太阳能空气源热泵热水系统
本科毕业设计论文
题目太阳能辅助空气源热泵热水供应系统设计
学院名称机械电子工程学院
专业班级热能与动力工程
学生姓名
学号
指导教师
填表时间： 2014 年月日
摘要
目前，太阳能辅助空气源热泵热水系统已经在建筑中得到广泛推广。太阳能辅助空气源热泵系统实现了空气和太阳能两种可再生能源的综合利用和优势互补，是一种高效洁净的新型热水制备方式。
本设计在简述国内外太阳能辅助空气源热泵系统研究的基础之上，设计了满足该居民楼全年供应热水要求的太阳能—空气源热泵热水供应系统运行方案，设计了平板型太阳能集热器；对热泵系统中，建立压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀数学模型，并编制了冷凝器、蒸发器的仿真程序；最后对系统进行经济性分析；其中重点是冷凝器、蒸发器的结构设计，以及仿真编程和系统的经济性分析。
本设计设计的太阳能空气源热泵热水供应系统中，包括太阳能热水供应回路和空气源热泵热水供应回路；太阳能优先供应热水，当太阳能供应不足时，空气源热泵再供应热水，最大化的使用太阳能。对系统进行经济性分析，计算出传统方式和本系统的全年总费用、初投资，得出投资回收年限，表明该系统具有节能，经济的优势。
关键词：太阳能；空气源热泵；蒸发器；冷凝器；性能分析
ABSTRACT
Now the solar assisted air source heat pump hot water system has been widely spread in the building. Solar-assisted air source heat pump system realized the utilization and complementary advantage of two renewable energy：air and solar，being a new and high efficient preparation method.
This design introduces the solar-assisted air source heat pump system at home and abroad research. Operation scheme of solar hot water - air source heat pump hot water supply system meet the residential building year-round water-supply. This subject also designed a flat solar collector and established mathematical model of compressor, condenser, evaporator, expansion valve. This paper compiles the condenser, evaporator simulation program. Finally the design makes analysis efficiency of system, which focuses on the simulation programming and the structure design of the condenser and evaporator, and systems analysis of the economy.
Solar air source heat pump hot water supply system designed in this paper composed of the solar hot water supply loop and air source heat pump hot water supply loop. Solar energy supply hot water first. When the solar energy supply is insufficient, the air source heat pump supplies ho t water. System is maximize used of solar energy, to achieve the purpose of energy saving. Economic analysis calculates total cost of the traditional way and the annual, then we get it’s the investment recovery period. Above all results indicated that the system has the energy saving and being economical.
Key words: Solar energy; Air source heat pump; Evaporator; Condenser;
Performance analysis
目录
摘要 (2)
ABSTRACT (3)
1 绪论 (1)
1.1 本课题的研究目的及意义 (1)
1.2太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状 (2)
1.3 本设计的主要研究内容 (4)
2 太阳能辅助空气源热泵热水系统方案 (6)
2.1 太阳能辅助空气源热泵热水系统要求 (6)
2.2 热水供应系统方案设计 (7)
2.3本章小结 (9)
3太阳能集热器数学模型及结构设计 (10)
3.1设计参数 (10)
3.2 平板型太阳能集热器的数学模型 (11)
3.3 平板型太阳能集热器结构 (17)
3.4本章小结 (19)
4 热泵装置各部件数学模型 (19)
4.1 压缩机数学模型 (20)
4.2 蒸发器数学模型及仿真 (23)
4.3冷凝器数学模型及仿真 (33)
4.4膨胀阀模型 (40)
4.5辅助电加热器的选取 (42)
4.6 本章小结 (42)
5.系统节能性和经济性分析 (43)
5.1 系统的节能性分析 (43)
5.2系统的经济性分析 (45)
5.3 本章小结 (46)
6 总结与展望 (47)
参考文献 (49)
致谢 (51)
附录一 (52)
英文翻译 (52)
附录二 (67)
蒸发器仿真程序 (67)
1 绪论
进入21世纪世界对能源的需求越来越大，然而化石能源（如煤炭、石油、天然气等）面临枯竭的困境，并且化石能源的燃烧也会对大气造成污染。因此开发研究新型能源和可再生能源是当前重重之重。太阳能作为最常见，最清洁的能源是首选的新能源；空气源热泵将低位能转变成高位能，节能清洁。
本设计所研究的太阳能空气源热泵热水系统不仅具有节能，清洁的有点，而且还能节约费用，在以后会用更广泛的用途。
1.1 本课题的研究目的及意义
我国主要是用煤炭、燃油、燃气、电锅炉等形式提供商业建筑热水，主要采用电热水器、燃气热水器、太阳能热水器等形式提供民用建筑热水。我国能耗利用率不高，建筑能耗约占总能耗的30%，其中商业建筑热水能耗占总能耗20%一40%，民用建筑热水能耗占20%[1]，所以，在建筑节能工作和提高社会能源使用率上，降低传统燃煤供暖所造成的大气污染，减少建筑能耗，大力推广及使用清洁能源是顺应时代的趋势，对我国缓解和解决大气污染具有重要意义[2]。
从利用热能角度，采用电力、燃气、燃油等高品位热源的热水器，虽然加热效率较高，但实际加热过程中伴随着巨大的熵增损失，将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，来保证太阳能热水器的全天候工作，在我国，对于太阳能资源十分丰富的地区而言，这项课题具有一定的实用价值和现实意义。太阳能热水器具有节能及环保等优势，在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用，但常规太阳能热水器易受气候的影响，不能全天候运行。热泵作为一种高效节能装置，其应用逐渐普及，将热泵节能技术与太阳能热水系
统有机地结合起来，可弥补后者的不足，并实现其高，全天候运行，对节能、环保都有重要的意义[3]。
1.2太阳能辅助空气源热泵系统的研究现状
太阳能—空气源热泵在建筑中的应用已经得到了广泛的推广，这符合走可持续发展道路，节约能源，环保的政策。我国地域广阔，蕴藏这丰富的太阳能资源，因地制宜的在不同的建筑采用不同形式的太阳能—热泵系统，可有效地促进建筑节能水平的提高和人民生活水平的改善，既节约的能源，有保护了环境，符合国家资源和环境战略，太阳能热泵有巨大的发展前景。太阳能集热器本身具有受环境影响大，有间歇性的特点，它与空气源热泵相结合能充分克服太阳能本身的这些缺点，而且还可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发，应用潜力。
1.2.1 国内外太阳能—热泵系统研究现状
国外关于太阳能和热泵联合的研究，可以追溯到20 世纪50 年代由Jordan 和Therkled 提出早期太阳能热泵系统的研究主要集中在民用建筑或公共设施供热这样的大型系统[4]。太阳能热泵的结构型式多种多样，不同结构型式的系统具有不同的性能特性。Chandrasekhar[5]等人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太阳能热泵热水系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。Macarthur[6]对串联式太阳能热泵进行结构优化，并对其投资回收期进行了计算。研究结果表明，太阳能热泵储热器的容量和太阳能集热器的面积是太阳能热泵设计的重点考虑因素，储热器容量和太阳能集热器过大或过小都会极大降低太阳能热泵的经济性；同时给出当地条件下，对于90m2的供热面积，最理想太阳能集热器面积的储热器容积分别为30m2和3.5m2。
在大规模应用方面，国外的研究侧重于与建筑结构及目标对象相结合
包括：以空气源热泵作为住宅的供暖(冷)机组的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖(冷)的研究，在室内或室外露天游泳池中的应用研究，在建筑物余热(排风废热)回收与利用中的应用研究，对冷凝废热回收与利用中的应用研究，人工冰场和游泳池相结合的系统研究以及该技术在工农业中的应用等，美、日、西欧都是热泵主要的应用国家，但他们热泵的发展模式却不尽相同，美国热泵行业的发展主要以单元式热泵空调为先导，生产以空气作为低位热源的单元式热泵空调机组，此后又在空气—空气单元式热泵空调机组的基础上又开发了应用于商业建筑的空气—水热泵和水环热泵系统。
我国对太阳能热泵热水系统的研究起步比较晚，大部分研究集中于直膨式，而并联式即空气源热泵辅助太阳能热水系统的研究比较少。国内研究者对于并联式空气源热泵辅助太阳能热水系统的研究主要有：刘业凤[7]等针对现有的太阳能热泵随太阳能辐射强度变化导致系统不稳定的问题，提出了一种太阳能空气双热源式热泵及热水系统，实现夏季供冷、冬季采暖和全年供生活热水的功能，此系统有环保节能和运行稳定的特性，但是系统无法实现太阳能热泵和空气源热泵同时运行，当太阳能热泵热量不能满足需要的时候使用电加热。王燕俊[8]的太阳能复合热水系统设置了两个冷凝器，普通空冷冷凝器实现热泵空调器的制冷、制热功能，另外一个水冷冷凝器将热泵热水系统和太阳能热水系统结合，利用太阳能和热泵的优势生产热水，此系统可以实现制冷、供暖，制备热水同时进行，实验结果表明，系统运行时，适当增加循环水量，在满足水负荷的前提下，降低热水终温，可有效提高系统整体性能，若使用变频压缩机和电子膨胀阀，不同的工况下实时调节制冷剂的冷量，也可以提高系统整体性能。
马伟斌[9]等提出太阳能—空气双热源热泵中央热水系统在太阳能与热泵结合方面做了很好的尝试，系统可有效解决北方寒冷地区太阳能全年稳定供热水问题,对太阳能空气双热源热泵中央热水系统的原理、特点和应用
前景作了详细的论述。卢春萍[10]等对太阳能-空气源热泵并联供热系统的主要附件建立热力模型，利用VC 语言开发了该供热系统的运行模拟软件，通过模拟来预测该太阳能系统的运行情况，使设计人员对该系统的动态特性有一个较全面的了解，通过模拟得出，在我国北方比较干燥的地区，使用蒸发式制冷新风机组,将极大地减少初投资和设备的运行费用。
上海理工大学教授丁国良[11]对制冷空调装置智能仿真深入研究，提出制冷系统从部件到整体装置的建模与求解方法，基于现代控制理论的空调动态负荷计算理论，以及基于模型的智能化仿真，促进了国际制冷界的设计方法的现代化。林康立[12]通过对某办公楼太阳能和空气源热泵中央热水系统工程的研究，说明了在热水系统中太阳能与空气源热泵结合可以取长补短，实现全年全气候供应热水，节能效果明显，环保和减排效果也较好，但是初投资增大，适应范围也有限。
太阳能空气源双热源复合热泵将风冷热泵技术和太阳能热水技术有机结合，突破了风冷热泵系统低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷，充分利用太阳能和空气能等绿色新能源，可以实现夏季供冷、冬季供暖，全年提供生活热水等多工况运行，充分满足人们生活的需求。操作灵活方便，能够产生更经济的效益。但是这种热泵在我国的使用还不是很广，主要是设备比较复杂，初投资较大，另外只能实行切换式运行，不能同时吸收太阳能和空气的热量。所以如果想大面积推广使用，还需要降低成本，提高能源的利用率。
1.3 本设计的主要研究内容
设计的太阳能辅助空气源热泵热水系统是满足居民生活热水需求，实现节能经济的特点。设计系统包括太阳能热水循环和热泵热水循环，系统满足24小时不间断供应热水。具体内容：
（1）设计太阳能辅助空气源热泵热水系统的方案，简述其工作原理和控制方案。
（2）建立平板型太阳能集热器数学模型，并进行结构计算；计算太阳能集热器的热效率和系统的太阳能保证率。
（3）建立压缩机的数学模型，并依据系统的需求经行选型。建立膨胀阀的数学模型，并进行选型。
（4）建立蒸发器、冷凝器数学模型，用VB语言编蒸发器、冷凝器的仿真程序，对蒸发器、冷凝器进行模拟仿真和分析。
（5）对设计系统进行经济性和节能性分析，通过与传统方式的对比，得出设计系统的节能、经济的优点。
2 太阳能辅助空气源热泵热水系统方案
2.1 太阳能辅助空气源热泵热水系统要求
2.1.1 热水供应系统的功能要求
根据冬季济南某小区一栋楼居民生活用热水的需要，本文设计的太阳能—空气源热泵热水系统满足该栋居民四季正常生活用热水，如洗澡、洗手、厨房用水等，系统供应热水必须是24小时连续。另外，还要满足当太阳能供应不上或供应不足时，热泵单独运行能满足居民的正常生活用水。考虑特殊情况，当热泵也无法工作时，使用电加热的方式供应热水。
本课题供应热水运行模式系统是基于济南某小区一栋居民楼居民热水的需求进行的：
（1）一栋五层居民楼，每层六户，每户大约80m2，楼顶平面积为480 m2。
（2）每户按照4口人计算，一共120人。
（3）系统的应用地点选在山东省济南市。
2.1.2 热水供应系统构建要求
借鉴现在很多热水供应系统的装置都放置在楼顶，特别是学校的澡堂、宾馆，这样既美观又减小了占地面积。本课题设计的太阳能—热泵热水系统中的太阳能集热器、热泵、恒温水箱、储热水箱放置在居民楼的楼顶，这样可以不用再使用泵将热水打到每户，减少初投资。如果居民楼楼顶是阁楼式的，便在楼顶搭建铁架，支撑太阳能集热器、热泵。
供热水的管道必须用保温材料包裹好，以避免在热水运输工程中的热量的损失，特别是在冬季。太阳能集热器最好的朝向是正南，北半球面向正南接受太阳能最多，但是如果居民楼建筑特殊，允许南偏东或者南偏西
10o~15o。储热水箱尽量靠近太阳能集热器[13]。
2.2 热水供应系统方案设计
根据太阳能辅助空气源热泵热水系统运行模式功能要求、构建要求及主要设计参数资料，依据易实现、构造简单、投资成本低的原则，参考了一些成功的案类资料和经验，设计本文系统运行方案。
2.2.1 系统组成
本文设计系统有两个子循环回路组成：太阳能集热器热水循环回路和空气源热泵热水循环回路。太阳能集热器热水循环回路主要由太阳能集热器、温度传感器、水泵、控制器、储热水箱、恒温水箱；空气源热泵热水循环回路由蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、循环水泵等组件组成。
太阳能—空气源热泵热水系统原理图如2.1所示
储热水箱
恒温水箱
生活供水
辅助电加热器
太阳能集热器
自来水
冷凝器
膨胀阀
压缩机
蒸发器
空气
图2.1系统原理图
2.2.2系统工作原理
该热水供应系统当晴天的时候太阳能集热器工作产生热水，利用水泵
使热水在储热水箱和太阳能集热器之间循环，不断加热，储热水箱中的水达到设定温度时进入恒温水箱。恒温水箱中的水保持恒定温度，并提供给用户使用。自来水直接供应给储热水箱，以便自来水在太阳能集热器和贮热水箱循环时加热。当白天阳光不足、晚间或者阴雨天时，太阳能集热器不能供应足热水时，空气源热泵就工作产生热水满足要求。冷凝器与恒温水箱组成一个热水循环回路，不短加热热水，保持恒温水箱的水温。
热泵内的循环：制冷剂（R22）在压缩机中被压缩成高压高温的过热气态，进入冷凝器中，与水换热，将水加热到所需要的温度。换热后的制冷剂再进入热力膨胀阀，等焓降压，之后再进入蒸发器中，吸收空气的热量蒸发成气态，最后又进入压缩机，完成整个循环。
此外，在恒温水箱内还用电加热器，避免当太阳能集热器和空气源热泵都无法工作供应热水的情况。当恒温水箱中的水温度达不到时，电加热器直接加热恒温水箱内的水，保持恒温水箱内水温恒定。
2.2.3热水供应系统运行方案
设计的太阳能辅助空气源热泵热水系统能够满足一天24小时不间断供应热水。储热水箱中有温度传感起和水位传感器，储热水箱中有一个温度设定值和水位上限值、水温下限值。恒温水箱中也有温度传感器和水温传感器，但是恒温水箱中温度有三个设定值（设定值1、设定值2和设定值3）和水位上限值、水温下限值。
晴天时，早上太阳能集热器还无法正常工作，不能将水温加热到居民所需的温度时，空气源热泵便开始工作，加热水直到设定温度3。当太阳能集热器能正常工作，将储热水箱中的水温加热到设定温度时，热泵停止运行，便由太阳能集热器供应热水。下午太阳辐射变弱，不足以使太阳能集热器加热水温到所需的值，恒温水箱中的水温会下降，低于设定值1时，空气源热泵便开始工作。晚上太阳能集热器无法工作，只能由空气源热泵
供应热水。
阴天时，太阳能集热器无法正常工作，只能由空气源热泵来供应热。此时，储热水箱和恒温水箱之间的阀门关闭，只有当恒温水箱中的水位定于上限水位时，储热水箱中的水才进入恒温水箱，保持恒温水箱的水位。
储热水箱中的水位传感器，当储热水箱中的水位低于设定值时，自来水自动加水。储热水箱中的温度传感器用来：当太阳能集热器把储热水箱中的水加热到设定的温度值时，储热水箱与恒温水箱之间的阀门打开，储热水箱的水流入恒温水箱。恒温水箱中的温度传感器用来：当恒温水箱中的水低于设定值1时，空气源热泵运行，加热恒温水箱中的水到设定值3，以保持恒温水箱水温恒定；当恒温水箱中的水低于设定值2时，恒温水箱中的电加热器工作，直接加热恒温水箱中的水到设定值3，维持水温。
储热水箱中的水位传感器：自来水管道上的阀门与水位传感器相连，当储热水箱中的水位低于下限的设定值时，阀门打开，储热水箱自动加水，水位达到水位上限值时，阀门关闭。恒温水箱中的水位传感器与储热水箱水位传感器作用相同，当水位低于下线设定值时，储热水箱连通恒温水箱的阀门打开，给恒温水箱加水。恒温水箱中的水位传感器是优先与温度传感器的，就是当水位传感器低于设定值时，不论水箱中温度如何，都要给恒温水箱加水。
冬天出现及低温的时，空气源热泵可能会结霜，而无法正常工作，电加热器就会工作，保证居民正常使用热水。设计系统除了正常使用的热泵以外还有备用的，防止当工作中热泵出现故障无法正常供应热水的情况。
2.3本章小结
本课题研究的是太阳能辅助空气源热泵热水系统的装置设计，先进行系统的设计，了解本课题系统的基本功能要求和运行模式。设计是基于初
始设计参数，进而设计或选型各个装置。
3太阳能集热器数学模型及结构设计
3.1设计参数
3.1.1 热负荷计算
（1）济南地区气象资料
①年平均气温 14.7℃
②季节日平均气温：夏季（6月~8月，92天），26.7℃；春秋季（3月~5月、9月~11月。一共183天），15.5℃；冬季（12月~2月，90天），1.5℃。
③最高月平均气温：27.5℃；最低月平均气温：—0.4℃。
④该地区年日照时间2616.8h ，太阳能年总辐射量5016~5852W/m 2·y ，日照百分率47﹪~62﹪.
（2）自来水温度：春季，15℃；夏季，22℃；秋季，15℃；冬季，2℃。
（3）日用热水量：21.6t ，其中人的洗浴70~150L/人；厨房：50~80L/人；衣物洗涤20~40L/人；室内卫生用水10~30L/人[14]。
（4）日用热负荷：按冬季平均日气温1℃，上水温度2℃，热水温度45℃， ()==21t -t m ×c Q 3889.574MJ
式中，t 1,2—热水温度、自来水温度，℃；
3.1.2 恒温水箱容积计算及材料选择
（1）居民用热水高峰时段为晚上7：00—10：00，共3个小时。
（2）热水供应系数为0.75[12]。
（3）高峰时段总的用水量：每个人洗浴取100L ，厨房没人用水50L ，计算的用水量为13.5m 3。