空气源热泵相变蓄能除霜系统动态特性研究

论文摘要

空气源热泵(Air Source Heat Pump,ASHP)在低温高湿环境运行时,室外换热器结霜会引起热泵供热性能下降,因此需要周期性除霜来保证其正常运行。目前常用的逆循环除霜,由于除霜时缺少低位热源常导致除霜综合性能差,系统不稳定,可靠性差等问题。针对这一问题,提出了基于相变蓄能技术的空气源热泵蓄能除霜系统以提高除霜时的稳定性和可靠性。本文研究了该新系统的动态运行特性,主要研究内容如下:研制了空气源热泵相变蓄能除霜系统关键部件——双螺旋盘管相变蓄热器,搭建了空气源热泵相变蓄能除霜系统实验台,开展了空气源热泵相变蓄能除霜实验研究,探索了新系统的多种蓄热模式、供热模式和除霜模式的可行性,并进行了选优工作。实验结果表明:相变蓄热器具有很高的蓄热效率,串联蓄热模式是目前最佳的蓄热模式,运行稳定可靠;在串联供热模式、连通供热模式和非连通供热模式中,串联供热模式的系统性能系数最高;在串联除霜,单独除霜、并联除霜和传统室内机单独除霜四种除霜模式中,蓄热器单独除霜除霜速度最快,压缩机吸气压力最高,并且系统由除霜转为供热时,室内机吹出空气温度最高,几乎没有影响室内的舒适度。建立了两侧均有相变发生的双螺旋盘管相变蓄热器的动态数学模型。基于能量守恒的原则,推导出当量对流换热系数,避免了数值求解时邻近螺旋盘管的不规则形状微元的大量网格划分。模拟分析了相变蓄热器的蓄热和释热特性,发现该相变蓄热器具有较快的蓄放热速度,可以满足除霜的要求。研究分析了空气源热泵蓄能除霜系统各运行阶段的特点和机理,建立了空气源热泵相变蓄能除霜系统部件在各个运行阶段的数学模型,重点是除霜工况下的室外机除霜模型、供热工况下的室外机结霜模型;通过质量守恒、动量守恒和能量守恒将部件模型有机结合,建立了空气源热泵相变蓄能除霜系统的动态仿真模型,涵盖系统结霜模型、系统释热除霜动态模型和系统蓄热兼供热动态模型。接着,选取典型的反映系统特性的实验参数对动态仿真模型进行了验证,结果表明模型能很好地反映系统各阶段的物理过程。基于验证的系统仿真模型,研究了相变蓄能除霜系统除霜过程中室外机翅片管内制冷剂温度和干度沿管长分布的变化、翅片管表面温度分布变化及制冷剂在整系统内的迁移规律等系统的动态特性。发现除霜过程冷凝压力和室外机表面温度先升高后降低、高低压侧的制冷剂质量呈现出类似正弦和余弦的变化。基于验证的系统仿真模型,研究了毛细管长度、相变蓄热器换热面积、气液分离器容积、室外空气的温度对除霜的影响。结果表明:毛细管的长度越短,除霜速度越快;增大相变蓄热器换热面积可降低气液分离器内液面高度,减少了压缩机湿压缩的可能性;空气温度对除霜后期室外盘管表面对流换热损失影响较大。基于验证的系统仿真模型,研究了除霜过程中各项热量损失值随时间的变化及分配、除霜能量来源及比例。结果表明除霜后期(当干表面积百分比达到70%以上时)室外机和室外空气自然对流所占比例较大,相变蓄热器为除霜提供了大部分能量,发挥了低位热源作用。本文的研究工作,为空气源热泵在我国夏热冬冷地区的推广和高效运行提供了重要的理论基础和技术储备,也为我国建筑节能工作提供具有重要应用价值的技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 空气源热泵的发展
• 1.1.2 空气源热泵运行和发展的制约因素
• 1.1.3 课题的提出及研究的意义
• 1.2 国内外在该方向的研究现状
• 1.2.1 防止或延缓结霜方法的研究
• 1.2.2 空气源热泵除霜的研究现状
• 1.2.3 国内外除霜现状总结
• 1.2.4 相变蓄能技术研究现状
• 1.2.5 国内外相变蓄能研究总结
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 空气源热泵相变蓄能除霜系统实验研究
• 2.1 空气源热泵蓄能除霜系统原理简介
• 2.2 实验目的
• 2.3 空气源热泵蓄能除霜系统实验台的构成
• 2.3.1 测试样机及测点布置
• 2.3.2 室外环境模拟小室及温湿度调节系统
• 2.3.3 数据采集系统
• 2.3.4 系统理论运行模式和实验方案
• 2.4 实验结果分析
• 2.4.1 相变蓄热器蓄热模式的研究
• 2.4.2 除霜用相变蓄热器对空气源热泵性能的影响
• 2.4.3 除霜方式比较与选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 螺旋盘管相变蓄热器数学模型及特性研究
• 3.1 相变蓄热器数学模型
• 3.1.1 螺旋盘管数学模型
• 3.1.2 相变材料数学模型
• 3.1.3 边界条件
• 3.1.4 物性参数
• 3.2 相变蓄热器数学模型的数值求解
• 3.2.1 螺旋盘管相变蓄热器几何结构的简化
• 3.2.2 螺旋盘管边界的处理
• 3.2.3 相变边界微分方程的离散
• 3.2.4 数值求解
• 3.3 相变蓄热器模拟计算与结果分析
• 3.3.1 蓄热过程模拟结果分析
• 3.3.2 相变蓄热器释热过程分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 空气源热泵相变蓄能除霜系统动态模型研究
• 4.1 空气源热泵相变蓄能除霜系统运行动态过程分析
• 4.1.1 供热结霜阶段
• 4.1.2 结霜转除霜阶段
• 4.1.3 除霜阶段
• 4.1.4 除霜转蓄热兼供热阶段
• 4.1.5 蓄热兼供热阶段
• 4.2 室外机除霜和结霜模型
• 4.2.1 除霜模型
• 4.2.2 室外机结霜模型
• 4.3 制热工况室内机模型
• 4.3.1 制冷剂侧数学模型
• 4.3.2 室内机管壁方程
• 4.3.3 管外侧空气部分
• 4.4 压缩机数学模型
• 4.4.1 压缩机容积效率和输气量
• 4.4.2 压缩机功率
• 4.4.3 排气温度
• 4.5 毛细管数学模型
• 4.5.1 毛细管控制方程
• 4.5.2 毛细管内制冷剂压力降
• 4.6 气液分离器数学模型
• 4.7 连接管路数学模型
• 4.8 系统转换过程部件模型
• 4.9 系统模型求解
• 4.9.1 运行工况转换模型的求解
• 4.9.2 结霜系统模型求解
• 4.9.3 除霜模型和蓄热兼供热数学模型求解
• 4.10 本章小结
• 第5章 空气源热泵相变蓄能除霜系统模型的验证与分析
• 5.1 结霜数学模型的验证与分析
• 5.1.1 空气源热泵系统结霜模型的验证
• 5.1.2 空气源热泵室外机结霜特性分析
• 5.2 除霜模型的验证与分析
• 5.2.1 压缩机吸排气压力的比较与分析
• 5.2.2 室外机壁温的比较与分析
• 5.2.3 压缩机功率的对比与分析
• 5.3 蓄热兼供热模型的验证与分析
• 5.3.1 压缩机吸排气压力的对比与分析
• 5.3.2 压缩机功率的对比与分析
• 5.3.3 室外机壁温的对比与分析
• 5.3.4 室内机壁温的对比与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 空气源热泵相变蓄能除霜系统特性及影响因素分析
• 6.1 蓄能除霜过程动态特性分析
• 6.1.1 除霜过程室外机管内制冷剂温度和干度的变化
• 6.1.2 翅片管表面温度分布变化
• 6.1.3 除霜过程制冷剂的迁移
• 6.2 影响因素分析
• 6.2.1 毛细管长度对除霜的影响
• 6.2.2 相变蓄热器对除霜的影响
• 6.2.3 气液分离器对除霜的影响
• 6.2.4 空气温度对除霜的影响
• 6.3 相变蓄能除霜能量分析
• 6.3.1 耗热量随时间的变化
• 6.3.2 除霜能量分配分析
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历