空氣源熱泵熱水裝置優(yōu)化分析與運行策略研究.pdf

1、空氣源熱泵熱水技術(shù)是一種節(jié)能型熱水技術(shù)。隨著能源和環(huán)保壓力的日益加大，通過優(yōu)化現(xiàn)有空氣源熱泵熱水裝置(Air-source heat pump water heater，簡稱ASHPWH)的設(shè)計，拓展使用范圍，是一條促進節(jié)能減排的有效途徑。但是，囿于設(shè)計理論和實驗條件的限制，多數(shù)研究者著眼于部件如何匹配、設(shè)計參數(shù)如何選取和經(jīng)濟性評價等問題，而對如何在實踐上對運行策略進行優(yōu)化使裝置保持長期高性能運行、如何改善變工況下的熱力學(xué)性能滿足能量需

2、求的多樣化方面，鮮有考慮。此外，空氣源熱泵熱水裝置具有變工況運行的特點，特定工況下的有效能分析難以全面準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，為了實現(xiàn)有效能理論在該類型系統(tǒng)中更好地應(yīng)用，通過結(jié)合空氣源熱泵熱水裝置變工況運行的特點和有效能的基本理論建立相應(yīng)的分析模型，將有助于更加準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和運行的薄弱環(huán)節(jié)。為此，本文從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和運行的角度進行了實驗和理論分析，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　 (1)針對冷凝器采用板式換熱器循環(huán)加熱的小

3、型家用空氣源熱泵熱水裝置，采用實驗與數(shù)值仿真方法，研究了環(huán)境參數(shù)、裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，以指導(dǎo)優(yōu)化。仿真數(shù)據(jù)和實驗對比結(jié)果顯示，仿真模型具有較好的精度。數(shù)值分析結(jié)果表明，對于采用該類型冷凝器的系統(tǒng)，冷凝器和蒸發(fā)器的面積比在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)可以確保較高的熱力學(xué)效率，計算條件下，最佳面積比在0.1到0.118之間。循環(huán)水進水高度（即水箱熱水入口的位置）是影響系統(tǒng)性能的重要因素，循環(huán)水進水高度越高，系統(tǒng)COP越高。當(dāng)其他條件固定，進水高

4、度從水箱高度的0.167調(diào)整到水箱頂部，系統(tǒng)COP會從2.58增加到2.70，有4.65％的增幅。盡管水箱整體的等效平均溫升隨著進水高度的提升略有下降，約1℃，但其差別幾乎可以忽略不計。從提高系統(tǒng)COP的角度來說，最佳進水口應(yīng)位于水箱的頂部。
　　 (2)結(jié)合空氣源熱泵熱水裝置變工況運行的特點和有效能的基本理論建立了當(dāng)量有效能分析模型，并通過樣機實驗驗證了其分析結(jié)論，該模型綜合考慮了熱泵熱水裝置熱水不斷升溫的影響。模型分析結(jié)果表

5、明，環(huán)境溫度7℃時，在其他部件不變的情況下，當(dāng)壓縮機絕熱效率從0.6增加到0.85，壓縮機有效能損失減少三分之二，系統(tǒng)有效能效率從35％增加到45.5％，系統(tǒng)不可逆程度改善10.5％。當(dāng)壓縮機的絕熱效率低于0.78時，壓縮機為有效能損失最大的環(huán)節(jié)。從本模型的分析中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件不變，冷凝器換熱溫差從8℃降低到3℃，系統(tǒng)有效能效率從41.5％提高到46.2％，系統(tǒng)的不可逆程度改善了4.7％。當(dāng)其他條件不變，蒸發(fā)器換熱溫差從15℃降

6、低到10℃，系統(tǒng)有效能效率則從41.4％提高到46.3％，系統(tǒng)的不可逆程度改善了4.9％?；趯嶒灁?shù)據(jù)的分析顯示，壓縮機的平均有效能損失系數(shù)最高，冷凝器平均有效能損失所占的比例僅次于壓縮機損失所占的比例?？紤]到提高壓縮機的效率涉及到整個制造工藝的提升，非短期可實現(xiàn)，因此，從改進系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)的角度來講，強化冷凝器的換熱過程更加關(guān)鍵。
　　 (3)基于上述理論和實驗研究，考慮到實際運行時存在晝夜溫度的差異以及用戶熱水需求曲線的不同

7、，為了實現(xiàn)運行策略的優(yōu)化，分別對定時和定溫兩種典型的控制模式進行了研究。研究結(jié)果表明，對于定時控制而言，晝夜溫差的差異和峰谷電價政策是設(shè)定啟動加熱時刻最大的影響因素。在定溫控制模式中，設(shè)定水溫直接影響到熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)特性和熱水的供應(yīng)能力，而這兩個因素往往又是互相沖突的。為了解決這一矛盾，引入一個參數(shù)，即送水系數(shù)，定義為每天滿足用戶45℃水溫要求的熱水實時放出量與熱水需求曲線之間的比值，反映的是居民對熱水的滿足程度。設(shè)定水溫越高，送水系

8、數(shù)也會越高，但系統(tǒng)COP會越低。當(dāng)送水系數(shù)達(dá)到100％時，進一步提高設(shè)定水溫，送水系數(shù)將維持100％不變，而系統(tǒng)COP仍會降低。因此，為了最大程度的滿足用戶基本熱水需求，同時達(dá)到良好的節(jié)能效果，以滿足送水系數(shù)為100％的最低設(shè)定水溫為基準(zhǔn)點，實現(xiàn)運行優(yōu)化。優(yōu)化分析結(jié)果表明，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的最佳設(shè)定水溫應(yīng)該根據(jù)季節(jié)氣溫的變化進行調(diào)整，以上海氣候為例，夏季、過渡季和冬季的最佳設(shè)定水溫分別為46℃、48.2℃和55.4℃。
　　

9、(4)以前述工作為基礎(chǔ)，利用灰色系統(tǒng)理論建立了空氣源熱泵熱水裝置的家庭熱水消耗和能耗模型，并對典型上海家庭全年各月的熱水消耗和能耗進行了預(yù)測，旨在利用灰色理論通過少量歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)大時間跨度預(yù)測的特性，實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測并節(jié)省實地測試成本。樣本數(shù)據(jù)分析顯示，盡管樣本數(shù)據(jù)隨著時間表現(xiàn)出一定的無序性，但樣本數(shù)據(jù)的分布滿足灰色理論的要求，且樣本累加值呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢，符合灰色理論的適用條件。建模過程中發(fā)現(xiàn)，模型精度會隨著采樣周期的變長而逐漸提高，當(dāng)

10、采樣周期達(dá)到四周時即可滿足灰色理論的精度要求?；诖?，建立了以四周為采樣周期的灰色預(yù)測模型，并和后續(xù)場地測試數(shù)據(jù)進行了比較，預(yù)測和實測對比表明，模型預(yù)測精度良好。基于此模型，可以獲得COP、全年各月的各個參數(shù)、碳減排量以及節(jié)省的費用。
　　 (5)通過實驗測試與數(shù)值仿真，詳細(xì)分析了空氣源熱泵熱水裝置分級供熱的熱力學(xué)過程。為了更好的利用冷凝熱量，對熱泵工質(zhì)進行了篩選，并設(shè)計了相應(yīng)的測試樣機和測試平臺。針對空氣源熱泵分級供熱熱水裝置

11、的工質(zhì)選優(yōu)結(jié)果表明，由于更佳的熱力學(xué)循環(huán)特性和物性，R410A和R22為較優(yōu)選擇。樣機實驗結(jié)果顯示，該實驗樣機能夠在確保高效的前提下同時滿足兩種不同溫度范圍的供熱需求，對于同時存在生活熱水和地板采暖兩種熱水品質(zhì)需求的場合，能夠?qū)崿F(xiàn)一機兩用的功能。在此基礎(chǔ)上，建立了空氣源熱泵分級供熱熱水裝置的數(shù)學(xué)模型，并對影響系統(tǒng)性能的各參數(shù)進行了討論。研究結(jié)果顯示，在分級供熱的模式下，兩個冷凝器的進水溫度直接影響冷凝器內(nèi)部的換熱模式，其中，初級進水溫度