直膨式太阳能辅助热泵空调热水器及热经济分析

1、前言

　　利用空气源热泵和太阳能进行住宅采暖、空调与制取生活热水,是建筑节能和可再生能源利用以及污染物减排的重要议题。然而,空气源热泵冬季用做制热运行时,一个严重问题是当室外气温过低时,室外换热器表面结霜。随着表面霜层的增厚,空气流通面积减小,空气流动阻力增大,从而使风机流量减小;同时,霜层形成的热阻会进一步恶化盘管的换热效果,从而导致室外换热器吸热量不足、热泵性能衰减,严重时甚至会致使热泵不能正常工作、故障死机。太阳能热水器则存在着受天气状态影响较大的不足。而且,空调器和热水器相互独立,设备费用高,利用率低,空气源热泵在冬季寒冷天气运行中的问题也没有得到解决。

　　直膨式太阳能辅助热泵(DX-SAHP)技术综合了太阳能热利用与空气源热泵的优点,扬长避短,是解决上述问题的有效途径之一。DX-SAHP的概念由Sporn等人于1955年首次提出,20世纪70年代后期开始,形成了DX-SAHP技术的第一个研究高峰期, 1988年后的近10年时间,研究活动相对处于低谷。从1997 年开始,对DX - SAHP技术的研究重新兴起,并且出现了持续上升的势头 。

　　作者设计出了一种DX-SAHP 空调热水器 。它由室外机、室内机和热水单元组成,是一种利用DX - SAHP技术和空气源热泵空调热水技术的中央采暖、空调、热水一体化热泵设备,适用于住宅集中采暖、空调、供热水,也可用于小型饭店、旅馆和小型办公楼。系统的基本运行模式包括制冷(夏季空调) 、采暖、制热水,可能的衍生模式包括制冷的同时制热水、采暖的同时制热水以及除霜。本文对其制冷、采暖、制热水3种典型运行模式进行介绍,并对其节能减排情况进行分析。

2、DX-SAHP空调热水器的结构及其典型运行模式

　　作者设计的一种DX-SAHP空调热水器由室外机、室内机和热水单元组成,如图1所示。

图1　DX - SAHP空调热水器结构示意

　　室内机可以是多联机式室内机群。室内机也可以是由风机、蒸发/冷凝盘管和金属箱体组成的空气处理机,风机和蒸发/冷凝盘管在金属箱体内。金属箱体有一个回风口,一个送风口。太阳能集热/散热器上表面还可以安装太阳能光伏电池。膨胀器组件可以是单个部件,也可以是多个部件的组合。下面对其制冷、采暖、制热水3种典型运行模式分别进行介绍。

2.1、直膨式太阳能辅助热泵空调热水器制冷模式

　　压缩机启动。四通阀的A 端与D 端接通, B端与C端接通。第三个电磁阀关闭。第一个电磁阀打开。高温高压气体制冷剂经过压缩机的排气口,经由第一个电磁阀,进入四通阀的A端,流出四通阀的D端,进入室外蒸发/冷凝器。在室外蒸发/冷凝器内,该高温高压气体制冷剂通过室外蒸发/冷凝器释放热量给室外空气,从而凝结成高温高压液体。然后,该高温高压液体经过膨胀阀组件膨胀为低温低压的两相流。该低温低压两相流制冷剂进入室内机的蒸发/冷凝盘管,通过该蒸发/冷凝盘管吸收室内空气的热量而蒸发成低温低压气体,然后依次经过四通阀的C端和四通的B端,进入压缩机的进气口。在压缩机中,该低温低压气体制冷剂被压缩成高温高压气体制冷剂,完成了一个制冷循环。制冷循环不断重复,维持夏季制冷模式。室外机风机的开关取决于太阳能集热/散热器是否有足够的散热能力。第二个电磁阀由室外蒸发/冷凝器的入口温度和太阳能集热/散热器的表面温度控制。