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文獻(xiàn)綜述
題 目 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的簡(jiǎn)單分析
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 (系)
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的簡(jiǎn)單分析
摘要: 從可持續(xù)發(fā)展的立場(chǎng)出發(fā),介紹了發(fā)展太陽(yáng)能熱泵技術(shù)對(duì)節(jié)能與環(huán)保的意義。在回顧現(xiàn)有太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,指出目前存在的問(wèn)題,提出了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案,時(shí)于促進(jìn)太陽(yáng)能熱泵熱水技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有參考價(jià)值。通過(guò)將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和空調(diào)熱泵系統(tǒng)結(jié)合,設(shè)計(jì)出直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)。針對(duì)該新型系統(tǒng)中的熱泵空調(diào)熱水子系統(tǒng)進(jìn)行研究,在標(biāo)準(zhǔn)工況下,分別對(duì)該系統(tǒng)的3種模式下的換熱性能進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更為高效。
關(guān)鍵詞: 吸收式制冷系統(tǒng);太陽(yáng)能集熱器;空調(diào)系統(tǒng);熱泵
Abstract: From the viewpoint of sustainable development,the author explainedth-e important of developing solar energy air conditioning technology in order to save energy and protect environment.After reviewing nowadays status,the auth-or found out the shortcomings and proposed a feasible prototype that paperhangers high reference value in promoting the industrialization of solar energy air-conditioning&hot water technology. The research presents a solar-assisted air-conditioner with water heater in which solar water heater and heat pump air-cohibition-er are combined. The performance of heat pump in the new system is experimentally investigated. The performance of heat pump working at 3 modes under standard condition is measured.
Keyword: Abortion refrigeration system;solar energy collector; air conditioning system; heat pump
引言
太陽(yáng)能是取之不盡, 用之不竭, 可再生的清潔能源。生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水力能等都來(lái)自太陽(yáng)能,廣義地說(shuō),太陽(yáng)能包括以上各種可再生能源。大規(guī)模利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)政府和學(xué)者都十分重視的研究課題。太陽(yáng)能熱水器現(xiàn)已發(fā)展到非常成熟的水平, 它是以獲取生活熱水為目的的。但這種應(yīng)用方式與人們的生活需求正相反, 當(dāng)夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣溫高的時(shí)候, 太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)生的熱水量最大, 而此時(shí)最需要的是空調(diào)降溫而不是熱水, 這使得其熱利用的經(jīng)濟(jì)性不高。充分利用太陽(yáng)能熱水器的成熟技術(shù)與吸收式制冷技術(shù)的良好結(jié)合, 開(kāi)發(fā)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng), 符合人們對(duì)空調(diào)與生活熱水的需求,也使太陽(yáng)能得到更充分合理的利用, 是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一, 具有廣闊的發(fā)展前景。
建立在太陽(yáng)能熱水器基礎(chǔ)上的太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng),可充分利用夏天的太陽(yáng)能,在制冷和供暖的同時(shí)還能提供生活熱水,為用戶減少電費(fèi)支出,節(jié)省購(gòu)買(mǎi)空調(diào)和熱水器而增加的初投資,因而具有較高的經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段,商業(yè)化前景不樂(lè)觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比,太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)初投資過(guò)大,系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。
要使太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng)能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,必須從集熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三個(gè)方面著手,研制新的系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高性價(jià)比。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)想
在目前的情況下,太陽(yáng)能在制冷方面最有可能實(shí)現(xiàn)大型商業(yè)化或小型家庭化的組合是將太陽(yáng)能集熱器和吸收式制冷機(jī)結(jié)合起來(lái),在制冷和供暖的同時(shí)提供生活熱水。為了能充分利用太陽(yáng)能這樣的低品位熱源,國(guó)內(nèi)外在循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)和創(chuàng)新、制冷工質(zhì)對(duì)的選擇等方面開(kāi)展了越來(lái)越活躍的研究。
我認(rèn)為,應(yīng)該研制出一種用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng),因?yàn)閴嚎s機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用在制冷裝置中最為廣泛和成熟的裝置,具有運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制的特點(diǎn)。這樣,系統(tǒng)的制冷溫度的范圍和穩(wěn)定性將會(huì)得到大幅度的改善。而且,用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的系統(tǒng)也將比現(xiàn)有的太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。這樣,太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)才有可能較快地實(shí)用化和商業(yè)化。作者沿用該思路,構(gòu)思出了一種新型的采用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽(yáng)能單效吸收壓縮復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)[6]。
直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的組成
1 系統(tǒng)的工作原理
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,類似的周期反應(yīng)也會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生。
2.2 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的主要構(gòu)建形式
圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù)
名稱 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。
3 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器存在的問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段,商業(yè)化前景并不樂(lè)觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比,太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)初投資過(guò)大,系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,具體有以下幾個(gè)方面[10]:
1) 集熱系統(tǒng)效率比較差,集熱面積過(guò)大,集熱溫度一般不超過(guò)100 0C,難以高效地驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),而且需要龐大的儲(chǔ)熱裝置。
2) 制冷系統(tǒng)一般采用以Liar-Hz0為工質(zhì)對(duì)的雙效或雙級(jí)吸收式系統(tǒng),無(wú)法制取零度以下的溫度,而且系統(tǒng)比較復(fù)雜,初投資很高。
3) 需要輔助熱源,增加了初投資,使系統(tǒng)過(guò)于龐大。
4 可能遇到的困難及解決的途徑
4.1 工質(zhì)對(duì)的選擇及其用量的確定[12]
NH3-LiN03,不需要精餾,是良好的制冷工質(zhì)對(duì)。同NH3-H20相比它可以在低的熱源溫度下工作,即允許在太陽(yáng)能集熱器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度下工作;它還可以在低的蒸發(fā)溫度to=-5-20℃下得到較高的熱力系數(shù)=0.47-0.7。實(shí)驗(yàn)證明,這種工質(zhì)對(duì)可在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)或輔助加熱系統(tǒng)工作,所以作者初步考慮也采用這種工質(zhì)對(duì)來(lái)作為本系統(tǒng)的工質(zhì)對(duì)。
由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合系統(tǒng),其運(yùn)行狀態(tài)可能比較復(fù)雜,吸收式與壓縮式可能單獨(dú)工作,或者同時(shí)工作。為了在每種工作狀態(tài)下都能確保其制冷量的穩(wěn)定,就必須確保工質(zhì)對(duì)的用量在極限工作狀態(tài)下是充足的,具體的用量則需要依靠實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法來(lái)確定。
4.2 壓縮機(jī)的選擇
由于該系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氨,這樣就給壓縮機(jī)的潤(rùn)滑帶來(lái)了困難,因?yàn)榘焙统R?guī)的潤(rùn)滑油不互溶。目前已研制出能溶于氨的合成潤(rùn)滑油,也研制出能耐氨和該種潤(rùn)滑油的鋁導(dǎo)線和絕緣材料。為了擴(kuò)大氨在制冷裝置中的應(yīng)用,當(dāng)務(wù)之急是開(kāi)發(fā)氣體冷卻的半封閉或全封閉壓縮機(jī)。
4.3 自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,可能出現(xiàn)從吸收式,吸收壓縮聯(lián)合式到壓縮式連續(xù)變化的復(fù)雜過(guò)程,其要求的自控系統(tǒng)可能很復(fù)雜。要想系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中能始終保持穩(wěn)定最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài),必須為其設(shè)計(jì)一套好的控制系統(tǒng)。
5 直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)分析
太陽(yáng)能熱水器的經(jīng)濟(jì)性早已為人所熟知,以下僅就太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)作一分析。純粹為了空調(diào)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟(jì)的, 其主要原因是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的投資占了大部分, 而空調(diào)的應(yīng)用只有半年時(shí)間,系統(tǒng)的利用率低。但如果與熱水系統(tǒng)相結(jié)合,由于同樣的投資可以全年充分利用, 就有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
[27]網(wǎng)上資料顯示,以江門(mén)市太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng)為例, 該系統(tǒng)除滿足全年熱水供應(yīng)外, 還可提供600 多m2辦公場(chǎng)所的空調(diào), 100kW 兩級(jí)吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)部分投資30 萬(wàn)元, 較同樣面積常規(guī)空調(diào)投資增加一倍, 以年空調(diào)運(yùn)行4000h、電價(jià)0.50元/ kWh 計(jì), 所增投資不到兩年即能回收。就用戶而言, 如果需用大量的熱水, 并利用夏季多余的太陽(yáng)能制冷供空調(diào), 那么采用太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng)是很好的選擇,經(jīng)濟(jì)效益較好。
單純的太陽(yáng)能制冷空調(diào)系統(tǒng)由于要用較多的集熱器面積,往往初投資較大,改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的途徑就是提高太陽(yáng)能集熱器的利用率,如冬季用于建筑采暖、全年供應(yīng)熱水,夏季空調(diào)等。采暖、熱水供應(yīng)與強(qiáng)化自然通風(fēng)復(fù)合能量利用系統(tǒng),特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能全年高效利用。冬季利用集熱器產(chǎn)生的40℃以上的熱水通過(guò)地板輻射采暖末端進(jìn)行供暖,夏季利用60℃以上的熱水驅(qū)動(dòng)吸附制冷機(jī)進(jìn)行空調(diào)降溫,全年供應(yīng)熱水,過(guò)渡季節(jié)利用太陽(yáng)能加熱強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境。該項(xiàng)目入選了國(guó)際Wisions可再生能源推廣計(jì)劃。復(fù)合能量系統(tǒng)技術(shù)被認(rèn)為是建筑結(jié)合規(guī)?;?、低成本利用太陽(yáng)能的重要方向。
6.結(jié)論
總的來(lái)看,太陽(yáng)能集熱轉(zhuǎn)換及與之匹配的制冷空調(diào)方式和蓄能方式有機(jī)結(jié)合是未來(lái)太陽(yáng)能制冷空調(diào)技術(shù)進(jìn)一步高效化、低成本、規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵所在,也是將來(lái)一段時(shí)間太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。
目前太陽(yáng)能空調(diào)主要依靠太陽(yáng)的熱能進(jìn)行制冷,與純粹利用電能為動(dòng)力的壓縮式制冷系統(tǒng)相比,可以明顯地降低電耗。但太陽(yáng)能集熱器采光面積與空調(diào)建筑面積的配比受到限制,目前只適用于層數(shù)不多的建筑。隨著太陽(yáng)能集熱器及制冷機(jī)的工藝制造和工質(zhì)等技術(shù)不斷改進(jìn),太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用將得到廣泛的推廣。它的應(yīng)用意義在于保護(hù)自然環(huán)境,節(jié)約常規(guī)能源。隨著能源政策對(duì)清潔能源的傾斜,太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的前景將無(wú)限美好[30]。
由于太陽(yáng)能的密度低、不穩(wěn)定、非連續(xù), 使如何開(kāi)發(fā)戶式新型太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用的關(guān)鍵。目前, 要實(shí)現(xiàn)其商品化生產(chǎn), 還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。但是, 隨著技術(shù)的革新以及人們節(jié)能與環(huán)保觀念的增強(qiáng), 戶式太陽(yáng)能空調(diào)熱水系統(tǒng)必將有更廣闊的發(fā)展空間。
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