235-复合热源热泵热水器变工况运行控制分析.pdfVIP

复合热源热泵热水器变工况运行控制分析 * 赵伟强，李舒宏 ，方雷，张小松 东南大学能源与环境学院 摘 要：为了对复合热源热泵热水器进行变工况运行特性分析，采用变频压缩机与电子 膨胀阀，搭建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器（DX-SASHPWH）实验装置，建立了 系统数学模型，并在相同工况下进行模拟计算和实验验证，比较发现，模拟结果与实验结果 吻合良好。利用验证过的数学模型进一步分析了环境温度、太阳辐射强度和压缩机频率对系 统性能的影响，并制定了压缩机变频控制策略，给出了不同工况下的推荐频率和加热时间， 可以为用户提供变工况运行控制指导。利用南京地区典型年气象参数，对系统在不同模式下 的全年逐月运行特性进行了模拟计算并作对比分析。结果表明，相比定容量模式，系统在变 容量模式下的耗电量全年平均下降 29.73%，全年能源消耗效率增长 37.29%，节能效果显著。 关键词：直膨式热泵；太阳能；复合热源；热泵热水器；变工况 0 引言 直膨式太阳能热泵热水器将太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一，结构简单，集热效率 高，更具有小型化和实用化发展潜力 [1] ，因而深受国内外研究学者的关注，他们主要从集热 /蒸发器的结构优化 [2,3]、环境参数和运行参数对系统性能的影响 [4-7] 、制冷剂的选择 [8-10]等 方面对其进行了大量的理论研究和实验研究并取得了一定的研究成果。但常规直膨式太阳能 热泵热水器在太阳辐射不足时难以满足生活热水供应需求。李舒宏、徐国英等 [11-13]提出了 一种新型太阳能-空气复合热源热泵热水器，并对系统的运行模式与特性进行了模拟研究和 实验研究。这种新型热水器，将直膨式太阳能热泵与空气源热泵相结合，在太阳辐射不足时， 可同时吸收空气中的热量，使得系统能稳定高效地运行。 当环境温度和太阳辐射强度剧烈变化时，系统将严重偏离设计工况运行，系统性能将急 剧下降。而变频压缩机的应用可以保持变环境工况下集热/蒸发器与压缩机之间的容量匹配 [14] 。李郁武、孙振华等 [1,15]也对采用变频压缩机的直膨式太阳能热泵全年运行的工作性能 进行了数值仿真计算，制定了系统全年运行的变频策略，以保证系统维持较高的性能系数。 但由于结构型式的不同，常规的太阳能热泵的控制方式不能完全适用于 DX-SASHPWH 系 统，因此有必要对其变工况运行控制进行进一步的研究。为此，本文搭建了采用变频压缩机 和电子膨胀阀的 DX-SASHPWH 实验装置，并建立相应的数学模型，分析不同工况下系统 的变频运行特性，制定出变频运行策略，为系统变工况运行控制提供参考。 1 实验系统介绍 1.1 实验装置与原理简介 DX-SASHPWH 实验系统以及主要的温度、压力和功率测点布置示意图如图 1 所示。该 实验装置各主要部件具体参数见表 1。其中膨胀阀采用MEMS 电子膨胀阀（MSEV ，Modular Silicon Expansion Valve），该电子膨胀阀采用MEMS 技术（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统），通过与过热度控制器的配合，可实现快速、精准的过热度控制。 变频压缩机配有变频器，可在控制面板直接调整运行频率以改变压缩机转速，从而实现流量 的控制调节。 蓄热水箱 T1 P1 膨胀阀 T T g 1 g2 T4 P4 集热/蒸发器 T g4 T