233直膨式太阳能热泵复合机供热火用 分析

直膨式太阳能热泵复合机供热火用 分析

山东科技大学 杨前明 赵芳 孔祥强

摘要 建立了直膨式太阳能辅助热泵多功能复合机（DX-SAHPM）供热模式循环过程的火用平衡方程，根据实验测试数据确定出热力循环的有关参数，计算出系统主要部件的火用 损失，其中集热器和压缩机的火用 损失系数分别达到31.84%和14.89%，占了火用 损失总量的45.8%和21.4%。理论分析表明系统中集热器面积与压缩机容量不匹配是造成集热器与压缩机火用 损失过大的主要原因，并在此基础上提出了相应的改进措施。

关键词 直膨式；太阳能；热泵；火用 分析

直膨式太阳能辅助热泵多功能复合机（DX-SAHPM）是在传统的空气源热泵基础上有机结合了太阳能热利用技术，是一种新型绿色环保的节能装置。它有效解决了普通风冷热泵系统低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷，最大限度的发挥了太阳能及热泵的节能优势，较好的满足了“太阳能与建筑一体化”的要求，对缓解当前建筑能耗问题，具有重大的战略意义，其作为可再生能源在建筑节能方面有效利用的一种新途径，促进了可持续发展的战略的稳步推进。课题组研制开发出DX-SAHPM热泵机组的实验样机，通过对热物理参数的在线监测，对热泵机组的运行特性进行了全面的分析与研究。本文对DX-SAHPM热泵系统供热模式的循环过程进行火用分析，能正确全面的评价各设备的能源利用率，准确的诊断出系统装置的薄弱环节，并能对系统的节能潜力作出判断，为进一步优化系统指明方向。

1 DX-SAHPM 热泵实验系统简介

实验系统主要由太阳能集热器、蓄热水箱、室内外换热器、压缩机、毛细管及电磁阀等部件组成，其循环原理如图1所示。系统通过自动地调节各种电磁阀，实现制冷、供热、制热水三种模式的转换。供热模式下，太阳能集热器与室外蒸发器并联，共同从外界环境吸收热量，蓄热水箱和室内机串联共同作为冷凝器，满足制取生活热水和室内供暖的需求，由于系统中加入了太阳能集热器，使得系统在供热状态下可以同时吸收来自空气中低品位能和太阳辐射能，有效地提高了系统的制热性能，同时由于提高了压缩机吸气口的压力，改善了压缩机的工作条件。制冷模式下，集热器不参与循环，系统循环过程与普通空调相同，夏季制热水模式同于普通的太阳能热泵热水器。系统在各种模式下具体循环过程参见文献[1]。

2 DX-SAHPM热泵系统火用 分析模型

2.1火用 分析方法概述

通常,衡量制冷/ 热泵系统性能的优劣,常常对其进行热力学第一定律的分析（能量数量利用率的分析），采用制冷系数或制热系数作为评价的标准。这种方法虽可以提供选择和设计制冷装置所需要的参数，说明能量传递和转换的效率情况，但也存在着无法避免的缺陷，

基金项目：青岛市科技发展计划项目（06-2-2-22-jch）

作者简介：杨前明（1961-），男，教授，从事热泵及空调控制方面的研究。 因为它把不同质的能量等价看待，不能说明能量利用过程中各部件的不可逆损失程度和能量利用过程中的不合理性，掩盖了系统的薄弱环节。因此，在衡量一个制冷/ 热泵系统的性能时，在进行能量数量分析的同时，对能量品质的分析至关重要。

室外机φ6φ12V1V2V3Vd1Vd2Vd3Vd4Vd5Vd6Vd7Vd8Vd10压缩机FVd9V4V5220v水箱室内机集热器－2集热器－1压缩机毛细管1毛细管2

V1-V5—手动阀门；Vd1-Vd10—电磁阀；F—四通换向阀

图1 DX-SAHPM 热泵系统工作原理图

火用分析法是反映节能程度的科学尺度，是热力学第二定律用于工程系统的一种评价方法，从本质上揭示装置或设备在能量中有效能的转换、传递及利用情况，其主要是对装置或设备进行

火用平衡计算，主要热力学指标为火用效率[2]，

消耗损失消耗消耗收益－＝＝EEEEEe （1）

式中：e－火用效率；收益E－收益的火用；消耗E－消耗的火用；损失E－损失的火用。.

2.2 模型假设

对机组的实际循环进行热力分析，可以将整台机组作为一个稳定流动开口系统来处理,可做如下假设:

（1）循环内的流体流动为稳定流动；

（2）忽略动、位能的影响；

（3）取环境状态为约束性死状态。

2.3 火用 分析模型

DX-SAHPM热泵供热模式循环曲线如图2所示，这里只对系统供热模式下的循环过程建立

火用分析模型。在实际的循环过程中，产生火用损失的过程主要包括：（1）压缩机内工质的非等熵压缩过程；（2）冷凝器、蒸发器有限温差传热过程；（3）集热器内工质吸收太阳辐射热的过程；（4）毛细管的节流过程；（5）压缩机吸气管内工质混合过程。

（1）压缩机（压缩过程1－2）

outcomincomcomcomEEPI,, elecomPP （2）

31c11v22sTvTc45hp0

图2 DX-SAHPM热泵供热模式循环过程压焓图

（2）冷凝器 （冷凝过程2－3）

QoutconinconconEEEI,, conhQQTTTE00 （3）

（3）集热器 （蒸发过程4－1c）

radoutcolincolcolEEEI,, )1(0pTcolcradTTIAE （4）

（4） 蒸发器 （蒸发过程5－1v）

outevainevaevaEEI,, 505,STHEineva （5）

（5）毛细管 （节流过程3－4，3－5）

outcapincapcapEEI., 303,STHEincap （6）

（6）压缩机吸气管 （混合过程1c，1v－1）

outmixinmixmixEEI,, vvccinmixSTHSTHE101101, （7）

（7）系统的火用损失系数

radcomiiEPI （8）

（8）系统的火用效率

ie1 （9）

式中： iI－工质流经各部件的火用损失，KW；outiiniEE,,,－工质流入各部件的入口火用、出口火用，KW；iH－循环各状态点的焓，KW； iS－循环各状态点的熵，KKW/；0T－环境温度，K；comP－压缩机的输入火用，KW；eP－压缩机的输入功率，KW；el－压缩机的电效率；QE－制热火用，KW；hT－室内温度，K；conQ－室内供热负荷，KW；radE－太阳辐射火用，KW；cA－集热器的有效面积，2m；TI－太阳辐射强度，KW；PT－集热器的表面温度，K；col－集热器的瞬时效率,对于真空管集热器，)(06.2614.00TPcolITT[3]。

表1 DX-SAHPM热泵循环各状态点的参数值

状态参数点 P (MPa) T (K) h (kJ/kg) s (kJ/(kg·K)) 环境温度T0 (K) 集热器表面温度

Tp ( K)

1 0.68 289 412 1.761

283 331 2 1.51 331 435 1.772

3 1.51 300 235 1.121

4 0.84 289 235 1.126

5 0.62 277 235 1.128

1c 0.78 298 418 1.758

1v 0.56 281 411

1.766

3 结果与分析

3.1实验与计算结果

课题组对DX-SAHPM热泵实验样机供热模式工况进行了春季阶段性实验，通过对实验测试数据的结果进行分析可以得出，在集热器和室外蒸发器同时开启的运行模式下，系统制热系数平均为4.5，太阳辐射强度为900W以上时，制热系数可达到5.4。

在春季阶段的实验数据中，选取太阳辐射强度高于500W/m2的部分数据用于热泵机组的火用分析，并对大量的测试数据取平均值（取太阳辐射强度的平均值为637W/m2），以确定机组循环过程各状态点在压焓图上的位置，进而得出焓、熵等参数值（见表1）。

系统选用了全封闭滚动转子式压缩机，其理论排气量为23.2revml/，工质流经压缩机的质量流量为0.0282skg/，压缩机的输入功率为1100W，根据式（2）可得压缩机的输入火用comP748W（取电效率为0.68）。系统选用真空管式太阳能集热器，其单块集热面积0.8492m，根据式（10） 可以得出通过集热器输入系统的太阳辐射火用radE521.3W。将表1各状态点的参数值代入火用分析模型，得出系统循环过程中各部件火用损失及所占比例，如表2和图3所示。

3.2 结果分析

表2和图3表明，在DX-SAHPM热泵系统中，集热器的火用损失最大，基本占了系统全部

火用损失的一半，这主要是由于集热器与压缩机不匹配造成，集热器集热面积不够，致使工质在流经集热器时吸热不完全，造成了大量有效能的损失，同时也使系统的节能优势未能完全发挥。此外，太阳能自身存在着间断性、不稳定性等特点，这使系统的所处的工况往往很不稳定，必然会不同程度的增加系统的火用损失，而安装电子膨胀阀可以及时调节流量与集热器的负荷相匹配，减少火用损失。

表2 DX-SAHPM热泵系统火用损失计算结果

产生火用损失的各部件 火用损失 （KW） 火用损失系数

压缩机 0.189 14.89％

冷凝器 0.075 5.91％

集热器 0.404 31.84％

蒸发器 0.133 10.48％

毛细管1 0.0207 1.63％

毛细管2 0.0402 3.17％

压缩机吸气管处混合过程 0.0211 1.66％

系统总火用损失 0.883 69.58％

系统总输入火用 1.269

系统火用效率 30.42％

图3 DX-SAHPM热泵系统各部件火用损失比例图

系统中压缩机的火用损失达到了21.4％，约占系统火用损失总量的1/4，这主要因为系统采用了定转速压缩机，自动调节能量的能力很小，采用变频压缩机可以减少吸气压比、提高压缩机进气温度，减少火用损失。在压比较大时宜采用双级压缩来减少火用损，双级压缩过程分两个阶段进行,来自蒸发器的气态工质先在低级压缩机中压缩,当被压缩到中间冷却器的中间压力时,便进入中间冷却器进行冷却, 然后再进入高级压缩机压缩到冷凝压力,双级压缩由于采取了中间冷却,高压级的排气温度就不致过高, 进而减少了压缩机的火用损失。蒸发器和冷凝器的火用损失不是很大，占了火用损失总量的15.1%和8.94%，可以通过减小传热温差和减少蓄热水箱的漏热来进一步降低火用损失。

节流过程和压缩机吸气管处的混合过程中火用损失均相对较小，为减少节流环节火用损可采用蒸汽回热循环方式,即增加一个辅助换热器， 来自蒸发器的低温气态工质在进入压缩机前先经过辅助换热器，与来自冷凝器的饱和工质进行热交换,从而使节流前饱和工质温度降得更低,从而减少火用损失，此外还可以通过提高工质流速、减少油垢和污垢引起的不可逆节流及优化设计方案来进一步减少火用损失，提高能源利用率，而利用电子膨胀阀代替传统的毛细管可以使系统的性能得到进一步改善，电子膨胀阀通过传感器对参数进行采集计算，通过驱动板驱动阀的开闭，反应十分灵敏，使蒸发器过热度始终保持在一定范围之内，对于运行工况复杂多变的热泵机组尤为适合。