多功能热泵系统的智能控制及能效评价方法研究

论文摘要

本课题研究的多功能热泵系统（Multi-functional heat pump system,简称MHPS）能够把空调和热水器有机的结合起来,不仅提高了综合能效比和设备利用率,而且在夏季可以减少空调向环境的热排放量,从而达到节能减排的目的。然而,由于MHPS的工作模式多、运行工况不稳定并且控制复杂,机器的可靠性问题严重阻碍了该技术的推广与应用。此外,由于MHPS实际的使用情况非常复杂,机组的能效与其应用的地域、用户侧的使用习惯以及用水量需求等都有很大关系,因此如何制定一套有效的检测方法以及评价指标来反映机组实际使用过程中的节能效果也十分重要。基于上述因素,本文展开了以下研究工作:搭建了MHPS实验系统,部件及控制系统的设计遵循以下原则:一、系统简单可靠,运动部件尽可能少;二、控制稳定,尤其是机组对变工况等因素的适应能力要强。针对空调兼热水模式下的MHPS和常规空调进行了热力学分析比较,量化了空调兼热水模式下MHPS和常规空调机组在能效比与火用效率两方面的差异,明确了系统热力性能与部件结构参数、运行工况、运行模式等因素间的关系,为系统的匹配优化以及调控提供了有力的理论依据。单独制热水模式是MHPS的主要工作模式之一。在进行MHPS实验研究前,我们在恒温室专门先进行了的空气源热泵热水器的电子膨胀阀调控规律的研究。针对热泵热水器运行时特殊的对象特性,提出了一种具有自适应功能的双模糊控制方法,分别对启动阶段电子膨胀阀的开度以及热水加热过程中电子膨胀阀的开度进行设定和调节。实验结果表明,采用上述控制方法,电子膨胀阀可以避免湿压缩和系统参数的振荡,使不可逆损失减少,从而提高了机组的效率。在环境温度分别为5 oC,20 oC和35 oC的条件下,相比热力膨胀阀控制的系统,采用电子膨胀阀的热泵热水系统,其COP分别提高了8.2%,5.5%和6.1%,并且机组稳定性得到明显改善。文中比较分析了空调制冷兼制热水模式下系统的冷凝温度、蒸发温度、过热度、过冷度、压缩机排气温度、压缩机功率、制冷量及制冷COP在冷凝热水回收开启前后的变化情况。并对相关机理进行了深入分析,揭示了系统性能及各参数在热回收前后变化的本质,提出了电子膨胀阀预判断控制的策略。实验结果表明,当水箱中的水温较低时,在热水回收启动瞬间会导致空调侧制冷量的突降,之后制冷量会迅速恢复并保持在热回收之前的制冷量。由于机组的压缩机功率在热水回收期间也有较大幅度的下降,使得在加热热水过程中的平均制冷COP有所提高,系统整体运行更经济。分析了地理区域、用水量需求以及用户侧用水习惯对单独制热水模式下MHPS实际运行能效的影响,提出了用全年综合运行工况作为参照工况点来对单独制热水模式下的多功能热泵机组进行能效评定的方法。对不同模式下制冷量和制热量的测试方法、水箱当量容积测定、水箱保温性能评价、热水加热过程中辅助电加热比例等多功能热泵机组检测过程中的关键问题展开分析研究。此外,还根据我国5个不同的气候区域的特点,按运行模式和温区对MHPS进行了各种运行模式的累积时间分布研究,给出了MHPS的能效评价指标APF的计算依据。本课题的研究成果对于多功能热泵机组的实用化、商业化以及其相关标准的制定都具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 热泵的发展历史及发展趋势
• 1.2.2 多功能热泵系统的工作原理
• 1.2.3 多功能热泵系统的研究现状
• 1.2.4 智能控制技术在热泵中的应用
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 多功能热泵系统设计与实验装置介绍
• 2.1 多功能热泵系统的工作原理
• 2.2 多功能热泵的系统设计
• 2.2.1 研制目标
• 2.2.2 循环方式及实现方法
• 2.2.3 多功能热泵机组的部件设计
• 2.3 实验装置及测量系统的建立
• 2.3.1 实验装置构建
• 2.3.2 数据采集和监视系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 多功能热泵机组运行过程的热力学分析
• 3.1 运行工况分析
• 3.2 多功能热泵机组与常规空调的热力学分析比较
• 3.2.1 制冷模式下常规空调的能量平衡及火用分析
• 3.2.2 制冷兼热水模式下多功能热泵机组的能量平衡及火用分析
• 3.2.3 制热模式下常规空调的能量平衡及火用分析
• 3.2.4 制热兼热水模式下多功能热泵机组的能量平衡及火用分析
• 3.3 控制方式对系统热力学性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 单独制热水模式下电子膨胀阀的控制策略与算法研究
• 4.1 电子膨胀阀调节原理及控制理论
• 4.2 单独制热水模式下多功能热泵机组的对象特性研究
• 4.3 电子膨胀阀的控制策略与算法研究
• 4.3.2 启动过程中电子膨胀阀的控制方法
• 4.3.3 最小稳定过热度机理分析及目标过热度的最优控制
• 4.3.4 稳定运行过程中电子膨胀阀的控制策略与算法
• 4.3.5 电子膨胀阀的其他控制策略
• 4.4 实验结果对比与分析
• 4.4.1 过热度及电子膨胀阀开度
• 4.4.2 排气温度
• 4.4.3 制热量及能效比
• 4.5 本章小结
• 第五章 多功能热泵机组各模式下的运行特性及分析
• 5.1 单独制热水模式
• 5.1.1 冷凝压力与蒸发压力
• 5.1.2 过热度
• 5.1.3 能效比
• 5.2 单独空调制冷模式及空调制冷兼热水回收模式
• 5.2.1 冷凝热回收前后系统各参数的瞬态变化（TEV）
• 5.2.2 冷凝热回收对空调性能影响的机理分析
• 5.2.3 空调制冷兼热水回收模式下电子膨胀阀的控制方策略
• 5.2.4 不同节流元件下系统参数比较
• 5.3 单独空调制热模式
• 5.3.1 地板采暖形式下系统各参数的变化
• 5.3.2 地板采暖形式下系统性能的变化
• 5.4 各运行模式下制冷剂流量调节范围及控制方法研究
• 5.4.1 不同运行模式下制冷剂流量调节范围比较
• 5.4.2 多功能热泵机组电子膨胀阀总体控制策略
• 5.5 本章小结
• 第六章 多功能热泵机组的能效指标与评价方法研究
• 6.1 热泵热水器评价指标研究
• 6.1.1 上海及广州地区气候条件
• 6.1.2 不同工况下机组的COP 计算比较
• 6.1.3 全年不同工况下机组每月运行能耗比较
• 6.1.4 地理区域差异对空气源热泵热水机组全年综合能效的影响
• 6.1.5 用户侧热水需求量的变化对空气源热泵热水机组全年综合能效的影响
• 6.1.6 用户用水习惯对空气源热泵热水机组全年综合能效的影响
• 6.2 多功能热泵机组全年综合能效评定
• 6.2.1 多功能热泵机组的测试内容及方法的关键问题研究
• 6.2.2 不同运行模式下累积运行时间分布
• 6.2.3 多功能热泵机组全年运行的能效（APF）的确定
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的研究内容总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 后续工作展望
• 参考文献
• 附录一 产品开发、第三方测试及实际应用情况
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢