直膨式太阳能热泵系统的数学建模及验证_胡巍亚_侯亚祥_曹玉春_蒋绿林_陈孚江.pdf

0引言 太阳能热泵系统一般由太阳能集热器和热泵 系统两部分组成，在直膨式太阳能热泵系统中，热 泵系统的蒸发器由太阳能集热器取代， 其系统主 要由太阳能集热蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、 干燥过滤器及相应管路部件构成。 太阳能热泵系 统兼备了太阳能和热泵的优点，具有集热效率高， 耗电耗能少等优点，现阶段主要应用于采暖、干燥 和生活热水等领域。 太阳能热泵系统的研究主要从理论分析和实 验研究两个方面着手， 通过理论分析系统的各个 部件，找出各部件之间的相互联系及各自的特性， 经过实验研究不断优化设计， 使系统各部件之间 达到最佳的匹配，提高和改善系统的性能、变工况 特性和可靠性。对于太阳能热泵系统的数学模型， 一般可分为稳态模型和动态模型。 稳态模型是指 模拟系统在稳定工况下运行的数据结果处理分 析，一般不需要考虑各部件变化频率的量级大小， 即由不含时间量的代数方程组求解得到结果；而 动态仿真模型则要考虑时间量级对系统影响的运 行分析。 本文对直膨式太阳能热泵系统的重要部 件建立了数学稳态模型， 并给出了模型的求解方 法[1]，[2]。 1 数学模型的建立 1.1 有盖板的平板太阳能集热蒸发器数学模型 平板太阳能集热蒸发器 [3]作为低温换热蒸发 器，制冷剂在板内吸收太阳辐射和环境中的热量， 通过压缩机绝热压缩把热量传递给冷凝器向被加 热对象释放热量。太阳能集热蒸发器（以下简称集 热器）中制冷剂主要以相变换热为主，其物理模型 如图 1 所示。 从图 1 中可看出，在制冷剂侧，管内包含两相 区和过热区两个相区，装置在稳定运行过程中，制 冷剂经节流后以低干度的气液两相状态进入集热 蒸发器，在太阳照射的条件下逐渐受热蒸发，最终 以过热气体状态离开集热器。 沿着制冷剂流动方 向可以将集热器划分若干微单元， 并建立分布参 数数学模型。 图 2 所示为集热器中一基本微元管段截 面 图。 图中， h 1 和 h 2 分别为微元段制冷剂进口和出 口 焓 值， T 1 和 T 2 分 别 为 微 元 段 制 冷 剂 进 口 和 出 制冷剂 两相区 过热区 管壁 直膨式太阳能热泵系统的数学建模及验证 胡巍亚， 侯亚祥， 曹玉春， 蒋绿林， 陈孚江 （常州大学 能源与动力工程系， 江苏 常州 213016 ） 摘 要： 文章建立了直膨式太阳能热泵系统的数学模型，其中包括有盖板的平板太阳能集热蒸发器数学模型、 压缩机数学模型、冷凝器数学模型以及膨胀阀数学模型，并从两种角度对该数学模型进行求解，同时建立了实 验平台，以实验数据来验证模型的正确性。 结果表明，实验计算所得 COP 为 6.18 、集热效率 η 为 0.65 ，模型的两 种求解所得 COP 分别为 7.11 和 6.95 、集热效率 η 分别为 0.71 和 0.68 ，将模型求解结果与实验计算结果进行对 比，同时考虑理论与实际所允许的差距，可得该文建立的模型是正确的。 关键词： 直膨式太阳能热泵系统； 数学模型； 模型求解； 实验验证 中图分类号： TK515 ； TB657 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292 （ 2016 ） 05-0645-05 收稿日期： 2015-11-26 。 基金项目： 国家自然科学基金项目（）；江苏省高校自然科学基金项目（ 13KJB560001 ）。 通讯作者： 曹玉春（ 1973- ），男，副教授，博士，主要从事能源高效利用研究工作。 E-mail ： yuchun_cao@163.com 图 1 集热器物理模型示意图 Fig.1 Schematic diagram of the model for collector 图 2 集热器微元段截面图 Fig.2 Cross-section view of the collector 太阳辐射 制冷剂进口 T 1 ， h 1 制冷剂出口 T 2 ， h 2 可再生能源 Renewable Energy Resources 第 34 卷 第 5 期 2016 年 5 月 Vol.34 No.5 May 2016 · 645 · DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2016.05.003 口温度，太阳辐射均匀照射集热器上表面。 对于集热器，简化假设具体如下： ① 集热管水平放置，不考虑重力影响，制冷剂 在管内流动为均相流； ② 换热管内截面积沿管长方向保持不变； ③ 忽略任何沿轴向的导热； ④ 忽略制冷剂侧压降。 基于以上假设， 对每个基本微元段建立管内 制冷剂流动换热方程： Q r =m r （ h 2 -h 1 ） （ 1 ） 式中： Q r 为制冷剂吸热量， W ； m r 为制冷剂质量流 量， kg/s ； h 1 为制冷剂进口焓值， kJ/kg ； h