无霜空气源热泵系统的实验研究

论文摘要

本文基于空气源热泵结霜机理,从破坏结霜的两个条件出发,提出了“无霜空气源热泵系统”(Nonfrosting Air Source Heat Pump System,Nonfrosting ASHP System)这一新的系统形式,并且设定了适用于新系统的运行模式,搭建了实验台,通过实验验证,证明此系统具有可行性且节能效果显著。本文研究了除霜机理,发现改变室外空气的露点温度使其低于翅片表面温度或者保证凝结在翅片上的液体在低于0℃时仍以液相状态存在,做到以上两方面任意一点就能从根本上防霜或者除去已经结成的霜。在此设想基础上,提出了无霜空气源热泵新系统,即在室外机部分布置溶液喷淋装置,适时向室外机翅片管喷洒低凝固点的具有吸水性的雾状防冻溶液。对无霜空气源热泵系统的热湿传递机理分析后,提出了“连续喷淋”和“间歇喷淋”两种运行模式,拟定了贮存溶液夏季集中再生的溶液再生模式。比较了现有除湿剂的特点,从系统需要出发,选取甘油水溶液作为喷淋溶液。设计和搭建了无霜空气源热泵实验台(Nonfrosting ASHP Experiment Rig),该实验台能在不同室外温湿度条件下,进行空气源热泵常规除霜、溶液喷淋除霜实验,并且对实验数据实现自动采集。经过计算,系统COP相对误差8.9%,COP相对值的相对误差为2.2%,满足实验所需精度。在不同室外环境下,进行了溶液连续喷淋防霜实验和溶液间歇喷淋除霜实验,并与常规热泵空调系统的逆循环除霜进行对比。实验证明对无霜空气源热泵两种运行模式而言,“连续喷淋”模式能防止结霜,“间歇喷淋”模式能及时、高效地融化霜层,新系统具有可行性。比较三种运行模式下的机组自身性能指标,热舒适性和经济性指标,溶液喷淋时,机组稳定性较强,且能连续供热,送风温度基本无变化。比较运行周期内系统的综合能效系数COPe(Coefficient of Performance equivalent),间歇喷淋最佳,逆循环除霜次之,连续喷淋较差;当综合考虑热舒适性和经济性指标E&TCI(Economic and Thermal Confort Index)时,间歇喷淋最佳,连续喷淋次之,逆循环除霜最差。实验探索了连续喷淋模式最优运行时间控制方式。以风量变化为基本标准,提出了θ判据来控制喷淋开始和结束时间。通过实验确定喷淋溶液的适宜浓度范围是35~65%,单位迎风面积喷淋流量0.53~0.64 t/(h·m2)。综合来看,无霜空气源热泵系统有较强可行性,相对逆循环除霜优势显著。在对实验数据进行分析总结的基础上,最后提出了优化建议和措施。本课题来源于2010年度高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)项目“无霜空气源热泵系统创新及其机理研究(20102302110045)”。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 空气源热泵防霜国内外研究现状
• 1.2.2 空气除湿国内外研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 无霜空气源热泵系统的设计
• 2.1 无霜空气源热泵系统的理论基础
• 2.1.1 无霜空气源热泵系统的提出
• 2.1.2 无霜空气源热泵系统特征
• 2.1.3 无霜空气源热泵系统的两种运行模式
• 2.1.4 无霜空气源热泵喷淋溶液的再生
• 2.2 无霜空气源热泵系统的结构设计
• 2.3 喷淋溶液的选取
• 2.4 本章小结
• 第3章 无霜空气源热泵实验台设计和搭建
• 3.1 无霜空气源热泵实验台的构成
• 3.1.1 空气源热泵系统
• 3.1.2 溶液喷淋系统
• 3.1.3 人工环境小室
• 3.1.4 数据采集系统
• 3.2 设备和传感器选型
• 3.3 测点的布置位置和形式
• 3.4 数据测量及采集系统的误差
• 3.5 本章小结
• 第4章 无霜空气源热泵系统实验研究
• 4.1 常规除霜实验
• 4.1.1 不结霜工况实验
• 4.1.2 结霜工况实验
• 4.1.3 逆循环除霜实验
• 4.2 溶液连续喷淋防霜实验
• 4.2.1 溶液连续喷淋对系统的影响
• 4.2.2 不同喷淋参数对系统的影响
• 4.2.2.1 改变流量喷淋对系统的影响
• 4.2.2.2 改变浓度喷淋对系统的影响
• 4.3 溶液间歇喷淋除霜实验
• 4.3.1 间歇喷淋的可行性实验验证
• 4.3.2 间歇喷淋的控制策略
• 4.3.3 间歇喷淋不同喷淋参数对系统的影响
• 4.3.3.1 改变流量喷淋对系统的影响
• 4.3.3.2 改变浓度喷淋对系统的影响
• 4.3.4 溶液间歇喷淋的适用性
• 4.4 本章小结
• 第5章 无霜空气源热泵系统的优势和优化
• 5.1 经济性和热舒适性综合指标
• 5.2 无霜空气源热泵系统的优势
• 5.3 无霜空气源热泵系统的优化
• 5.3.1 运行机理的探索
• 5.3.2 选取适用于该系统的设备
• 5.3.3 控制方式的改进
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢