基于不同蒸发器面积配比下的双热源热泵供热性能研究

作     者：高昊天 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苑翔

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：热泵系统 性能系数 双热源 水量占比 节能 

摘      要：在低碳、绿色、可持续的大背景下,热泵技术顺应时代被广泛推广,冬季空气源热泵会存在能效比低、压缩机缺油、结霜等问题。现如今存在改善热泵供热性能的技术,也有一些关于双热源热泵方面的研究,但对于双热源不同蒸发器面积配比的研究较浅。 本文在双热源热泵系统的基础上,基于空气源、水源对应不同蒸发器面积配比,在不同条件下对系统进行供热特性研究。在原有空气源热泵的风冷蒸发器出口接入水冷蒸发器,制冷剂先后吸收空气源和水源中的热量,进行二次吸热,再经过压缩、冷凝、节流,由此完成冬季供热循环。本文通过调节水冷蒸发器阀门与加热水箱流量得以改变水源水量,进而调节双热源蒸发器面积占比,系统共设置三种面积配比,其中空气与水的面积配比分别为2.85、4.78、10.55,研究三组面积配比下系统在冬季室外温度较低(-3℃～6℃)、室外温度较高(6℃～15℃)、20℃和30℃水源温度下的能效比变化情况。当其他条件不变,空气侧温度越高,系统供热性能越好。低温组(-3℃～6℃)平均COP最大值为2.65,高温组(6℃～15℃)平均COP最大值达到3.26,相较单空气源热泵能效比分别提升54.1%、89.5%,这两组双热源空气、水面积配比均为2.85,当水温、空气侧温度不变时,面积配比越小(水量占比越大),系统能效比提升越明显。当面积配比不变且处于较小值时,水量占比多,随着空气温度的提升,系统COP增长速率较慢,因为空气少、水多,系统受空气温度变化影响较小,反之系统COP增长速率会变快。 其次保持了室外空气侧温度不变,设置双热源面积配比为2.85,进行变水温工况测试,设置15℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃从低到高六组水温变化。研究发现水温越高,系统能效比提升越明显。测得水温为40℃时系统平均COP值为3.14,相比15℃水温时系统COP的2.40,提升了30.8%。相较于空气侧温度,水源侧温度对系统制热性能影响更大。当室外温度较低,制冷剂主要从水源侧吸收热量,空气侧部分吸热效果不大。对空气、水面积配比为2.85、水源温度为30℃的系统进行24小时供热测试,系统平均COP值为2.82。研究发现水冷蒸发器水源的补热作用可以提升系统性能,改善低温环境蒸发器结霜的问题,水源占比越多,补热效果和抑制结霜效果越好。运行期间补热后的系统除霜时间为11分钟,而单空气源系统的除霜时间长达44分钟,双热源的补热作用将除霜时间减少75%。 最后对实际运行情况假设双热源中的水源为太阳能热水、工业余热废水及地下水,对系统进行效益分析,比较了三种系统的初投资、运行费用和费用年值,计算节能量和投资回收期。太阳能热水作双热源的节能率为39.4%,工业余热废水作双热源的节能率为34.2%,地下水作双热源的节能率为28.7%。通过节约能耗转换为标准煤的方式,可以看出双热源热泵系统展现出良好的节能环保效益。未来可以设计成可调节式蒸发器,根据所需动态调整双蒸发器面积配比,形成优势互补,将双热源热泵系统与北方农村大规模对接,形成规模供热体系。