[00114885]新型无霜空气源热泵热水器理论分析及实验研究

空气源热泵热水器是一种利用高品位电能驱动,吸收空气中低位热能转换为高位热能以加热产生热水的装置,具有高效、节能、环保及便捷的优点。但是,空气源热泵系统在低温工况运行时会发生室外蒸发换热器结霜,引起制热量下降,同时压缩比增大,排气温度升高。由于结霜问题导致系统工作性能恶化已成为制约空气源热泵热水器发展的主要因素之一。 本研究以抑制结霜为基本出发点,结合相变蓄热和固体除湿理论,提出蓄热除湿耦合型空气源热泵热水器,旨在提高空气源热泵系统性能,弥补空气源热泵低温结霜的不足之处。展开的研究工作如下： 1)对提出的新型空气源热泵热水器系统进行理论分析,确定了系统无霜运行的理论依据;基于理论分析,确定了蓄热材料、固体除湿材料以对蓄热装置及除湿换热器进行设计;搭建了新型无霜空气源热泵热水器实验平台,试验测试分析系统的除湿换热器出口空气温湿度、压缩机吸排气压力以及系统的性能系数,并对系统的可行性与安全性进行分析,验证了首次提出的无霜空气源热泵新系统的可行性、可靠性,解决了空气源热泵结霜与除霜的问题。 2)建立蓄热装置换热数学模型,研究相变蓄热与换热器之间的热传递理论;建立了除湿换热器数值模型,探究湿空气和固体干燥剂之间的热湿传递机理;研究相变蓄热与换热器之间热传递理论,建立了相变蓄热换热数学模型,优化相变蓄热系统的形式及构造,分析制热模式及再生模式下的材料特性;基于上述建立的模型,结合空气源热泵模型,构建新型无霜空气源热泵热水器动态仿真模型,并与实验结果对比,验证模型的准确性。基于提出的新型空气源热泵热水器模型,探究除湿材料与蓄热材料配比、温湿度、风速对系统运行性能包括除湿量、除湿率与再生率、压缩机吸排气压力以及系统COP的影响变化规律,以确保无霜空气源热泵热水器的高效运行。 3)根据对于新型无霜空气源热泵热水器运行特性的分析,开展对其性能优化研究。探究固体除湿量、蓄热量之间与COP的耦合关系,优化寻求该系统的最优控制策略。最后,从压缩比、制热量以及COP三个方面,对比分析了新型无霜空气源热泵热水器与传统空气源热泵热水器的运行性能。 研究结果得出：当湿球温度在-12.8℃~5.8℃,相对湿度大于67%时,蓄热除湿相耦合的新型无霜空气源热泵热水器的除湿换热器出口的空气温湿度基本都保持在无霜区。在环境湿度为80%时,环境温度由-10℃到0℃,新型无霜空气源热泵热水器的系统平均COP提高56.2%。其研究结果已在国际最具影响力期刊Applied Thermal Engineering 和 Energy and Buildings 上发表。 新型无霜空气源热泵热水器有效地减缓了传统空气源热泵出现的结霜问题,且提高了空气源热泵热水器的运行性能,为空气源热泵技术的良好发展提供了新思路。此外,本技术推动了对空气能这一可再生能源的利用,有助于推动空气源热泵技术的发展,加速我国节约型社会的建设,同时对缓解我国雾霾问题也发挥着重要作用。