分克服太陽能本身的這些缺點，而且還可以達到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)，應用潛力。1.2.1 國內外太陽能熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國外關于太陽能和熱泵聯(lián)合的研究，可以追溯到 20 世紀 50 年代由 Jordan 和Therkled 提出早期太

13、陽能熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在民用建筑或公共設施供熱這樣的大型系統(tǒng)4。太陽能熱泵的結構型式多種多樣，不同結構型式的系統(tǒng)具有不同的性能特性。Chandrasekhar5等人根據(jù)加拿大七個代表性城市的天氣資料，對多種不同結構型式的太陽能熱泵熱水系統(tǒng)進行了室內供暖及供熱水的性能模擬。Macarthur 6對串聯(lián)式太陽能熱泵進行結構優(yōu)化，并對其投資回收期進行了計算。研究結果表明，太陽能熱泵儲熱器的容量和太陽能集熱器的面積是太陽能熱泵設計的重點考慮因素，儲熱器容量和太陽能集熱器過大或過小都會極大降低太陽能熱泵的經(jīng)濟性；同時給出當?shù)貤l件下，對于90m2的供熱面積，最理想太陽能集熱器面積的儲熱器容積分別為30

14、 m2和3.5 m2。 在大規(guī)模應用方面，國外的研究側重于與建筑結構及目標對象相結合包括：以空氣源熱泵作為住宅的供暖(冷)機組的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖(冷)的研究，在室內或室外露天游泳池中的應用研究，在建筑物余熱(排風廢熱)回收與利用中的應用研究，對冷凝廢熱回收與利用中的應用研究，人工冰場和游泳池相結合的系統(tǒng)研究以及該技術在工農業(yè)中的應用等，美、日、西歐都是熱泵主要的應用國家，但他們熱泵的發(fā)展模式卻不盡相同，美國熱泵行業(yè)的發(fā)展主要以單元式熱泵空調為先導，生產以空氣作為低位熱源的單元式熱泵空調機組，此后又在空氣空氣單元式熱泵空調機組的基礎上又開發(fā)了應用于商業(yè)建筑的空氣水熱泵和水環(huán)熱泵系

15、統(tǒng)。我國對太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的研究起步比較晚，大部分研究集中于直膨式，而并聯(lián)式即空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的研究比較少。國內研究者對于并聯(lián)式空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的研究主要有：劉業(yè)鳳7等針對現(xiàn)有的太陽能熱泵隨太陽能輻射強度變化導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，提出了一種太陽能空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)，實現(xiàn)夏季供冷、冬季采暖和全年供生活熱水的功能，此系統(tǒng)有環(huán)保節(jié)能和運行穩(wěn)定的特性，但是系統(tǒng)無法實現(xiàn)太陽能熱泵和空氣源熱泵同時運行，當太陽能熱泵熱量不能滿足需要的時候使用電加熱。王燕俊8的太陽能復合熱水系統(tǒng)設置了兩個冷凝器，普通空冷冷凝器實現(xiàn)熱泵空調器的制冷、制熱功能，另外一個水冷冷凝器將熱泵熱水系統(tǒng)和

16、太陽能熱水系統(tǒng)結合，利用太陽能和熱泵的優(yōu)勢生產熱水，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)制冷、供暖，制備熱水同時進行，實驗結果表明，系統(tǒng)運行時，適當增加循環(huán)水量，在滿足水負荷的前提下，降低熱水終溫，可有效提高系統(tǒng)整體性能，若使用變頻壓縮機和電子膨脹閥，不同的工況下實時調節(jié)制冷劑的冷量，也可以提高系統(tǒng)整體性能。馬偉斌9等提出太陽能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)在太陽能與熱泵結合方面做了很好的嘗試，系統(tǒng)可有效解決北方寒冷地區(qū)太陽能全年穩(wěn)定供熱水問題,對太陽能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)的原理、特點和應用前景作了詳細的論述。盧春萍10等對太陽能-空氣源熱泵并聯(lián)供熱系統(tǒng)的主要附件建立熱力模型，利用 VC 語言開發(fā)了該供熱系統(tǒng)的運

17、行模擬軟件，通過模擬來預測該太陽能系統(tǒng)的運行情況，使設計人員對該系統(tǒng)的動態(tài)特性有一個較全面的了解，通過模擬得出，在我國北方比較干燥的地區(qū)，使用蒸發(fā)式制冷新風機組,將極大地減少初投資和設備的運行費用。上海理工大學教授丁國良11對制冷空調裝置智能仿真深入研究，提出制冷系統(tǒng)從部件到整體裝置的建模與求解方法，基于現(xiàn)代控制理論的空調動態(tài)負荷計算理論，以及基于模型的智能化仿真，促進了國際制冷界的設計方法的現(xiàn)代化。林康立12通過對某辦公樓太陽能和空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)工程的研究，說明了在熱水系統(tǒng)中太陽能與空氣源熱泵結合可以取長補短，實現(xiàn)全年全氣候供應熱水，節(jié)能效果明顯，環(huán)保和減排效果也較好，但是初投資增大，

18、適應范圍也有限。太陽能空氣源雙熱源復合熱泵將風冷熱泵技術和太陽能熱水技術有機結合，突破了風冷熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下運行效率低或無法運行的缺陷，充分利用太陽能和空氣能等綠色新能源，可以實現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖，全年提供生活熱水等多工況運行，充分滿足人們生活的需求。操作靈活方便，能夠產生更經(jīng)濟的效益。但是這種熱泵在我國的使用還不是很廣，主要是設備比較復雜，初投資較大，另外只能實行切換式運行，不能同時吸收太陽能和空氣的熱量。所以如果想大面積推廣使用，還需要降低成本，提高能源的利用率。1.3 本設計的主要研究內容設計的太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是滿足居民生活熱水需求，實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟的特點。設計系統(tǒng)包括太陽能

19、熱水循環(huán)和熱泵熱水循環(huán)，系統(tǒng)滿足24小時不間斷供應熱水。具體內容：（1）設計太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的方案，簡述其工作原理和控制方案。（2）建立平板型太陽能集熱器數(shù)學模型，并進行結構計算；計算太陽能集熱器的熱效率和系統(tǒng)的太陽能保證率。（3）建立壓縮機的數(shù)學模型，并依據(jù)系統(tǒng)的需求經(jīng)行選型。建立膨脹閥的數(shù)學模型，并進行選型。（4）建立蒸發(fā)器、冷凝器數(shù)學模型，用VB語言編蒸發(fā)器、冷凝器的仿真程序，對蒸發(fā)器、冷凝器進行模擬仿真和分析。（5）對設計系統(tǒng)進行經(jīng)濟性和節(jié)能性分析，通過與傳統(tǒng)方式的對比，得出設計系統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟的優(yōu)點。2 太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)方案2.1 太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

20、要求2.1.1 熱水供應系統(tǒng)的功能要求根據(jù)冬季濟南某小區(qū)一棟樓居民生活用熱水的需要，本文設計的太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)滿足該棟居民四季正常生活用熱水，如洗澡、洗手、廚房用水等，系統(tǒng)供應熱水必須是24小時連續(xù)。另外，還要滿足當太陽能供應不上或供應不足時，熱泵單獨運行能滿足居民的正常生活用水。考慮特殊情況，當熱泵也無法工作時，使用電加熱的方式供應熱水。本課題供應熱水運行模式系統(tǒng)是基于濟南某小區(qū)一棟居民樓居民熱水的需求進行的：（1）一棟五層居民樓，每層六戶，每戶大約80m2，樓頂平面積為480 m2。（2）每戶按照4口人計算，一共120人。（3）系統(tǒng)的應用地點選在山東省濟南市。2.1.2 熱水供應系

21、統(tǒng)構建要求 借鑒現(xiàn)在很多熱水供應系統(tǒng)的裝置都放置在樓頂，特別是學校的澡堂、賓館，這樣既美觀又減小了占地面積。本課題設計的太陽能熱泵熱水系統(tǒng)中的太陽能集熱器、熱泵、恒溫水箱、儲熱水箱放置在居民樓的樓頂，這樣可以不用再使用泵將熱水打到每戶，減少初投資。如果居民樓樓頂是閣樓式的，便在樓頂搭建鐵架，支撐太陽能集熱器、熱泵。供熱水的管道必須用保溫材料包裹好，以避免在熱水運輸工程中的熱量的損失，特別是在冬季。太陽能集熱器最好的朝向是正南，北半球面向正南接受太陽能最多，但是如果居民樓建筑特殊，允許南偏東或者南偏西10º15º。儲熱水箱盡量靠近太陽能集熱器13。2.2 熱水供應系統(tǒng)方案設計

22、根據(jù)太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行模式功能要求、構建要求及主要設計參數(shù)資料，依據(jù)易實現(xiàn)、構造簡單、投資成本低的原則，參考了一些成功的案類資料和經(jīng)驗，設計本文系統(tǒng)運行方案。2.2.1 系統(tǒng)組成本文設計系統(tǒng)有兩個子循環(huán)回路組成：太陽能集熱器熱水循環(huán)回路和空氣源熱泵熱水循環(huán)回路。太陽能集熱器熱水循環(huán)回路主要由太陽能集熱器、溫度傳感器、水泵、控制器、儲熱水箱、恒溫水箱；空氣源熱泵熱水循環(huán)回路由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、循環(huán)水泵等組件組成。太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖如2.1所示 圖2.1 系統(tǒng)原理圖2.2.2系統(tǒng)工作原理該熱水供應系統(tǒng)當晴天的時候太陽能集熱器工作產生熱水，利用水泵使熱水在

23、儲熱水箱和太陽能集熱器之間循環(huán)，不斷加熱，儲熱水箱中的水達到設定溫度時進入恒溫水箱。恒溫水箱中的水保持恒定溫度，并提供給用戶使用。自來水直接供應給儲熱水箱，以便自來水在太陽能集熱器和貯熱水箱循環(huán)時加熱。當白天陽光不足、晚間或者陰雨天時，太陽能集熱器不能供應足熱水時，空氣源熱泵就工作產生熱水滿足要求。冷凝器與恒溫水箱組成一個熱水循環(huán)回路，不短加熱熱水，保持恒溫水箱的水溫。熱泵內的循環(huán)：制冷劑（R22）在壓縮機中被壓縮成高壓高溫的過熱氣態(tài)，進入冷凝器中，與水換熱，將水加熱到所需要的溫度。換熱后的制冷劑再進入熱力膨脹閥，等焓降壓，之后再進入蒸發(fā)器中，吸收空氣的熱量蒸發(fā)成氣態(tài)，最后又進入壓縮機，完成整

24、個循環(huán)。此外，在恒溫水箱內還用電加熱器，避免當太陽能集熱器和空氣源熱泵都無法工作供應熱水的情況。當恒溫水箱中的水溫度達不到時，電加熱器直接加熱恒溫水箱內的水，保持恒溫水箱內水溫恒定。2.2.3熱水供應系統(tǒng)運行方案設計的太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠滿足一天24小時不間斷供應熱水。儲熱水箱中有溫度傳感起和水位傳感器，儲熱水箱中有一個溫度設定值和水位上限值、水溫下限值。恒溫水箱中也有溫度傳感器和水溫傳感器，但是恒溫水箱中溫度有三個設定值（設定值1、設定值2和設定值3）和水位上限值、水溫下限值。晴天時，早上太陽能集熱器還無法正常工作，不能將水溫加熱到居民所需的溫度時，空氣源熱泵便開始工作，加熱水直

25、到設定溫度3。當太陽能集熱器能正常工作，將儲熱水箱中的水溫加熱到設定溫度時，熱泵停止運行，便由太陽能集熱器供應熱水。下午太陽輻射變弱，不足以使太陽能集熱器加熱水溫到所需的值，恒溫水箱中的水溫會下降，低于設定值1時，空氣源熱泵便開始工作。晚上太陽能集熱器無法工作，只能由空氣源熱泵供應熱水。陰天時，太陽能集熱器無法正常工作，只能由空氣源熱泵來供應熱。此時，儲熱水箱和恒溫水箱之間的閥門關閉，只有當恒溫水箱中的水位定于上限水位時，儲熱水箱中的水才進入恒溫水箱，保持恒溫水箱的水位。儲熱水箱中的水位傳感器，當儲熱水箱中的水位低于設定值時，自來水自動加水。儲熱水箱中的溫度傳感器用來：當太陽能集熱器把儲熱水箱

26、中的水加熱到設定的溫度值時，儲熱水箱與恒溫水箱之間的閥門打開，儲熱水箱的水流入恒溫水箱。恒溫水箱中的溫度傳感器用來：當恒溫水箱中的水低于設定值1時，空氣源熱泵運行，加熱恒溫水箱中的水到設定值3，以保持恒溫水箱水溫恒定；當恒溫水箱中的水低于設定值2時，恒溫水箱中的電加熱器工作，直接加熱恒溫水箱中的水到設定值3，維持水溫。儲熱水箱中的水位傳感器：自來水管道上的閥門與水位傳感器相連，當儲熱水箱中的水位低于下限的設定值時，閥門打開，儲熱水箱自動加水，水位達到水位上限值時，閥門關閉。恒溫水箱中的水位傳感器與儲熱水箱水位傳感器作用相同，當水位低于下線設定值時，儲熱水箱連通恒溫水箱的閥門打開，給恒溫水箱加水

27、。恒溫水箱中的水位傳感器是優(yōu)先與溫度傳感器的，就是當水位傳感器低于設定值時，不論水箱中溫度如何，都要給恒溫水箱加水。冬天出現(xiàn)及低溫的時，空氣源熱泵可能會結霜，而無法正常工作，電加熱器就會工作，保證居民正常使用熱水。設計系統(tǒng)除了正常使用的熱泵以外還有備用的，防止當工作中熱泵出現(xiàn)故障無法正常供應熱水的情況。2.3本章小結本課題研究的是太陽能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的裝置設計，先進行系統(tǒng)的設計，了解本課題系統(tǒng)的基本功能要求和運行模式。設計是基于初始設計參數(shù)，進而設計或選型各個裝置。3太陽能集熱器數(shù)學模型及結構設計3.1設計參數(shù)3.1.1 熱負荷計算（1）濟南地區(qū)氣象資料年平均氣溫 14.7季節(jié)日平均氣

28、溫：夏季（6月8月，92天），26.7；春秋季（3月5月、9月11月。一共183天），15.5；冬季（12月2月，90天），1.5。最高月平均氣溫：27.5；最低月平均氣溫：0.4。該地區(qū)年日照時間2616.8h，太陽能年總輻射量50165852W/m2·y，日照百分率4762.（2）自來水溫度：春季，15；夏季，22；秋季，15；冬季，2。（3）日用熱水量：21.6t，其中人的洗浴70150L/人；廚房：5080L/人；衣物洗滌2040L/人；室內衛(wèi)生用水1030L/人14。（4）日用熱負荷：按冬季平均日氣溫1，上水溫度2，熱水溫度45， 3889.574MJ式中，t1,2熱水溫度

29、、自來水溫度，； 3.1.2 恒溫水箱容積計算及材料選擇 （1）居民用熱水高峰時段為晚上7：0010：00，共3個小時。 （2）熱水供應系數(shù)為0.7512。 （3）高峰時段總的用水量：每個人洗浴取100L，廚房沒人用水50L，計算的用水量為13.5m3。 （4）恒溫水箱容積選取13.5，長×寬=2.6×2.6m，高為2m。 （5）恒溫水箱由外殼、內膽、保溫層組成。外殼對恒溫水箱保溫材料等起防護作用，并對水箱起支撐作用。本課題設計的恒溫水箱外殼選用201不銹鋼，厚度為1mm；內膽決定水箱耐壓程度和壽命，選用304不銹鋼，厚度為1.5mm；保溫層在外殼與內膽之間，起減少熱損失的

30、作用（保溫24h，熱水溫度的下降應不大于4）。本設計選用聚氨酯保溫層，厚度為50mm15。3.2 平板型太陽能集熱器的數(shù)學模型 平板型太陽能集熱器主要由吸熱板、透明蓋板、保溫層、殼體等幾部分組成： 圖3.1太陽能集熱器結構圖 為了便于對系統(tǒng)進行理論分析，建立數(shù)學模型時作如下假設：（1） 系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；（2） 吸熱板的厚度很小，沿厚度方向的溫度梯度可以不考慮；（3） 流體在管內的流動是均勻的；（4） 在傳熱過程中，認為儲熱水箱的水溫保持均勻一致；（5） 集熱器與儲熱水箱之間的管路損失不記；（6） 在每個小時的時間間隔內，認為系統(tǒng)處于準靜態(tài)過程；（7） 通過集熱器透明蓋板的熱流是一維的；（8

31、） 通過集熱器透明蓋板的降溫是可以忽略；（9） 通過集熱器背部隔熱材料的熱流是一維的；（10） 天空可以認為是一個在等效天空溫度在發(fā)射長波輻射的黑體；（11） 通過集熱器前面和背面的熱損失都對于同一環(huán)境溫度；（12） 集熱器四周的殼體在吸熱板上的陰影是可以忽略；（13） 熱物性與溫度無關。3.2.1 平板型太陽能集熱器能量平衡方程分析平板型太陽能集熱器的熱物性能主要建立在熱力學第一定律基礎之上進行。平板型太陽能集熱器吸熱板吸收太陽輻射的能量，其中一部分被太陽能集熱器熱流帶走，另一部分通過集熱器結構散失到環(huán)境中。集熱熱流帶走的能量成為太陽能集熱器的有用熱量，散失到環(huán)境中的熱量成為熱損失。圖3.2

32、所示為平板型太陽能集熱器的能量平衡圖：圖3.2 太陽能集熱器能量平衡圖其能量平衡關系可以用數(shù)學方程表示為15： （3.1）式中 Qa 單位時間內集熱器吸收的太陽能輻射能，W； 單位時間內集熱器的有用輸出能量。W； 單位時間內集熱器的能量損失，W；其中，Qa可用下式計算16： （3.2）式中 集熱器集熱面積上的太陽能輻射強度，W/m2； 集熱器集熱面積，m2； 有效透過-吸收積；（在實際應用中可以近似取為1.02，其中為透明蓋板的透過率，為集熱器吸熱板涂層的吸收率。）3.2.2 平板太陽能集熱器總熱損失系數(shù)太陽能集熱器熱損失主要由地步散熱、側面散熱和頂部散熱三部分組成， 圖3.3 太陽能集熱器熱

33、損失圖即： （3.3）又， （3.4）其中 （3.5）式中 底部熱損失系數(shù)，W/（m2·K）； 側面熱損失系數(shù)，W/（m2·K）； 頂部熱損失系數(shù)，W/（m2·K）； Tp 吸熱板的溫度，； Ta 蓋板的溫度，。（1） 底部熱損失系數(shù)15： = （3.6）式中 集熱器背部隔熱材料的導熱熱阻，（m2·K）/W； 集熱器殼體底部與環(huán)境之間的對流換熱熱阻，（m2·K）/W；（2） 側面熱損失系數(shù)：對于大多數(shù)集熱器，計算側面熱損失系數(shù)是非常復雜的，但是，在一個設計良好的系統(tǒng)中，側面熱損失應該很小，因此不必很精確地確定它。大型集熱器通?？梢院雎詡让鏌釗p失

34、，但是小型集熱器的側面熱損失則不能忽略。達菲和貝克曼指出：對于30的集熱器，其側面損失小于頂部和底部熱損失的1%；但對于1×2的集熱器，其側面熱損失約為頂部和底部熱損失的3%16。對于邊緣熱材料厚度約為地步隔熱材料厚度相同的平板集熱器，可將側面熱損失作為底部熱損失的一個附加因子考慮13，側面熱損失系數(shù)表示為： = （3.7）式中，分別如圖所示。 圖3.4 平板型太陽能集熱器隔熱材料尺寸（3） 頂部損失系數(shù)：頂部熱損失是由各平行板間的對流和輻射換熱所引起的。頂部熱損失系數(shù)的確定比較繁瑣，需要假定蓋板的溫度，然后用迭代法加以計算。克雷恩于1973年提出了一個計算的經(jīng)驗公式17： =+ （

35、3.8） 在式（3.8）中， f = (1.00.04+0.0005)(1+0.058n) （3.9） = 5.7 + 3.8 （3.10） 式中 n 透明蓋板的層數(shù)； 環(huán)境風速，取值2.5m/s； 風吹過集熱器頂部蓋層時的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)； 斯忒藩玻爾茲曼常熟，5.67×10-8W/(m2·K4)； 集熱板的發(fā)射率； 蓋板的發(fā)射率。上式的最佳應用條件是： 320 420(K)， 260 310(K)， 0.1 0.95， 0 10（m/s)， 1 n 3， 0° 90°。綜上所述： =+ （3.11）3.2.3 平板型太陽能集熱

36、器的有用熱量由（3.1）可得： (3.12)式中 集熱流體的質量流量，kg/s； 集熱流體的平均比熱，kJ/（kg·）；3.2.4 平板型太陽能集熱器的效率方程太陽能集熱器的效率15 （3.12）若以集熱器進口流體溫度為計算熱損失的基準，集熱器效率可表示為： （3.13）式中 集熱器的熱轉移因子。集熱器的熱轉移因子是指集熱器實際有用能量收益與設想整個集熱器吸熱體處于進口溫度下工作時的有用能量之比16。計算公式如下： （3.14）式中 集熱器的熱效率因子。由于影響集熱器效率的因素很多，包括集熱器本身結構特征、集熱器流體傳熱及流動特征、集熱流體流量、太陽輻射強度以及室外溫度和風速等。為簡

37、化計算，在實際應用中，集熱器的效率方程式通常由廠家提供或者由集熱器效率實驗測定18。集熱器效率表示為： （3.15）式中 A,B 集熱器的性能常數(shù)（由廠家提供或實驗測的）； 集熱器進口流體溫度，； 環(huán)境溫度，；Ic 太陽輻射強度，W/m2。3.3 平板型太陽能集熱器結構 單個平板型集熱器外形尺寸采用GB/T 6424-1997推薦值：l1=1.5m，l2=1.0m，lb=40mm，l3=25mm，（符號意義見圖3.4所示）。本課題平板型太陽能集熱器主要結構和性能參數(shù)表3.1。表3.1 平板型太陽能集熱器結構部件名稱部件參數(shù)形式結構尺寸或材質吸熱板管板銅鋁復合體涂層非選擇性黑板漆透明蓋板數(shù)量nl

38、材質普通平板玻璃底部隔熱層與蓋板間距l(xiāng)325mm隔熱層材料巖棉導熱系數(shù)0.0355W/(m2·k)底部和層面隔熱層厚度lb40mm外殼材質不銹鋼1.5mm翅片數(shù)量m6材質鋁長度lm1460mm寬度ln200mm排管材質銅尺寸管徑和壁厚15×0.8mm集管尺寸管徑和壁厚20×1mm材質銅由（3.15）計算：=44.5%。因為居民樓樓頂面積是480m2，考慮面積問題，儲熱水箱、恒溫水箱、管道、6臺熱泵，所以集熱器的面積為330m2，需要220塊集熱板。濟南地區(qū)日均太陽輻射量：1.92 MJ/m2·h 2.24 MJ/m2·h，按照每天8個小時太陽能

39、能集熱器吸收太陽能15.36 MJ/m2·h 17.92 MJ/m2·h。計算太陽能保證率： =32.83%式中，I1每天太陽能集熱器吸收太陽能，取15.8 MJ/； Ac太陽能集熱器面積，330m2； r日照百分率，取0.55。冬季時太陽能保證率為44.76%在一個合適的范圍之內，春夏秋季時，太陽光照更好，太陽能保證率會比這更高，節(jié)能的效果會更加顯著。3.4本章小結太陽能集熱器數(shù)學模型的建立依據(jù)集熱器能量方程，考慮集熱器的各部分的損失。建立數(shù)學模型確定集熱器的結構，得出集熱器的熱效率和太陽能的保證率。4 熱泵裝置各部件數(shù)學模型初參數(shù)：空氣年平均溫度為10，自來水的年平均溫

40、度為15，所需的熱水溫度為45，熱泵工質采用R22，R22的質量流量為0.0903kg/s，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為0，蒸發(fā)壓力為0.4977MPa，冷凝器的冷凝壓力為1.948MPa，冷凝器的冷凝溫度為50，冷凝器內水的流量為0.154L/s。4.1 壓縮機數(shù)學模型 壓縮機的種類很多，主要有活塞式、螺桿式、滾動轉子式、渦旋式、離心式和軸流式等。壓縮機結構復雜，建立模型時，必須按照具體種類分別處理。制冷壓縮機的建模方法一般有三種：一種是根據(jù)壓縮機試驗資料得到數(shù)據(jù)進行擬合，這種方法簡單并且與具體的壓縮機實際情況吻合較好，但是只是針對某一型號的壓縮機，適用范圍較??；一種方法是將壓縮機中復雜的流動與傳熱過

41、程簡化成一些半經(jīng)驗公式計算；還有一種方法是將壓縮機氣缸內的控制容積建立能量方程、質量方程和動量方程，從聯(lián)立方程中求解壓縮機各性能參數(shù)，這種方法較為復雜，但是通用性較好。 研究壓縮機數(shù)學模型，只要能夠準確計算對系統(tǒng)性能和其它部件有影響的參數(shù)即可。由于壓縮機對于制冷空調裝置的作用是通過制冷劑的遷移來實現(xiàn)的，因此最主要的參數(shù)是通過壓縮機的制冷劑流量；流經(jīng)壓縮機的制冷劑狀態(tài)參數(shù)反映壓縮機與蒸發(fā)器和冷凝器之間聯(lián)系，是重要參數(shù)之一。 4.1.1 壓縮機數(shù)學模型為了便于對系統(tǒng)進行理論分析，建立數(shù)學物理模型時作如下假設：整個壓縮機過程為絕熱過程；整個壓縮過程為準靜態(tài)過程；將所需要工況表示在圖上，如圖所示，根據(jù)

42、所用工質，查出有關特征的狀態(tài)參數(shù)值：包括壓力p（），比容（m3/kg），溫度T（K），比焓h(kJ/kg)，比熵s(kJ/kg)，為進一步分析做好準備。 圖4.1 熱力循環(huán)示意圖 （1）單位工質制冷量q0(kJ/kg) （4.1）式中 壓縮機進口工質焓值，(kJ/kg)； 蒸發(fā)器進口工質焓值，(kJ/kg)； （2）單位絕熱理論功 （4.2）式中 壓縮機出口工質的焓值，(kJ/kg)； （3）工作容積11 = （4.3）式中 壓縮機汽缸直徑，； 壓縮機汽缸活塞行程，； （4）理論容積輸氣量 （4.4）式中 壓縮機電機轉速,r/min。 （5）實際輸氣量 （4.5）式中 壓縮機容積效率； 壓縮機

43、進口工質比容，m3/kg。 （6）制冷量 （4.6） （7）理論絕熱功率 （4.7）式中 壓縮機工質質量流量，kg/s。 （8）指示功率 （4.8）式中 壓縮機指示效率。 （9）軸功率 （4.9）式中 壓縮機摩擦功率。 （10）性能系數(shù) = （4.10） （11）排氣溫度 （4.11）式中 吸氣溫度，K； n 壓縮指數(shù)； 壓力比 吸排氣相對阻力損失。4.1.2壓縮機選型分析目前，在中小型熱泵機組中，一般都采用往復式或滾動轉子式制冷壓縮機。全封閉式壓縮機因其結構緊湊，無軸封裝置、體積小、噪聲低、重量輕等一系列優(yōu)點，在中小型機組中得到廣泛的應用。壓縮機的確定：初設熱泵熱水裝置的開機/停機時間比約為

44、11，熱水平均用量為500L/h,選用四臺，另再加兩臺備用。 （4.12） 熱水加熱所需的熱量，kW； 熱水產率，kg/s； 水的比熱容，kJ/(kg·K）； 熱水溫度，； 自來水的溫度，； =17.5kW。查R22壓縮機參數(shù)，又制熱量，熱泵工質的冷凝溫度和正溫度，可選擇壓縮機K型14，其制熱量為19.3kW，功率為5.2kW，熱泵工質需從蒸發(fā)器吸收的熱量為19.35.2=14.1kW。4.2 蒸發(fā)器數(shù)學模型及仿真 對于制冷系統(tǒng)來說，蒸發(fā)器是制冷劑從系統(tǒng)外吸熱的換熱器，制冷劑以氣液兩相狀態(tài)進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，在裝置穩(wěn)定運行時，制冷劑以低干度的氣液兩相狀態(tài)進入蒸發(fā)器，隨著兩相流體在

45、蒸發(fā)器內的流動與吸熱，逐漸受熱蒸發(fā)，當接近蒸發(fā)器出口時，一般已經(jīng)完全蒸發(fā)成飽和蒸汽，在后段，由于蒸發(fā)溫度仍比被冷卻介質溫度低，飽和蒸汽仍繼續(xù)吸熱而成為蒸發(fā)壓力下的過熱蒸汽，最后以過熱氣體狀態(tài)離開蒸發(fā)器。制冷裝置中的蒸發(fā)器，按其被冷卻介質的特性，可以分為冷卻液體的蒸發(fā)器及冷卻空氣的蒸發(fā)器兩大類。冷卻空氣的蒸發(fā)器也有多種結構形式，但都是制冷劑在管內蒸發(fā)，空氣在管外被冷卻。蒸發(fā)器的換熱與冷凝器的換熱的差異不僅表現(xiàn)在制冷劑側，還表現(xiàn)在管外側的換熱上。對于冷卻空氣蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)溫度一般都會低于來流空氣的露點溫度，由于既有顯熱交換，又有潛熱交換，也就是所說的析濕現(xiàn)象。4.2.1蒸發(fā)器結構參數(shù)蒸發(fā)器的傳熱

46、量Q=14.1kW，去蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)35，近似認為蒸發(fā)器工質側的吸熱主要為工質的蒸發(fā)相變過程，則蒸發(fā)器進口側工質與空氣傳熱溫差為（空氣溫度為25），蒸發(fā)器出口測工質與空氣的傳熱溫差為（初定出口空氣為16），則蒸發(fā)器中工質與空氣的對數(shù)傳熱溫差32為： （4.13）將上述數(shù)據(jù)帶入蒸發(fā)器面積32公式： 19.5m2 （4.14）式中 蒸發(fā)器的傳熱面積，m2； 蒸發(fā)器的傳熱量，W； 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； 蒸發(fā)器的平均傳熱溫差，； 制冷劑的質量流量，kg/s； 制冷劑的比熱容，kg/(kg·K）； 制冷劑出進蒸發(fā)器的溫度，；翅片管式蒸發(fā)器的翅片管一般由紫銅管套鋁片構

47、成，構成圖如下： 圖4.2 翅片結構示意圖傳熱管選用10×0.7mm的紫銅管，翅片選用=0.2mm的鋁套管片，翅片間距=2.2mm。管束按正三角形叉排排列，垂直于流動方向管間距=25mm，沿流動方向管排數(shù)=419。翅片為平直套片，考慮套片翻邊后的管外徑為：10.4mm （4.15）沿氣流流動方向的管間距為：21.65mm （4.16）沿氣流方向套片的長度：129.9mm （4.17）每米管長翅片的表面積： 0.4148m2 （4.18） 每米管長翅片的管子表面積： 0.0297m2 （4.19） 每米管長的總傳熱外表面積： 0.4445 m2 （4.20) 每米管長光管的外表面積：

48、0.03267 m2 （4.21） 每米管長的內表面積： 0.02702 m2 （4.22） 每米管長平均直徑處的表面積： 0.02984 m2 （4.23） 由以上計算可得： 13.606 （4.24） 計算管長為43.87m2 實際管長為L=43.2 m 蒸發(fā)器取寬為900mm，長為300mm，垂直于氣流方向每排管子數(shù)為12，單管長即為900mm。4.2.2蒸發(fā)器數(shù)學模型 本文采用穩(wěn)態(tài)分布模型模擬翅片式空氣冷卻式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)主要基于以下假設11： （1） 制冷劑與空氣逆流換熱； （2）對于沿管長的每個微元，制冷劑側，空氣側、管壁的物性視為一致，不考慮管壁熱阻； （3）從簡化模型算法的角度出發(fā)，考慮到過熱區(qū)較短且加速度壓降很小，忽略過熱區(qū)壓降。圖4.3 蒸發(fā)器模型示意圖圖4.4 蒸發(fā)器微元示意圖 Ta1、Ta2是進出水溫度，Ha1、Ha2進出水的焓值，Tr1、Hr2是進出工質的溫度，Hr1、Hr2進出工質的焓值。制冷劑側包括兩個相區(qū)：兩相區(qū)和過熱區(qū)，每個相區(qū)可以細分為若