太阳能热泵热水器的分类及工作原理_三_

太阳能

太阳能热泵热水器的分类及工作原理（三）

压缩机及其他配件的选型：压缩机是热泵系统的“心脏”，起到压缩和输送制冷剂的作用，其热工性能的优劣对系统性能起到决定性作用。对于小型家用太阳能热泵热水器则可以考虑采用冰箱压缩机，以降低噪声。针对以上设计，可选用Ｄａｎｆｏｓｓ公司制造的ＦＲ８．５Ｇ型全封闭活塞式压缩机，适用工质为Ｒ１３４ａ，压缩机排气

３

量为７．９５ｃｍ，电机额定输入功率为２１５Ｗ，适配电源为２２０～２４０Ｖ／５０Ｈｚ家用电源。该类压缩机的优点是：能适应较广阔的压力范围和制冷量的要求，且技术上较为成熟，造价也较低廉。为了防止压缩机运行过程中出现吸气压力过低或排气压力过高等异常情况而造成损坏，为其配备了一个Ｄａｎｆｏｓｓ－ＫＰ１５高、低压力控制器加以自动保护。

小型空调制冷装置通常采用毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等节流机构。考虑到太阳能热泵热水器的工作条件变化较大，系统内制冷剂的循环流量亦随时处于变化中，系统所采用的节流装置应具有较大的流量调节范围。选用调节能力和价格都居中的热力膨胀阀是技术经济较为合理的方案。可采用ＤａｎｆｏｓｓＴＥＮ－２型外平衡式热力膨胀阀。

汽液分离器安装在压缩机吸气管路上，将从蒸发器流出的液态制冷剂分离出来，避免压缩机受到“液击”，影响其正常工作。贮液器是液态制冷剂的贮存罐，安装在冷凝器出口管路上。贮液器的应用可以减小制冷剂充注量对系统性能的影响，因此带贮液器的制冷装置对充注量没有严格要求。在制冷剂液管上装有干燥过滤器，以防止灰尘、金属碎屑等进入膨胀阀造成堵塞，而且干燥剂能够吸收制冷剂中夹带的水分，以免水分在通过膨胀阀节流时由于温度急剧下降而冻结，造成“冰堵”，尤其是对于Ｒ１３４ａ压缩机，油中混有水分也会产生油渣和酸性物质而损坏系统。这里可以采用Ｄａｎｆｏｓｓ公司生产的ＤＭＬ０３３型干燥过滤器，其温度使用范围是－４５℃～６５℃。

３．系统构建

考虑到直膨式太阳能辅助热泵热水器在城乡各类建筑中的适用性，尤其是方便高层及多层建筑中非顶层住户的安装和使用，系统构建拟采用分体式结构，即将太阳能集热／蒸发器作为室外部分倾斜安装在屋顶之上或垂直挂装在外墙或阳台外壁上，将压缩机、贮热水箱等其余部件则装配为一个整体作为室内机放置在

（ａ）室外

!吴明

房间内或阳台上，室内、外机之间采用紫铜管加以连接。分体式太阳能热泵热水器的实际安装情况如图５所示。

制冷器具

（ｂ）室内

图５太阳能热泵热水器分体式安装情况

为了减少制冷管路的长度，室内机的位置应当尽量靠近太阳能集热／蒸发器，同时还要适当兼顾室内热水设备的位置。制冷管路和热水输送管必须用保温材料包裹好，以避兔在制冷剂循环过程和热水输送过程中的热量损失。位于北半球的太阳能集热／蒸发器，正南方是最佳朝向，但南偏东或南偏西１０°～１５°对集热器的吸热量没有明显影响。图６所示为上海交通大学开发研制的直膨式太阳能辅助热泵热水器样机实物照片。这种太阳能热泵热水器具有以下优点。

（１）全天候工作

太阳能热泵热水器可一年四季、全天候工作，不受阴

雨天或夜晚影响，持续供应４０℃～６０℃生活热水。

图６直膨式太阳能辅助热

（２）节能、环保

泵热水器实验样机

可节约大量用于低温热水生产的电能和化石燃料，且无燃烧、无排烟、无废弃物，使用无公害的循环工质，可称为绿色环保产品。

（３）运行成本低在春、夏、秋季阳光较好时，太阳能热泵热水器的运行费用比常规太阳能热水器要高，但在阴雨天和夜

（总

太阳能

晚，其热效率远高于电辅助加热，因而全年平均下来，常规太阳能热水器的耗能比太阳能热泵热水器还要高出很多。

（４）运行安全采用小型全封闭式压缩机，使用安全的家用电源，无需大电流的电气连接；水、电完全分离，无漏电危险；无燃烧，不产生废气，兔除“气爆”、“煤气中毒”的隐患。

（５）安装方便，寿命长

整个系统采用分体式结构，安装方便，且太阳能集热／蒸发器的安装位置几乎不受限制，承压式贮热水箱的配管系统也很简单；制冷管路无腐蚀和冬季“防冻”问题，系统寿命可达１０年以上。

（６）使用舒适

采用立式承压保温水箱和横向散射入水孔，减少了冷、热水掺混，有利于水箱内的温度分层，提高了热水有效利用率且不会出现忽冷、忽热的现象。

（７）易于与建筑实现一体化

△τ、τ１、τ２———分别为压缩机的运行时间以及

起、停时间。

系统的平均供热性能系数定义如下：

Ｑｈｗ（３）ＣＯＰ＝Ｑｈｗ＝

式中△Ｐｃｏｍｐ、△Ｐｃｏｍｐ１，△Ｐｃｏｍｐ２，———分别为运行时间内压缩机的实际耗电量以及电表的起、终读数。室内模拟光源下的实验结果及分析：由于在室外自然环境条件下，太阳辐射强度往往受到云量的多少、云层的厚度及移动的影响，呈现出不可预见的、强烈非线性的动态变化特征，并直接影响太阳能热泵热水器的运行参数和系统性能，使得对系统性能及其影响因素的实验研究和数据分析变得较为困难。采用室内模拟光源可以进行太阳能集热／蒸发板处于不同光强（０～１０００Ｗ／ｍ２之间）的恒定辐射实验，从而可得到复现性较好的实验结果。表２为图６实验样机在模拟光源下典型的热水加热工况实验结果，在不同光照条件下太阳能热泵热水器均能够稳定运行，热水平均加热功率为１．０４ｋＷ，系统平均供热性能系数为４．１８。

室外实际工况下的实验结果及分析：对所构建的直

表２直膨式太阳能辅助热泵热水器在室内模拟光源下

的实验结果

实验日期Ｄａｔｅ（ｄｄ／ｍｍ／ｙｙ）

运行模拟平均时间光强室温△τＩＳ／ｔａ／ｍｉｎ（Ｗ／ｍ２）／℃

５５５７２７９９３５４

初始水温ｔｗ，２／℃

有效平均压缩平均终止

加热加热机耗供热水温

量功率电量性能

△Ｐ－ｔｗ，２

Ｑｈｗｑｈｗｃｏｍｐ系数／℃

／ｋＷｈ／ｋＷ／ｋＷｈＣＯＰ

４．２８４．７７４．８４２．８２

制冷器具

依靠合理的设计，太阳能集热／蒸发器可以与建筑实现一体化的结合，既可丰富建筑外观；又可增强维护结构的保温性能。

当然，像任何事物一样，太阳能热泵热水器也不是十全十美的，其应用也会受到一定的制约。这种太阳能热泵热水器的主要缺点如下。

"加热速度慢。与燃气热水器和大功率电热水器!相比，太阳能热泵热水器的热水加热速度较慢，但比具有相同集热面积的常规太阳能热水器要快。#加热水温有限制。为了避免压缩机排气温度过$

高而影响系统性能和使用寿命，所生产的热水温度一般不超过６０℃。

&使用范围有限制。在冬季十分严寒的北方地区%（如东北地区），裸板式太阳能集热／蒸发器的热损失非常大，有效得热量很少，导致压缩机吸气压力极低，甚至不能正常运转。

４．系统性能

热水总有效得热量可按下式计算：

Ｑｈｗ＝ｐｗＣｗＶｗ△ｔｗ＝ｐｗＣｗＶｗ（ｔｗ，２－ｔｗ，１）式中

ｐｗ———水的密度；Ｃｗ———定压比热；Ｖｗ———贮热水箱水量；

ｔｗ，１、ｔｗ，２、△ｔｗ———分别为运行时间内贮热水箱内的起、终水温及温差。

热水平均有效加热功率为：

１）ｑｈｗ＝Ｑｈｗ＝ｐｗＣｗＶｗ（ｔｗ，２－ｔｗ，（２）

式中Ｑｈｗ———运行时间内的热水总有效得热量，由式（１）计算得到；

３６（１）

０４／０３／０３２５７０６／０３／０３１９３０７／０３／０３２５００９／０３／０３３６５

１４．０２２．３４６．４３．９４０．９２０．９２１３．２２４．５４９．６４．１０１．２７０．８６１２．６１４．４４８．７５．６２１．３５１．１６１３．７２６．０４９．０３．７５０．６２１．３３

膨式太阳能辅助热泵热水器样机（图６所示）在室外实

际工况下进行了跨越三个季节的实测研究，获得了一些有价值的性能数据。表３（表见下期）至表５（表见下期）为在上海地区开展的太阳能热泵热水器实测研究的一些结果。

表３显示了太阳能热泵热水器在冬季室外工况下的实测结果。由于上海地区的太阳能辐射属于第三类地区，尤其是在冬季该地区阴雨天较多且太阳辐射强度不太强，加上室外环境温度较低，使得太阳能集热／蒸发器的吸热量十分有限，因而导致系统的平均加热功率和供热性能系数均偏低。由表３可见，这种直膨式太阳能辅助热泵热水器冬季平均每天需运行７．８ｈ，可将初始平均温度为８．３℃的生活用水加热到４２．６℃，压缩机日平均耗电量为２．３６ｋＷ ｈ。这说明直膨式太阳能辅助热泵热水器在冬季的实际应用将受到热水使用温度和运行时间的限制，并且热水使用温度较高，则压缩机运行时间越长。

（待续）

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