直膨式太阳能热泵系统是将制冷剂作为集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发,然后通过热泵循环在冷凝器中释放冷凝热用来供热、制取生活热水等.由于直膨式太阳能热泵系统具有清洁、高效、集热系数高、集热成本低、极具小型化和商品化潜力等优点,其相关研究引起了国内外学者的广泛关注.

1955年,美国Sporn等通过实验研究提出了“直膨式太阳能热泵”的概念.研究表明,直膨式集热结构可同时提高热泵机组和太阳能集热/蒸发器的性能^[l].1958年,日本的柳丁政之助设计并建造了典型的双槽式太阳能辅助热泵供(冷)暖系统——柳丁太阳房Ⅱ号^[2],虽在技术上是比较先进的,但存在经济性问题.1977年,Franklin等开发出一种直膨式太阳能辅助热泵系统.实验发现,在相同环境条件下,直膨式太阳能辅助热泵系统的性能与常规的太阳能直接采暖系统相比有显著提高^[3].1979年,Chaturvedi等对直膨式太阳能辅助热泵在饱和稳定工况下的性能进行了初步的理论研究^[4].20世纪80年代以后,国内许多学者对直膨式太阳能热泵系统的结构、热力性能、工质特性、运行控制、计算机模拟和经济性分析等多方面进行了研究,并取得一定成果.

本文将从影响直膨式太阳能热泵系统的内部参数和外部参数等方面对相关研究进行总结分析并提出优化方法.

压缩机、太阳能集热/蒸发器、冷凝器、膨胀阀是构成直膨式太阳能热泵系统的四大部件.其中,太阳能集热/蒸发器、冷凝器结构参数和压缩机容量(运行频率)是影响系统性能的主要内部参数.

太阳能集热/蒸发器是直膨式太阳能热泵系统的吸热部件,其吸热能力直接影响系统性能.上海交通大学、上海理工大学、山东科技大学等高校和众多学者^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}通过建立太阳能集热/蒸发器的动态分布参数模型和搭建试验台分析了太阳能集热/蒸发器结构参数对系统性能的影响规律.

太阳能集热/蒸发器类型会对集热板表面温度、管内制冷剂压降、流量等产生影响,进而影响系统性能系数COP.太阳能集热/蒸发板与空气存在对流和辐射换热,保温层和透明盖板可减少集热/蒸发板表面及背部与空气的换热,降低热损失.刘立平等^[10]模拟了三种不同类型的集热/蒸发器对系统COP的影响,结果如图 1所示.可看出,集热/蒸发器背部保温与否对系统COP的影响不大,背部保温的集热/蒸发器所在系统的COP略高于无保温结构的系统.相比之下,顶部装透明盖板,背面进行保温处理的集热/蒸发器所在系统的COP明显高于其它两个系统,系统COP提高了约12%.

图 1

Fig. 1

图 1 集热器类型对系统COP的影响Fig. 1 Effect of collector type on system COP

集热面积增加,太阳能集热/蒸发器的吸热量增加,则制冷剂的蒸发温度升高;同时,蒸发温度的提高会增大集热/蒸发器的散热损失.上海交通大学旷玉辉^[5]经模拟研究发现,在保持集热/蒸发管的直径和管间距不变的情况下,增加太阳能集热器面积可提高系统COP,但降低了集热效率η_coll,同时增加了集热成本.

李振兴^[13]在系统其它结构参数不变的前提下,模拟了集热板厚度对太阳能热泵系统性能的影响.模拟结果发现,集热板厚度由0.5 mm增至4 mm的过程中,系统平均供热性能系数COP由4.752增至4.761,太阳能集热器集热效率η_coll由1.127增至1.132.可见,集热板厚度对系统性能的影响不大,应在满足设计和安装条件下尽量减小集热板厚度,以减少初投资.

孙振华^[7]在保持集热面积不变的情况下,将铝板热轧吹涨式集热/蒸发器更换为铜翅片管板式集热/蒸发器,并进行了对比实验.两种不同的集热/蒸发器结构如图 2所示,实验结果如图 3所示.在太阳辐照度变化不大的情况下,运行过程中压力损失明显减小.

图 2

Fig. 2

图 2 太阳能集热板结构示意图 Fig. 2 Schematic of the solar collector/evaporator

图 3

Fig. 3

图 3 更换集热板前、后的制冷剂压降 Fig. 3 Pressure drop of refrigerant before and after replacement of evaporators

冷凝器是直膨式太阳能热泵系统的能量输出部件,用于供暖或加热生活热水.在满足系统压降的前提下,增加冷凝器面积,可降低冷凝器出口的制冷剂焓值,即增大了冷凝器换热量,导致COP、集热效率升高,加热时间减少,压缩机耗功降低.李振兴^[13]通过模拟发现,沉浸式冷凝盘管的长度由20 m逐步增加至80 m,系统平均COP由3.99增至5.05,太阳能集热器平均集热效率η_coll由1.08 增至1.15,热水加热时间τ_h由144 min降至140 min,压缩机耗功W_comp由1.50 kWh降至1.19 kWh.可见,增加冷凝器的有效换热面积,可对冷凝器的换热效果起到一定的强化作用.

压缩机为制冷剂热力循环提供动力,其容量大小决定了运行时系统内部的制冷剂质量流量的大小,影响系统性能.Chaturvedi等^[14]和Hawlader等^[15]分别研究了压缩机变容量调节对系统性能的影响,结果如图 4所示.对压缩机进行变容量调节后,直膨式太阳能热泵系统的性能系数会显著提高.环境温度为12 ℃时,将压缩机频率从50 Hz降低至30 Hz,系统COP提高了约12%;环境温度为20 ℃时,将压缩机频率从50 Hz降低到30 Hz,系统制热性能系数提高约50%.

图 4

Fig. 4

图 4 不同环境温度下压缩机变频调节对直膨式太阳能热泵系统热性能的影响 Fig. 4 Effect of frequency conversion adjustment on the performance of the direct-expansion solar-assisted heat pump system at different ambient temperatures

直膨式太阳能热泵系统的结构确定后,其性能完全取决于系统的运行环境条件——外部参数.通过分析系统在外部参数发生变化时的性能,可对系统结构参数作进一步的优化和改进.

太阳辐射能是制冷剂蒸发的主要热源,太阳辐照度会直接影响制冷剂的蒸发温度,进而影响到整个热泵循环的性能.理论研究表明,随着太阳辐照度的增大,系统COP和热水加热功率Q_h几乎呈线性上升,W_comp略有增加,τ_h减小,热泵循环性能得到提高.旷玉辉^[5]就太阳能辐射强度对系统性能影响的模拟结果如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 太阳能辐射强度对系统性能的影响Fig. 5 Effect of solar radiation intensity on system performance

环境温度升高,系统各性能指标都得到了一定的改善.其中COP上升,集热器集热功率Q_c和热水加热功率Q_h均增大;τ_h下降;W_comp变化较小.这是由于集热/蒸发板与周围空气通过对流换热吸收热量,且环境温度越高,集热/蒸发板从空气中吸收热量就越多.这在一定程度上弥补了太阳能的不足,使得η_coll增大.因此,环境温度的升高对系统性能的改善是十分有利的.旷玉辉^[5]就环境温度对系统性能影响的模拟结果如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 环境温度对系统性能的影响 Fig. 6 Effect of ambient temperature on system performance

初始水温升高,压缩机耗电量减少,集热效率变化不大,而达到设定温度所需要的热水加热时间几乎呈线性减少,系统平均COP因冷凝效果变差而逐渐降低.李振兴^[13]通过模拟发现,初始水温T_w由5 ℃增至30 ℃的过程中,系统平均COP由5.39降至4.07,η_coll由1.17降至1.08,τ_h由183 min降至84 min,W_comp由1.46 kWh降至0.86 kWh.在模拟工况下,初始水温平均每升高5 ℃,热水加热耗时平均减少10 min左右.

室外风速对系统性能的影响则取决于集热/蒸发板温度与环境温度差值的正负,即当集热/蒸发板温度高于环境温度时,室外风速增大,集热/蒸发板面与周围空气之间的对流换热系数增大,导致集热/蒸发板散热损失增大,系统性能下降;反之,集热/蒸发板从空气中吸收更多的热量,使系统性能得到改善.

近年来直膨式太阳能热泵取得了飞速发展,但是系统初投资普遍较高.存在集热效率低、系统容量匹配性差等问题,需要进一步改善和提高.通过对直膨式太阳能热泵系统性能影响因素的分析,认为应从以下几方面加以优化:

(1) 建立更加完善的动态仿真模型

增加集热面积和冷凝器面积都可以提高直膨式太阳能热泵系统性能.但集热面积过大,导致压缩机吸气过热度过大,制冷剂质量流量减少,从而压缩机功耗损失增大,将对热泵循环及系统性能产生不利影响;过大的冷凝器面积,使制冷剂充注量相对不足,系统性能下降,热水加热时间增大.同时两者都会大幅增加系统的制造成本.因此,需要建立更加完善的动态仿真模型,从技术性能和经济性能两个方面考虑,确定最佳的集热面积和冷凝器面积,在提高系统性能的基础上减少初投资.

(2) 优化太阳能集热/蒸发板结构

进行合理的管路设计,降低集热/蒸发板压降;采用导热性能好、易加工的铜铝材料相结合方式制作导热性能强、造价低的集热/蒸发器;适当增加集热/蒸发板上的制冷剂流程数,改善太阳能集热/蒸发器的集热性能和系统整体循环性能;减小集热板厚度,对于系统性能影响不大,但可有效减少制作材料、降低成本;在集热/蒸发板面上增加一些强化对流换热的设计,可减小边界对流热阻、增大有效传热面积,强化对流换热.

(3) 研发和使用可控面积的太阳能集热/蒸发器

设计直膨式太阳能热泵系统时,太阳能集热/蒸发器的面积是指在最不利工况下,系统可以稳定运行的最小面积.当太阳辐照强度大时会导致从集热板出来的制冷剂过热度过高,压缩机功耗增加,COP下降,严重时会导致停机.为保证系统始终在最优工况下稳定可靠运行,可以研发并使用可控面积的太阳能集热器.

(4) 太阳辐照度较高时开启机器

有效能分析法可以确定过程的有效能损失和有效能效率,并揭示能量损耗的大小、部位和原因.墨西哥的Torres等^[16]通过对直膨式太阳能热泵系统进行有效能分析发现,太阳辐照度越大,集热板的有效能损失越小.所以可以控制系统在太阳辐照度较高时开启机器以提高有效能效率.

(5) 采用电子膨胀阀和变频式压缩机

太阳能集热/蒸发板确定的前提下,保持压缩机和太阳集热板在工况变化时的容量匹配,可减小压比、提高蒸发温度,有效降低这两个部件的有效能损失.建议采用变频压缩机和电子膨胀阀的联合控制.电子膨胀阀控制制冷剂流量,使压缩机容量随蒸发压力的改变而改变.

(6) 与蓄热相结合

太阳辐照强度是不稳定的,存在波动性,会导致系统运行不稳定.夜间是使用生活用水量较大的时间段,而太阳辐照强度在白天较高,供需存在时间差.所以直膨式太阳能热泵系统应与蓄热相结合,以提高系统稳定性和能量利用率.

(7) 控制过热度

压缩机吸气的过热度对排气温度、其它循环特性指标、系统的安全性和经济性都有重要影响,所以应加强对过热度的控制.可以建立准确反映热泵系统运行过程中过热度变化的动态仿真数学模型,确定合适的过热度控制参数,并结合试验进行系统优化.

直膨式太阳能热泵系统性能的影响因素很多.太阳能集热/蒸发器结构和类型、冷凝器结构和类型、压缩机容量、太阳辐照度、环境温度和风速、初始水温等都会影响系统性能.通过建立更加完善的动态仿真模型、优化太阳能集热/蒸发板结构、使用可控面积的太阳能集热/蒸发器、太阳辐照度较高时开启机器、采用电子膨胀阀和变频式压缩机、与蓄热相结合、控制过热度等策略可以提高系统性能和能量利用率.