%aa阳能热泵热水器运行特性的实验研究

图３所示为各温度参数随运行时间的瞬时变化 情况。总体而言，系统各温度参数的波动不大。在运 行３０分钟后，系统达到相对稳定的运行工况。在较 强太阳辐射的作用下，集热板表面及其内部制冷剂 的温度水平甚至超过了环境温度。集热板的出口制 冷剂温度与板温基本上保持一致变化，且均高于进 口制冷剂温度，即出口制冷剂有过热度。制冷剂过 热度随时间略有减小，这是由于制冷剂的循环质量 流量随时间略有增加。
２．１实验装置简介 图１是直膨式太阳能热泵热水器实验样机实物
照片。系统主要参数见表１。除了太阳能集热／蒸 发器（下文简称“集热板”），系统的其余部件与常 规的热泵系统完全相同，所以它极具小型化和产品 实用化发展潜力【３】。制冷剂作为太阳能集热介质直 接在集热板中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝 热释放给水箱内被加热的水【到。
参 考文献
［１１ ｓｐｏｒｎ Ｐ，ＡＩＩ】－ｂｒｏｓｅ Ｅ Ｒ．Ｔｈｅ Ｈｅａ七Ｐｕｍｐ ａｎｄ ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ． Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｂｒｌｄ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ａｐｐｉｌｅｄ Ｓｏ—
ｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｐｈｏｅｎｉｘ，Ａｒｉｚ，１９５５
【２】旷玉辉．直膨式太阳能辅助热泵空调及热水系统的研究：
摘要 本文针对自行设计、建造的“直膨式太阳能热泵热水器”实验样机进行了春季运行工况下的实验研究，并对其 运行特性进行了详尽的分析。实验结果表明，在环境温度均值２０．６。ｃ、太阳辐射强度均值９５４．５９ ｗ／ｍ２的室外气象条件 下，将１５０升水从１３．４。ｃ加热到５０．５。ｃ只需要９４分钟，热泵供热性能系数达到６．６１。即使在环境温度为１７．１。ｃ的雨 夜天气，热泵性能系数仍能够达到３．１１。通过对典型工况下太阳能集热板的集热效率和过热度进行分析发现，如果用电 子膨胀阀取代热力膨胀阀对供液量进行实时调节，可以进一步提高热泵的性能系数和系统运行的稳定性。
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３实验结果及分析
２００５年４—５月份，进行了春季的阶段性实验，
（ｂ） 系统平均ｅｏＰ随时Ｉ司的变化 图２太阳能热泵热水器在不同太阳辐射强度下的性能
由图２（ａ）可见，热水温升曲线的斜率随太阳辐 射强度的增加而增加。由图２（ｂ）可以看出，在环境 温度相接近的情况下，热泵热水器的ｃ０Ｐ随太阳 辐射强度的增大而增大。
实验样机采用了热力膨胀阀，其调节范围有限 且存在动作滞后性，难以适应由变化无常的太阳辐 射强度引发的集热板过热度的剧烈变化。为了进一 步提高系统的集热效率、性能系数以及运行的稳定 性，有必要将调节范围广而且反应灵敏度高的电子 膨胀阀应用到太阳能热泵热水器中。
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时间／ｈ：ｍｉｎ （ａ）太阳能集热／蒸发器集热效率的瞬态特性
由图４可见，太阳辐射强度由于云层影响而出现 波动时，集热效率的变化规律与太阳辐射的变化相 反，而过热度的变化规律近似于太阳辐射的变化， 而在时间上有所滞后。这表明，热泵热水器集热板 的过热度（可反映对集热板的制冷剂供液量）与太阳 辐射强度存在近似的依存关系，太阳辐射强度过高 或者过低，相应地会导致过热度的过高或过低，这 对系统运行的稳定性不利。
太阳能热泵热水器的集热板同时也作为热泵的 蒸发器，集热效率较高，可以接近甚至超过１．ｏ。
由于太阳辐射强度受地理纬度、季节转换、昼 夜更替及各种复杂气象因素的影响而随时处于变化 中，系统的运行工况往往很不稳定。实验研究表明， 采用热力膨胀阀难以适应如此多变的工况，电子膨 胀阀在太阳能热泵热水器产品上的应用势在必行。
ＳＡＨＰＷＨ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓ０１ａｒ ｃ０１１ｅｃｔｏｒ ｅｍｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒｈｅａｔ
ｄｅｇｒｅｅ．
Ｋｅｙ、Ⅳｏｒｄｓ ｄｉｒｅｃｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｓｏｌａｒ ａＳｓｉｓｔｅｄ ｈｅａｔ ｐｕｒｒ巾ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ（ＤＸ－ＳＡＨＰｗＨ）；ｃｏｅ最ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（ｃ０Ｐ）；ｓ０１ａｒ ｃ０１ｌｅｃｔｏｒ ｅｍｃｉｅｎｃｙ（叩Ｇ）
［博士论文】．上海：上海交通大学，２００４
【３］王如竹，旷玉辉，吴静怡，等．直膨式太阳能热泵热水器．
中国发明专利，专利号： ２００３年ｌｏ月２２日
ｚＬ ｏｌ ｌ ２６６３４．１，授权公告日：
［４】Ｋｕａｎｇ Ｙ Ｈ，ｓｕｍａｔｈｙ Ｋ，Ⅵｈｎｇ Ｒ ｚ．ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｄｉｒｅｃｔ— Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｓｏｌａｒ—Ａｓ￥ｉｓｔｅｄ Ｈｅａｔ ＰｕｍｐⅥ，ａｔｅｒ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｓｙｓ— ｔｅｍ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅ８ｅａｒｃｈ，２００３，２７：
１３．４。ｃ ｔｏ ５０．５。ｃ ｉｎ ９４ ｍｉｎｕｔｅｓ ｗｉｔｈ ２０．６。ｃ ａｖｅｒａｇｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ９５５ ｗ／ｍ２ ａｖｅｒａｇｅ
ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ＣＯＰ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ３．１１ ｅｖｅｎ ｉｆ ａｔ ａ ｒａｉｎｙ ｎｉｇｈｔ ｗｉｔｈ １７．１。Ｃ ａｖｅｒａｇｅ ｅｎＶｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｖａｌｖｅ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ＤＸ—
ｐ＼ 魁 赠 筠 嚣ｉ
（ａ）热水温度随时间的变化
孔
◆矗＝９５４ ５９ｗ／ｍ２，兀＝２０ ５８℃
×矗＝８５７ ８１ ｗ／ｍ２，霸＝２２ ０８℃ ▲ｂ：６６３ ４７ｗ／一，瓦＝２５ ｌｏ℃
Ｈ他ｍ ８ ６ ４ ２ ●Ｌ●Ｌｒ●．ｒ●ｌ ２
３２
６２
９２
时间／ｍｉｎ
２．２．２集热板的集热效率叩ｃ
Ｑ。
集热板有效集热量
部分实验结果列于表２中。 ３．１系统总体性能分析
择取４组环境温度接近、太阳辐射强度不同的 实验数据，将热水瞬时温度和系统瞬时平均供热性 能系数随运行时间的变化关系绘于图２。
ｃ．压缩机ＨＷＴ．生活热水箱 ＥＶ．膨胀阀 ｓｃＥ．集热板 ＡＭ．气液分离器ｓＲＭ．太阳能总辐射表 图１实验样机实际安装情况
表１主要部件参数
压名称缩机滚规动格及转型子号 式ｊｊ黧０嚣备麓注 、， 热水箱器容翟溉瓣盘 太燃７铝板黼吹涨霁蓑镶糍篇姜
热力膨胀阀 Ｄａｎｆｏｓｓ ＴＥｘ．２
外平衡式
２．２评价指标 直膨式太阳能热泵热水器性能的主要评价指标
为供热性能系数ｃｏＰ和集热板的集热效率驰。
…＝急＝器 它们分别定义如下：
２．２．１系统的供热性能系数ＣＤＰ：
收稿日期：２００６－０１—２３；修订日期：２００６—１０．１０ 基金项目：世博科技专项资助（科技部Ｎｏ．２００５ＢＡ９０８８０７；上海市科委（Ｎｏ．０３ｄｚ０５８０７） 作者简介：李郁武（１９７６一），男，山东潍坊人，博士生，主要从事热泵系统中太阳能利用技术的研究。
万方数据
９２４
工程热物理学报
２７卷
５３ 最
蜊
时间／ｈ：ｍｉｎ （ｂ）过热度与太阳辐射的相似性 图４典型工况下集热效率及过热度随时间的变化
４结 论
本实验样机在环境温度均值２０．６０Ｃ、太阳辐射 强度均值９５５ Ｗ／ｍ２的室外气象条件下，将１５０升水 从１３．４。Ｃ加热到５０．５。Ｃ只需要４分钟，热泵ＣｏＰ 达到６．６１。即使在环境温度为１７．１。ｃ的雨夜，热泵 ＣＯＰ仍能够达到３．１１。
Ｒｅ蛳驴ｒ８ｔｊｏｎ，ＭｏＥ， ｓｈａｎｇｈａｊ ２０００３０，∞ｊｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｌｓ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｓ０１ａｒ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ（Ｄｘ—ｓＡＨＰｗＨ）
ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｓｐｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｄｂｏｒａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ
第２７卷第６期 ２００６年１１月
工程热物理学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＴＨＥＲＭｏＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖ０１．２７．Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．．２００６
直膨式太阳能热泵热水器运行特性的实验研究
李郁武 王如竹 王泰华 吴静怡 许煜雄
（上海交通大学制冷与低温工程研究所，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心，上海 ２０００３０）
ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＨＥＡＴ ＰＵＭＰ ＷＡＴＥＲ ＨＥＡＴＥＲ
ＬＩ Ｙｕ—Ｗｕ ＷＡＮＧ Ｒｕ—Ｚｈｕ ＷＡＮＧ Ｔａｉ—Ｈｕａ ＷＵ Ｊｉｎｇ·Ｙｉ ＸＵ Ｙｕ—Ｘｉｏｎｇ
（ｊｎｓｔｊｃｕｔｅ ｏｆ‘Ｒｅ厅ｊｇｅｒａｔｊｏｎ ａｎｄ（？ｆｙｃ冒ｅｎｊｃｓ，Ｓｈａｎｇ血ａｊ Ｊｊａｏ １ｂｎｇ ＵｎｊＶｅｊ．ｓｊｔ弘正１ｎｇｊｎｅｅｒｊｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（为ｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｏｊａｒ ｊ’ｏｗ．ｅｒ＆
表２太阳能热泵热水器春季实验结果
万方数据
６期
李郁武等：直膨式太阳能热泵热水器运行特性的实验研究
３．２主要运行参数的瞬态结果分析 为了研究太阳能热泵热水器的运行特性，对系
统的各运行参数进行了间隔为２分钟的实时测试和 分析。下面选择天气晴朗的２００５年４月４日的实验 数据，对系统的各运行参数进行瞬态分析。
１引 言
机的热性能差别很大，产品实用化进程缓慢【２１。
２直膨式太阳能热泵热水器实验装置
太阳能是广泛存在的可再生清洁能源。同空气 一样，太阳能也可作为热泵蒸发器的热源。早在１９５５ 年，为了提高热泵的供热性能系数，美国西弗吉尼 亚的Ｓｐｏｒｎ和Ａｍｂｒｏｓｅ通过实验研究第一次提出了 “直膨式太阳能热泵”的概念。他们的实验研究表明 了直膨式结构可以同时提高热泵机组和太阳能集热 器的性能…。由于各地气候条件及系统结构参数和 匹配关系的差异，国内外各研究团队报导的实验样