英文翻译 直膨式太阳能热泵系统.docx

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英文翻译直膨式太阳能热泵系统

两级直膨式太阳能热泵系统制备高温水的应用研究

摘要：

直膨式太阳能辅助热泵（DX-SAHP）系统已成为常规太阳能辅助热泵系统的可行的替代方案。

本文研究了两级DX-SAHP系统在提供60-90℃高温时的应用并证实该系统能够提供高温度的热负荷。

本文在以R-134a为制冷剂和使用平板式太阳能集热器的情况下研究了该系统的热工性能，并对两级系统与一级系统进行了性能比较；最后用一个简单的图形说明了这两个DX-SAHP系统所需要的太阳能集热器面积和热泵压缩机的排量的匹配关系。

关键词：

太阳能辅助热泵；高温应用；直膨式

1、引言

热泵主要用于空间的加热与冷却。

在加热模式中，热泵主要用于生产生活用热水和工业热处理。

热泵通常工作于两个温度之间，将低温热源（用于采暖的室外空气）的热量输送到温度较高的空调房间。

这一过程热泵需要损耗一定量的功来弥补热源与冷源之间的温差。

同时说明，单级热泵在冬季恶劣的工作条件下时需要花费更多的功来克服室外与室内之间的温差来输送热量，这就使得热泵的运行效率非常低。

这种与温差相关的热效应规律让我们想到靠太阳能、地热能或地下热水使低温热源的温度升高的方法来提高热泵的cop.在目前所研究的太阳能热泵系统中，太阳能是一个温度比周围环境温度较高的低温热源，系统利用蒸发器来吸收太阳能集热器收集的太阳能，这种结构被称为间接的或传统式的太阳能热泵系统。

在这种系统中，太阳能集热器和热泵蒸发器都是各自独立的并通过一个热交换器连接起来。

在未来的可替代的系统——直膨式热泵系统中，太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一，减少了部件的数量以及两个独立单元间低效的热交换。

以往的DX-SAHP系统的研究主要集中在低温（<60℃）热水的应用上[2-31]。

然而，随着热用户所需温度提高，远高于60℃，热泵性能下降，与常规能源相比就不再有优势，为满足高温负荷的需求，一种方法是带有平板式太阳能集热器的太阳能电池，虽能满足高温负荷的要求但发电效率很低，热效率接近为零；另一种方法是聚光式太阳能集热器，能达到较高的温度，但这个初投资较大，因为聚光式集热器需要太阳跟踪器。

由于许多工业过程热利用需要60-95度范围之间的能量，因此寻找一种理想的热力装置是必要的。

在目前的研究中所描述的两级DX-SAHP系统能够满足高温要求下的负荷。

本文介绍了这种替代系统并分析了两级DX-SAHP系统的热工性能并得出了它的控制函数。

术语

Ac（m2）太阳能集热器面积

ASAHP（m2）太阳能辅助热泵面积

ASolar（m2）太阳能集热器面积COPH供热系数

F太阳能集热器效率因子

H（kJ/kg）比焓hfg（kJ/kg）潜热

K清洁度m（kg/s）质量

P（kPa）压力PD活塞排气量

QHo（kJ/m2）单位面积集热器吸收的热量

S（kJ/kgk）熵S（W/m2）单位面积太阳能吸收功率

Sc（W/m2）单位面积太阳辐射功率

Ta（℃）环境温度Tf（℃）制冷剂蒸发温度

TL（℃）热用户温度Tm（℃）最佳温度

DT（℃）温升UL（W/m2）太阳能集热器总的热损失功率

VD（m3/s）压缩机排气量v1（m3/kg）饱和比容

W压缩机功率

质量

集热效率

容积效率（

）透射比和吸收率乘积

2两级DX-SAHP系统装置

图1为两级DX-SAHP系统的结构图。

在该系统中用到的平板式太阳能集热器，它同时也是热泵蒸发器。

集热器的参数在表2中给出。

这个系统使用了两个压缩机，分别用于热泵系统的每一级压缩中。

对应的温熵图在图2中表示出来。

液体制冷剂（本文选R-134a）吸收太阳能蒸发到饱和蒸汽状态1。

过热蒸汽与来自闪蒸室的蒸汽混合，产生的冷蒸汽经高压段压缩机压缩达到冷凝压力，然后经过冷凝到达饱和液状态5，液体制冷剂流经膨胀阀和闪蒸器，闪蒸器产生的冷蒸汽与来自低压级压缩的过热蒸汽混合。

压缩机参数在表3中列出。

为了更好的比较，单级DX-SAHP循环也在温熵图中被表示了出来即1-2’-5-6’-1过程。

中间压力（闪蒸器的）可以设置为冷凝压力（P5）和蒸发压力（P1）之间的任意值。

但几何平均值是中间压力的最优值。

或者

3.热力过程分析

Cop值可表示为：

由于

是从方程6得出来的,COPH在已知的情况下计算质量流量，质量流量m2可以这样计算：

4蒸发器/集热器的能量平衡

第一阶段集热器即蒸发器

能量平衡:

集热器吸收太阳能量=制冷剂的蒸发吸收的热量。

在数学上,它可以表示为下式：

5.热泵与集热器的耦合减少了集热器面积

平板集热器非常适合低温热利用，因为所收集的能量温度与使用温度大致相符。

除此之外，这种集热器只需要输入很少的常规能量，可以替代常规能源。

另一方面，热泵在低温热利用方面有明显的潜力，但是需要大量电能来驱动压缩机从而降低了其节能潜力。

然而，热泵传递能量所需的电能是与常规能源有关的。

热泵和太阳能集热器的热工特性使它们成为一个可以互相提高热力性能的组合。

太阳能集热器在较低的集热温度时效率更高，从而减少能量损失。

太阳能集热器将收集的低于用户负荷温度下的能量通过热泵升高温度。

因此太阳能辅助热泵的蒸发器温度相对升高,温度升高，COPH就更高（图3）。

这意味着输出相同的能量热泵输入的能量变小。

图3显示了一个集热器和热泵耦合时的效率图。

图形表示了集热器在操作温度下的COPH与集热器的效率。

当集热器单独工作,其输出温度必须大于或等于热用户温度TL。

独立的热泵在冷源温度（假定为环境温度Ta）和用户温度（TL）之间运行。

当集热器和热泵两个耦合时,集热器的温度Tm低于TL。

相反,冷源温度的热泵温度从Ta增加到Tm。

在目前的情况下,集热器和蒸发器温度是相同的。

结果是集热器运行更高效的进而减少了集热器热损失,同时减少集热器面积。

因为集热器成本约占太阳能系统总成本的60%到70%,提高效率意味着减少太阳能系统成本。

集热器面积由太阳能参数得出：

6.结果分析

在本节中研究了在不同冷凝温度下两级DX-SAHP系统的热工性能,并与单级DX-SAHP进行了比较。

图4和5是对于两级和单级DX-SAHP系统在不同冷凝温度即：

60℃、70℃、80℃和90℃的COPH进行了比较。

和预期的一样,两级DX-SAHP的性能优于单级系统。

如果增大了蒸发温度Tf，两级DX-SAHP系统效率提高。

冷凝温度增加，则系统COP降低。

图中显示,在Tf=20℃时,冷凝器的温度增加了30℃即从60℃到90℃（如图4），两级DX-SAHP的COPH大约减少了60%。

同样的温升情况下单级DX-SAHP的COPH在冷凝温度90℃是在60℃的46%（如图5）。

图6为两级和单级系统的另一个参数的比较图。

很明显,在同样的VD/Ac值太阳能收集器效率随着冷凝温度的增加而降低。

两级DX-SAHP比单级DX-SAHP系统尤其是在高冷凝温度（90℃）时性能更优越。

图7为两级DX-SAHP的COPH与太阳能收集器的面积减少量的关系所图。

图形表明,随着热力性能COPH从1.8增加到4.0所需的太阳能集热器器面积迅速由2减少到0.32。

图8和9为在90℃冷凝温度下热泵压缩机的排气量和太阳能集热器面积的比。

显示了集热器随环境温度的差异,（DT=Tf-Ta）的效率的变化。

这些数据显示随集热器蒸发器温度Tf的变化COPH和热泵蒸发能力的变化图（上图）。

这些数据为我们初步了解在同样冷凝下温度的两级和单级系统的性能。

为了进行说明,（图8）是一个两级DX-SAHP系统操作在冷凝温度90℃的热工性能。

这个图用来确定太阳能集热器面积和压缩机位移量的设计与匹配。

对一个例子进行说明：

o¼700w,如下所示:

使用给定的值在表3中,首先,一个垂直的直线AB是画在DT=5C（DT=Tf-Ta）,交叉S=800w/m2线在B点见图8。

第二,一个垂直的线画在CD是Tf=10C与相交Tc=90C线（上图）在点D.最后,一条水平线EF（平行于x轴）是与y轴相交点E和线CD交于点F.从图一发现COPH=2.8（D点）,效率=0.4（点E）和VD/Ac=0.27（点F）。

太阳能集热器热量QLo对于一个给定的热负荷QHo（7000W）可以表示为下面的方程:

重复相同的步骤计算两级循环在60℃时，单级循环在60和90C（图8）的集热器面积和压缩机排气量和活塞排气量,结果在表4。

正如上面所讨论的,所需的太阳能集热器面积单级热泵比双级热泵较小。

在冷凝温度60摄氏度使用双级热泵比单级热泵集热器面积增加2.7%。

这个百分比在90c成为16.2%.另一方面,,使用单级热泵比使用一个两级热泵位移量较大。

当在60和90C，一个两级热泵位移量分别是所需的单级热泵位移量的38%和43%。

7.结论

对两级直膨式太阳能辅助热泵制备高温水的应用进行了热力学分析。

并与单级直膨太阳能辅助热泵进行了对比。

在制冷剂使用r-134a，太阳能集热器为平板型的情况下实验得出一个简单的图形来确定太阳能集热器面积和压缩机排气量的匹配问题。

2在高冷凝温度使用两级SAHP系统显著改善系统的热力性能。

然而,在相同温度下的两级系统需要的平板太阳能集热器面积比单级系统要大。

这意味着太阳能集热器初始（固定）成本，两级系统将高于单级系统。

然而,这种资本成本效果是抵消了在单级循环中更大的尺寸更昂贵的压缩机。

两级循环具有更高的性能水平,运营成本将比一个单级循环更有利。

参考文献