太阳能和空调热水一体机供热系统耦合特性及节能实验研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 9.6MB 88 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 课题提出的背景
能源和环境问题己经成为当今社会最受关注的焦点问题之一。随着世界人口
和经济的迅速增长，人的生存质量不断提高，能源消耗急剧增加，伴随着能源的
巨大消耗，大量未经处理的废物排放到环境中，导致环境污染日益严重。有限的
能源经受不住巨大消耗，引发世界范围内的能源危机。
§1.1.1 建筑能耗问题
建筑能耗作为社会总能耗的重要组成部分，在不同发展状况的国家和地区，
它在社会总能耗中的份额不同。据统计，西方的发达国家建筑能耗占中国总能耗
的30%～40%，而中国的建筑能耗占总能耗的 27.6%。在建筑能耗中，采暖、制
冷、空调和热水约占 75%，而且随着人们对居住环境质量要求的不断提高，这一
比例也会随之上升[1]。因此，在建筑物中采用高效节能的空调供热方式对缓解目
前能源紧张和环境污染问题具有重要意义。
太阳能作为一种无污染、取之不尽、用之不竭的洁净能源，在能源问题日益
严峻的今天，太阳能的利用得到了越来越广泛的重视。太阳能用于建筑采暖、空
调等方面对于缓解目前能源紧张的局面具有重要意义。世界各国将发展太阳能作
为一项重要的能源政策，积极鼓励利用太阳能。自1990年来，世界太阳能市场年
增长16%，而同期石油市场增长速度仅有1.4%，即以太阳能业以10倍于石油业的年
增长速度发展[2]。
我国是一个太阳能资源十分丰富的国家。我国地处北半球，幅员广大，大部
分地区位于北纬45°以南。我国各地区太阳辐射量相差很大，大致在3348 ～
8371MJ/m2·a之间，平均5860MJ/m2·a，年日照小时2000～3000小时[3]。太阳能
的热利用技术经过多年的发展，已成为太阳能利用技术中最成熟、应用最广泛、
产业化发展最快的领域。在太阳能较丰富的地区要积极推广太阳能利用，减少我
国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗，从而实现建筑节能的
目的。太阳能热利用已纳入国家建筑节能的范畴[4]。
§1.1.2 城市的热环境问题
城市是人口、商业、工业、交通高度集中的区域，由于人的活动和工业生产
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排放出大量的热量，使城市气温比周围郊区气温高，这种现象被称为城市的热岛
(Heat island)。热岛形成的原因有很多，其中 CO2等温室气体的大量排放是形成
热岛效应的主要原因之一。空调、热水器等设备的普及使得电能的需求量越来越
大，而在我国大多是采用火力发电，这直接导致了温室气体的排放。同时，大量
的空调冷凝热直接或间接地排放至大气中也是形成热岛效应的原因之一。另外，
空气温度的升高恶化了空调的运行条件，使空调 COP 下降、运行效率低下，于是，
为维持人类舒适条件，就需要更长时间、更大负荷的空调运行，就需要更多的消
耗电能，同时会排放出更多的冷凝热，造成恶性循环[5]。所以，各国学者纷纷积
极投入到减小热岛效应的研究，其中，空调系统冷凝热的回收引起了空调行业学
者的高度重视。
§1.1.3 太阳能－空气双热源空调热水一体机的提出
近年来，我国家用空调在城市中日益普及，家用空调拥有率以惊人的速度增
长。同时，随着生活水平的不断提高，人们对生活热水的需求越来越大，用于加
热生活用水的一次能耗也越来越大。家用空调的大量使用，大量冷凝热直接排入
大气，白白散失掉，造成较大的能源浪费，这些热量的散发又使周围环境温度升
高，造成严重的环境热污染，使城市及街区的“热岛效应”进一步加剧。同时，
又要消耗一定量的高品位能(电、燃气等)来制备生活热水。显然，常规家用空调
系统和常规热水系统的分别用能方式，从有效利用能量的角度来说不尽合理，亦
不符合我国可持续发展战略的基本要求[6]。
家用空调冷凝热回收用于热水供应系统不仅减少了冷凝热对环境造成的热污
染，而且将空调中的冷凝热量予以回收用于室内生活热水供应，能够节约大量的
一次能源，而且还能保护环境，可谓一举两得。所以对家用空调系统的冷凝热进
行回收利用意义重大。
但家用空调通常为空气源热泵，其在实际应用中存在着一定的问题，当冬天
的大气温度很低时，热泵系统的效率很低甚至不能启动。由于热泵系统蒸发温度
高时效率高，所以可以考虑采用太阳能加热系统作为热泵系统的热源，来设计太
阳能－空气双热源空调热水一体机。当太阳辐射强度足够大时，生活用热水可以
直接由太阳能制取；当太阳辐射强度小时，可启动热泵制取热水；同时冬季气温
低时，太阳能加热系统作为热泵系统的低温热源可实现给房间制热的目的。太阳
能加热系统和热泵系统的结合利用，既克服了太阳能加热系统的问题，又解决了
热泵系统冬季效率低的问题[7]。
综合考虑以上情况，人们提出了太阳能－空气双热源空调热水一体机。将太
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阳能与热泵结合，解决了太阳能与热泵冬季不能满足热水需要的问题，全天候运
行，充分利用太阳能资源，节约运行费用，因此，进一步研究和开发太阳能空调
热水一体机并使之能被广泛应用于社会将具有较高的社会和经济效益。
§1.2 国内外研究现状
目前国内外专家学者大多是分别对太阳能热泵热水系统和空调冷凝热回收进
行独立地研究，而将两者结合起来的研究则比较少。故下面着重介绍目前国内外
对于太阳能热泵热水系统和空调冷凝热回收两方面的研究现状。
§1.2.1 关于太阳能热泵热水系统的国内外研究现状
国外对太阳能热泵(SAHP)的研究始于 20 世纪 50 年代初，太阳能热利用的
先驱者 Jodan 和Therkeld 就指出了太阳能热泵的优越性，即可同时提高太阳集热
器效率和热泵系统性能。1979 年，美国 Wisconsin-Madison 大学的 Freema 和
Mitchell 对SAHP 系统进行了模拟分析[8]，并比较了各种 SAHP 系统的性能[9]。加
拿大 Chandrashekar 等人[10]根据加拿大七个代表性城市的天气资料，对多种不同
结构型式的 SAHP 系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。Lu Aye 等[11]对传
统太阳能热水系统、空气源热泵系统、太阳能热泵系统三种不同类型的系统在澳
大利亚不同城市进行了性能比较及经济性分析，指出是否采用太阳能热泵热水系
统很大程度上取决于当地的环境。
台湾的 Huang B.J.和 Chyng J.P.等在 1999 年首先提出整体式太阳能热泵热
水系统概念[12]，把热泵和太阳集热器及冷凝水箱合并成一个单元。该系统最大的
特点是：通过对系统中制冷循环的有效设计，使得蒸发温度低于环境温度，集热
器不仅可以吸收太阳辐射，同时可以吸收环境中的热量，即获得了双热源[13]。
2006 年，
Xu G.Y.等设计了一种适合于家庭使用的新型太阳能－空气复合热
源热泵热水系统[14]。该装置通过一个螺旋翅片蒸发管的平板型集热/蒸发器，来实
现系统同时或交替地使用太阳能和空气两种热源。
针对系统容量匹配问题，国内外也对此进行了分析研究。2001 年，Hawlader
等建立了太阳能热泵热水系统实验台[15]，在新加坡当地的气候条件下，当水箱水
温为 30～50℃时，集热器效率大约为 40%～75%，系统 COP 值为 4～9。模拟结
果得出该系统的性能主要受集热器面积、太阳辐射以及压缩机转速等因素的影响。
2003 年，Kuang Y.H.等模拟分析了太阳辐射、环境温度、集热面积及水箱
容积等因素对直膨式太阳能热泵热水系统性能的影响[16]。为减小系统不匹配导致
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系统性能下降，提出采用变频压缩机和电子膨胀阀，模拟结果显示即使在冬天环
境温度较低和太阳辐射较弱的情况下，COP 值仍在 2.5以上。研究还表明，系统
单位集热面积所匹配的水箱容积约为 75～125L。
我国对太阳能热泵的研究起步较晚，有关文献和报道均在十几年内。1998 年，
刘立平、赵军等[17]人设计了一种直接膨胀式太阳能热泵，在该装置中，裸露平板
太阳集热器同时也用作热泵蒸发器；该系统在夏季环境温度为 5～27.5℃之间的
晴天，集热/蒸发温度范围为 15～25℃，冷凝温度为 35～55℃的工况下，热泵的
性能系数达到了 2.55～3.35，太阳集热器效率在 50%～70%之间。
上海交通大学旷玉辉等[18]建立了直膨式太阳能热泵热水器实验样机，同样采
用裸露平板太阳集热器作为蒸发器，热泵平均 COP 为4.18，得到了热水温度、
集热/蒸发板温度、热水加热功率及热泵 COP 随太阳辐射强度及运行时间的变化
规律，提出了热泵 COP 的改善措施。
于立强等对串联式(非直膨式)太阳能热泵供暖系统进行了实验研究[19] ，采
用单层盖板的平板集热器。结果表明只靠集热器保证不了蒸发器连续得热，必须
还得依靠蓄热水箱和室外管道从室外空气取得热量，不保温的室内管道和水箱从
室内空气获得更多热量，蓄热器的作用就是保证均衡不断地向热泵供热。
广州能源所对于北京月坛奥运会游泳馆首次提出太阳能－热泵中央热水系统
的解决方案，以太阳能直接辐射能量和空气中所储存的太阳能为主要热源，辅以
少量的电能驱动双热源热泵。一方面减少了太阳能热水系统的总投资，另一方面
解决了阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率，做到全
年、全天候供应热水[20]。
§1.2.2 关于空调冷凝热回收的国内外研究现状
国外在大型空调系统的冷凝热回收方面研究比较早，目前在世界上已经有较
为成熟的热回收冷水机组。早在 1951 年，西德莱茵威斯特代利亚电力股份公司和
舒尔特·林德公司一起研制一台具有蓄热装置的中央热水机组，每日可将 300 升
的水从 10℃加热到 50℃[21]。在 1980 年，美国 Carrier 公司就有冷凝热回收系统的
工程指导[22]。1990 年，一家佛罗里达州的美国公司制造了一种废热利用系统，使
用空调器中的冷凝热来加热热水[23]。到现在为止，国外己有相关产品投入生产，
约克公司的离心式热回收机组和特灵公司的压缩式热回收冷水机组己能有效地回
收冷凝热[24]。由于在大型空调制冷系统上成功地运用了冷凝热回收技术，人们开
始把注意力转移到小型空调系统上的冷凝热回收上，开展了一些研究工作，并取
得了一定的进展。在国外，研究的重点主要集中在冷凝热回收技术在小型制冷空
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调装置上运用的可行性认证、对系统性能的影响以及经济性评价等方面。在 20
世纪 50 年代，英国已有向地下室或食品储藏室提供局部冷却并提供家庭生活热水
的小型装置出售，该装置是以冷藏柜的冷凝热作为热源的小型家用热泵热水器
[25]，但由于性能差而没有得到广泛运用。在 1965 年，Healy 和Wetherington 提出
了对于居住建筑空调冷凝热作为免费的热源进行热水供应的可行性，随后用实验
装置验证了他们的计算结果，发现热回收系统平均每年可节约 70%的热水供应量，
在5月到 10 月之间可节约 90%的热水供应能量[26]。1977 年， Mason 等人在对一
个有代表性的家庭进行了热回收系统的研究，结果显示，不管家用空调器是以 8
小时还是 6小时工作，所回收的热量均可满足家用热水量的需求。而对于小型空
调装置冷凝热回收进行实验研究有代表性的是新加坡南洋理工大学的
W.M.Ying[27]，他对家用空调冷凝热的回收技术作了实验研究，将房间空调器的
冷凝热用来加热生活热水。从实验效果来看，通过回收冷凝热对空调器的性能影
响并不大，而空调器本身的 COP 有了较大的提高。
人们在研究冷凝热回收系统性能的基础上，对小型空调制冷装置冷凝热回收
的经济性评价也作了一定的研究。美国的 R.L.Douglas.Cane[28]等人，对工业中的
热回收热泵的可行性进行了实验研究，其结果表明只要回收年限在 5年以内，那
么这种工业中的热回收式热泵将具有很好的经济价值。同时也指出，回收废热时
间越长，那么这种热泵的回收年限越短，经济价值就越高。M.Olszewski 以及
M.Perlman 对于热回收用于加热生活热水热泵也进行了经济可行性分析和评价，
从中也指出了这种热泵的节能潜力很大以及在经济上是可行的。除了取决于设备
本身的较好设计外，还取决于它所使用的地方和具体的使用情况，同时也指出若
回收年限在 7年以上，经济价值不是很大，但对于传统的用电来加热生活热水来
说可以节约大量的一次能源[29-30]。
在我国，尽管余热回收利用技术的发展起步较早，但发展较为缓慢，尤其是
在小型制冷空调装置冷凝热回收方面。早在20世纪60年代原哈尔滨建筑工程学院
与哈尔滨空调机厂联合研制成功的LHR20恒温恒湿机设置了风冷冷凝器回收制冷
机中的冷凝废热，用于空气处理过程的二次加热，从而取代了传统的电加热器，
达到了节能的目的[31]。但此后的研究就比较少，直到80年代末，才开始了一些小
型空调装置冷凝热回收方面的研究。
1989年，原哈尔滨建筑大学对带热水供应的节能型冷藏柜流程进行了实验研
究，对常规系统和两种节能流程系统进行了对比，确定了最佳的节能流程；同时
还得出了热水供应量在不同的冷藏负荷、环境温度和热水出水温度下的变化规律
以及系统耗电量等情况[32]。
太阳能和空调热水一体机供热系统耦合特性及节能实验研究
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1991年，西安交通大学王军等提出在旅游宾馆中，利用串级热泵回收制冷机
冷凝热，使热水供应温度提升到65℃左右，拓宽了对冷凝热回收利用的范围。其
运行方案分冬、夏两季：夏季两台制冷机串联运行，第一级制冷机的冷凝热量一
部分传入第二级制冷机的蒸发器，用于供热，一部分通过冷却系统排除室外；冬
季第一级制冷机的蒸发器与室外空气-水换热器藕合，冷凝热量全部用于第二级制
冷机供热用[33]。
2000年，余颖俊等提出利用两台制冷机组串联运行，第二级制冷机的蒸发器
串接在第一级制冷机的冷凝器上，按热泵模式运行。该系统可在单冷及冷、热联
供条件下工作，具有便于调节的特点，由于串级热泵的升温作用，使得低品位制
冷机冷凝热回收利用的前景变得更加广阔[34]。
2002 年，清华大学的石文星、绍广泉等人提出了夏季空调通过回收冷凝热来
加热生活热水且能全年运行的热泵系统[35]，该系统中增加了一个预热器、一个再
热器、热水泵和一个容积式水箱，增加的设备较多且系统比较复杂，控制复杂且
设备投资加大。从目前情况来看，对于一般的家庭消费者来说很难接受这种产品。
2003 年 ，中国科学技术大学的季杰等人建立了空调－热水器一体机实验台，
对其在制冷兼制热水模式下的运行工况做了数值模拟和实验分析。结果表明一体
机节能效果明显，制冷制热水同时运行时，其系统能效比可达到 3.5[36]。对单独
制热水模式下的运行工况做了数值模拟和实验分析。结果表明，该设备具有明显
的节能效果，但系统的功率和 COP 随水温的升高而下降;该设备对压缩机在冷凝
温度、压缩比、出口温度等方面都比普通的空调器要求高[37]。2003 年7月，哈尔
滨工业大学江辉民做了以《带热水供应的节能型空调器的实验研究》为题目的硕
士论文[24]。他的实验系统有风冷和水冷两个冷凝器，套管式换热器同时也是一个
储水箱，制冷剂管路经过储水箱，把热量排放到水中。可以单独运行水冷，也可
以水冷在前风冷在后串联运行。实验结果表明单独水冷运行时，水温升高不到
25℃时，容积式水加热器的冷却能力下降到不能完全冷却所有的冷凝热量，需要
开风冷冷凝器辅助散热。串联运行稳定后，机组 COP 为2.2左右。
2004 年，中国科学技术大学的陈则韶等人[38]研制出了“一种四季节能冷暖空
调热水三用机”，与之前的空调－热水器一体机不同的是，该设备采用水冷式冷凝
器与空气冷却式冷凝器并联的形式连接。通过制冷剂的切换阀和节流机构进行模
式转换，使系统可以分别在只有水冷式冷凝器或只有空气冷却式冷凝器的简单而
独立回路中运行。实验表明，该设备有明显的节能效果，与电热水器相比，夏季
制冷兼制热水时可以回收全部凝结热免费制热水，并有增加制冷量的效果，综合
能量利用系数在 6.0以上，春秋季制热水时 COP 一般在 3.0以上，冬季也在 2.4
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以上，年均节电 70%以上。
综合以上国内外对于太阳能热泵和空调冷凝热回收的研究现状，我们可以看
到国内外已经在这两方面做了大量的工作，但将两者真正结合在一起的研究可以
说较少。
东南大学的李舒宏等[39]对太阳能－空气双热源空调热水一体机进行了初步
的研究。他们研制了将空调冷凝热回收与太阳能热水器结合的多功能热泵空调热
水器装置，使用集成的太阳能热泵热水空调可以通过一套系统实现多种用途，合
理地利用太阳能和热泵的优势生产热水，同时也可以实现制冷。作者对此一体化
装置在热泵制热水模式下的运行工况进行了实验研究，能效比最大可达到 3.85，
平均在 3.0以上，并在此基础上作出了能耗分析，从节能和节约费用角度看，这
种装置大大优于其他的热水装置。
2006 年，北京科技大学的王巧丽研制了双热源空调热水一体机的试验装置[7]，
此系统将太阳能热水器和热泵空调结合起来，可以制冷、制热、一年四季提供生
活热水。冬季室外温度低时，用太阳能加热后的水作为热泵的低温热源，可以提
高热泵的效率。作者着重分析了冬季制热的实验研究，分别用空气源蒸发器和水
源蒸发器独立工作使系统给房间制热，实验结果发现水源蒸发器工作时系统的
COP 平均值为 3.56，空气源蒸发器工作时的 COP 平均值为 2.51。
但相关的研究还比较少，基本都是单一地利用太阳能热泵供热水或者利用空
调冷凝热制取热水，联合利用太阳能和空调冷凝热来制取热水并同时具有空调功
能的装置较少看到。
目前为止，市场上已有家用和商用空调热水一体机的产品逐步问世，如广东
美的、北京西冷、北京索兰、长沙科神、山东贝尔、山东山鹰集团等公司生产的
热回收型空调热水一体机等[40]。尽管如此，由于该产品技术尚未成熟，在市场上
仍缺乏竞争力。另外，由于系统控制过程复杂，使得初投资较高，不能被人们广
泛地接受。至于太阳能－空气双热源空调热水一体机的产品在市场上则还处于真
空状态。因此，本人对此系统进行了较深入的研究，在对现有的空调热水一体机
进行改进的基础上，联合利用太阳能来制取热水，力争用最少的投资、简便的控
制程序来充分利用太阳能和空调冷凝热以达到制冷、制热水及供暖的目的，分析
太阳能和空调热水一体机供热系统的耦合特性。
§1.2.3 本课题研究的主要内容
基于该领域目前国内外的研究现状可以看出，开发出一种集太阳能－空调－
热泵－热水器为一体的多功能太阳能空调热水一体机将成为社会与技术发展的一
太阳能和空调热水一体机供热系统耦合特性及节能实验研究
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种必然趋势，鉴于该产品在市场上还未出现，因此，进一步开发和研究太阳能－
空气双热源空调热水一体机势在必行。本文将通过实验分析和验证该产品的可行
性、系统的运行特性和相对于常规热泵系统的节能性。
课题主要研究内容包括以下几点：
1、确定一种太阳能－空气双热源空调热水一体机的系统形式，完成系统原理
图设计。
2、对太阳能－空气双热源空调热水一体机的工作模式进行分析，并确定系统
工作方案和运行方式；
3、对太阳能－空气双热源空调热水一体机的各工作工况、参数进行实验设计，
并进行实验样机制作和组装。
4、在不同的模式下进行太阳能－空气双热源空调热水一体机的可行性、运行
特性和节能对比实验，并对实验数据进行分析和处理，得到各工况条件下不同参
数之间的关系，研究太阳能热水系统和空调热水一体机各自的特性，并在此基础
上，着重研究太阳能和空调热水一体机供热系统的耦合特性，并将其与常规的家
用热水器和空调热水一体机进行节能对比和经济性分析。
第二章 太阳能－空气双热源空调热水一体机的系统设计
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第二章 太阳能－空气双热源空调热水一体机的系统
设计
太阳能－空气双热源空调热水一体机的系统设计可主要分为两部分：一是太
阳能热泵热水系统的设计，主要包括太阳能热泵热水系统形式的选择及太阳能热
水供应方式的确定；二是空调热水一体机的系统设计，由于空调热泵系统已发展
成熟，故本文研究的一体机中的空调系统部分直接引用了成熟系统，而把重心放
在了热回收设备——套管式换热器与空调系统的连接方式，以及储热设备——水
箱与空调系统的连接方式上。
§2.1 太阳能热泵热水系统的设计
§2.1.1 太阳能热泵热水系统的分类及其特点[41]
根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式，太阳能热泵系统可分为直膨式和
非直膨式。根据太阳能集热环路与热泵循环的连接形式，非直膨式系统又可以分
为串联、并联、混联(双热源)三种形式。
(1) 直接膨胀式太阳能热泵热水系统
热水出
冷水进
制冷剂进
制冷剂出
特殊集热器表面结构示意图
压缩机
膨胀阀
特殊集热器
集
热
水
箱
图2-1 直接膨胀式太阳能热泵热水系统
如图 2-1 所示，直膨式太阳能热泵与空气源热泵的基本工作原理一样，只是
前者的蒸发器做成太阳能蒸发集热器的形式，节省了非直膨式系统中集热循环与
热泵循环之间的换热设备。工质在集热器里吸收太阳辐射能，没有太阳辐射时，
它就变成了空气源热泵。晴天时，经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太
阳能集热/蒸发器中，通过吸收太阳辐射而蒸发后的制冷剂在压缩机内形成高温高
压气体，然后被排入冷凝器中，制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝同
时水得热而升温，冷凝后的制冷剂经膨胀阀又重新流入太阳能集热/蒸发器中，由
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1课题提出的背景能源和环境问题己经成为当今社会最受关注的焦点问题之一。随着世界人口和经济的迅速增长，人的生存质量不断提高，能源消耗急剧增加，伴随着能源的巨大消耗，大量未经处理的废物排放到环境中，导致环境污染日益严重。有限的能源经受不住巨大消耗，引发世界范围内的能源危机。§1.1.1建筑能耗问题建筑能耗作为社会总能耗的重要组成部分，在不同发展状况的国家和地区，它在社会总能耗中的份额不同。据统计，西方的发达国家建筑能耗占中国总能耗的30%～40%，而中国的建筑能耗占总能耗的27.6%。在建筑能耗中，采暖、制冷、空调和热水约占75%，而且随着人们对居住环境质量要求的不...

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