第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着社会经济的发展，中国能源消费逐渐增长，根据 EP 发布的世界一次能源消费统计，自 2013 年至 2018 年，中国一次能源消费已连续 5 年居全球之首[1]。研究分析得知未来几年我国能源消费仍将保持年平均 4.5%的速度增长[2]。由于快速提高的能源消耗，我国的能源形势相当严峻。
在经济高速发展的同时，中国也面临越来越大的环境压力。《中国国家环境分析报告》对中国各个大小城市的空气质量等环境问题进行了相关统计分析，了解到近500 个中国城市中，有将近 1%的城市达不到世界卫生组织的空气质量标准；并且通过世界卫生组织统计，在全球范围内空气污染最严重的 10 个城市中，中国污染城市就占有 7 个[3]；同时我们也可以清楚地认识到近几年中国社会比较关注的空气雾霾污染情况，中国相当多大城市雾霾污染已经超过了环境污染的平均标准[4-5]。通过调研发现，雾霾严重的城市多集中于北方地区，并且冬季供暖时期尤为严重，目前寒冷地区公共建筑和住宅的供暖能耗占比较大，我国建筑最主要的供暖形式仍采用的是传统煤炭等，而造成环境污染严重的原因有多方面，但化石能源的使用无疑是对环境影响的重要因素。
直膨式太阳能/空气能热泵系统在农村建筑中的应用：一方面要求热泵和建筑一体化使得建筑设计符合外观需求和功能需求。另一方面，要求太阳能耦合空气源热泵不是作为独立的装置运行，而是要和具体的住宅建筑供热需求和热舒适环境相匹配。通过具体建筑的热负荷需求来匹配合适的热泵系统。通过对室内温度、PMV、PPD 等热舒适性指标进行测算，来验证太阳能耦合空气源热泵系统与住宅建筑的匹配效果。直膨式太阳能/空气能热泵系统同时兼有太阳能集热器和空气源热泵系统的蒸发器的功能，通过消耗少量的高品质电能，将低品位的太阳能和空气转化为高品位能源以满足人们冬季供暖和生活热水的需求，对于建筑能耗的减少具有很大作用，因而在当今世界逐渐得到广泛应用。将直膨式太阳能/空气能热泵系统与农村建筑相结合，促进了太阳能热泵系统的推广和应用，从而降低农村建筑采暖能耗，减少了常规能源的消耗，实现节能减排，符合国家节能环保发展规划，积极响应了我国一直以来的可持续发展战略要求[6-7]。
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1.2 课题研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外对于太阳能热泵的研究较早，在 1900s 早期已经有学者致力于提高太阳能热泵系统的耐久性和效率，而“直接膨胀式太阳能热泵”的理念最早是由 Sporn 和Ambroes[8]于 1955 年提出的，通过研究证明了直膨式系统可以同时提高太阳能集热器集热效率和热泵机组的制热性能。
20 世纪 60 年代开始对直膨式太阳能热水系统进行规模化应用。学者们的研究重点基本集中于提高热泵系统性能方面。Krakow[9]等人根据加拿大当地的需求和资源分布情况，通过实验的方式分析了太阳能热泵系统中的太阳能集热器，验证了在寒冷气候中利用太阳能是一种有效的方式，太阳能集热器是可以在低于环境温度的蒸发温度下运行的，通过实验了解到寒冷地区有盖板的集热器更适用，裸板式太阳能集热器用于温暖地区比较合理。Chaturvedi[10-12]等人通过实验研究证实了直膨式热泵系统较传统热泵性能显著提升，还探讨了压缩机频率和环境温度对系统的影响，并指出了根据热泵压缩机的容量匹配相应的集热器的集热面积，合适的匹配方式直接可以影响到系统的制热性能。Arinze[13]通过理论分析和模型预测结果研究了不同气象条件对直膨式热泵系统性能的影响；Hawlader[14]等在他们建立的太阳能热泵热水器系统中选用了变频压缩机，研究了压缩机频率变化对热泵系统和集热器效率的影响。Moreno-Rodriguez[15]等对直膨式太阳能热泵所在气候带的几个典型日的监测结果进行分析，了解到其在极端室外条件下系统也可以用来补偿热需求。Evangelos Bellos[16]等以 20 个欧洲城市中建筑面积约 100m2的建筑物为研究目标，在相同的气候条件下，保证建筑保温层厚度一致，对比平板集热器的太阳能辅助热泵供暖系统与传统的空气源热泵系统在能源消耗量和经济性，证明使用太阳能辅助热泵系统可节约30%-40%的电能。太阳能辅助热泵加热系统也被证明是经济上最优的解决方案，在大多数城市的应用潜力比较高。Willian M. Duarte[17]通过建立数学模型和实验的方式对充注有不同制冷剂的直膨式太阳能热泵做了对比研究，发现在一定条件下，R290比其他制冷剂具有更高的 COP。
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第 2 章 邯郸地区直膨式太阳能/空气能热泵性能实验
2.1 邯郸地区特点及气候特征
邯郸市位于河北省偏南地带，属于寒冷地区，为温带大陆性季风气候[35]。邯郸地区全年干球温度变化由图 2-1 所示。由图可知，1 月份为最冷月，最低温度为约为-10℃，最高为 10℃。7 月份为最热月，最低温度约为 19℃，最高为 38℃。全年 3月温度范围波动最大，波动范围为 28℃。8 月温度范围波动最小，波动范围为 18℃。全年干球温度仅有 12 月和 1 月中大部分时间低于 0℃。冬季气温相对较高，表明邯郸地区更适宜采用热泵机组进行供暖。
图 2-1 邯郸全年干球温度变化范围
2.2 建筑概况
本文以邯郸某农村二层建筑为研究对象，建筑长宽高分别为 10m、8m、6m。一共 2 层，层高为 3m，建筑采暖面积为 160m2，朝向为正南。一楼为商业用房，二楼为居民居住所用，房间功能有卧室、客厅和储藏室三种，经常居住的人口数量为 5人。图 2-3 和图 2-4 为该户的具体建筑图情况：
图 2-3 农村建筑平面图
第 3 章 直膨式太阳能/空气能热泵和空气源热泵综合性能模拟研究··················25
3.1 直膨式太阳能/空气能热泵数学模型及模块开发··················· 25
3.2 空气源热泵数学模型··························28
第 4 章 热泵仿真模拟系统优化分析···················· 45
4.1 GenOpt 软件介绍·································· 45
4.2 集热蒸发器倾角和方位角优化·························· 45
第 5 章 经济效益和环境效益分析····································· 49
5.1 经济效益分析·························49
5.2 节能减排量分析····················50
第 5 章 经济效益和环境效益分析
5.1 经济效益分析
现根据模拟结果，分别采用静态和动态的计算方法，对直膨式太阳能/空气能热泵和空气源热泵机组的初投资、运行费用、残值和动态费用年值等方面进行对比分析。根据调研得知，直膨式太阳能/空气能热泵初投资约为 20000 元；空气源热泵初投资为 17000 元。直膨式太阳能/空气能热泵一个典型采暖季间歇运行耗电量为4352kw·h；空气源热泵耗电量为 4996kw·h。两种系统运行电费采用河北南部电网销售价表。居民生活用电价格为 0.52 元/kw·h。假设直膨式太阳能/空气能热泵和空气源热泵的使用寿命都是 15 年，系统残值为 10%。其中动态的年计算费用法根据公式 5-1计算[53]。
表 5-1 两种系统供暖经济效益比较
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结论
本课题搭建了新型直膨式太阳能/空气能热泵系统的实验测试平台，对邯郸某一农村建筑的地板辐射采暖用户进行了 5 天实验测试，分析了系统的制热性能、耗电功率、COP 和室内温度的变化情况。并对该农村建筑进行了采暖季逐时能耗模拟。为了比较直膨式太阳能/空气能热泵系统和空气源热泵系统在一个采暖季的运行性能和制热效果的优劣。在建立直膨式太阳能/空气能热泵新模块 TYPE200 的基础上，利用 TRNSYS 软件分别建立了两种热泵机组的仿真模拟系统。对两种系统在一个采暖季中的制热能力、耗电量、COP 值、集热蒸发器的集热效率、室内温度、PMV 和PPD 等运行参数进行了比较分析，通过实验数据和仿真模拟结果的对比分析，检验了所建模型的正确性。以采暖季中集热蒸发器接收的最大辐射量和采暖季综合制热性能系数为目标，对集热蒸发器的倾角、方位角和蓄热水箱的体积进行了优化研究，最后对比分析了两种系统的经济效益和环保效益。得到了以下研究结论：
1）农村建筑能耗模拟结果表明：该实验的农村建筑保温性能差，能耗较大。农村建筑采暖季最大热负荷达到 13.19kW，采暖季设计热负荷指标为 82.43W/m2，累计热负荷为 19427kW·h。热负荷峰值出现在 1 月 13 日，日平均室外温度为-5.25℃，平均热负荷为 10.91kW。最冷月为 1 月，平均室外温度为-0.99℃，平均热负荷为 8.38kW。最热月为 3 月，平均室外温度为 6.67℃，平均热负荷为 3.74kW。
2）实验结果表明：在太阳辐射较高的 13:30 时刻，太阳辐照度为 571.4W/m2，室外温度为 13.6℃，直膨式太阳能/空气能热泵的制热量和 COP 值达到一天中最大值，分别为 27.37kW 和 6.46。在太阳辐射较低的 18:00 时刻，太阳辐照度为 2.1W/m2，室外温度为 6.2℃。直膨式太阳能/空气能热泵的制热量依然可以维持在较高水平，分别为 13.22kW 和 2.79。系统典型测试日平均制热量和 COP 值分别为 16.9kW 和 3.67。可见直膨式太阳能/空气能热泵可以同时吸收太阳能和空气中的能量，能够在寒冷地区维持良好的供热效果，且具有明显高于传统供热方式的能效比。直膨式太阳能/空气能热泵耗电功率在测试期间并不是固定不变的，其值基本保持在一定范围内窄幅波动。系统典型测试日平均耗电功率为 4.67kW。也表明了采用 EVI 变频补气增焓压缩机的直膨式太阳能/空气能热泵具有很强的节能优势。
参考文献（略）