直膨式太阳能辅助热泵复合机控制策略与系统性能实验研究-机械电子工程专业论文.docx

摘要本文针对直膨式太阳辅助热泵多功能复合机（DX-SAHPM）实验样机结构特征、数学模型与运行控制规律进行了深入的研究。应用理论分析和实验验证相结合的方法，研究了对DX-SAHPM热泵系统运行性能有直接影响的相关参数，揭示了内在客观规律；提出以获得系统最佳热性能系数COP与最大节能潜力的系统运行控制策略，探索性地解决了DX-SAHPM系统技术推广的瓶颈问题。为我国该技术产品研究开发奠定了全面的技术基础，对于促进我国社会经济及其可持续发展，具有重要的战略意义。针对课题研究总体目标，主要开展了以下几个方面研究工作：通过对DX-SAHPM系统运行机理与热力性能分析，指出了在系统中增设太阳能集热器是DX-SAHPM热泵获得最大节能潜力的根本因素；通过将DX-SAHPM热泵系统与常规空气源热泵进行结构比较，首次提出DX-SAHPM系统是普通空气源热泵（HP）的扩展与延伸的概念，二者在结构组成、运行机理上具有一定程度的相似性。在把握系统结构特征的基础上，可以借用普通空气源热泵理论对DX-SAHPM热泵展开研究，为DX-SAHPM热泵系统及相关技术的研究指明了方向。从DX-SAHPM系统的循环机理、结构特征出发，综合考察研究了系统组成环节传热传质的特点。提出对于系统压缩机和电子膨胀阀采用集中参数法建模，由于太阳能集热器与蒸发器换热情况的复杂性，采用分布参数法建立其数学模型；通过计算机仿真数值模拟计算，获得影响研究对象供热性能的多种影响因素相互之间的内在规律及其特点；指出了在气候参数相对稳定、结构参数相对固定的条件下，采用压缩机变容量调节与电子膨胀阀变开度调节是提高系统热性能、获得最佳COP值的基本控制策略。影响DX—SAHPM系统性能的因素主要有气候、结构与运行三类参数。气候参数包括环境温度、太阳能辐射强度，结构参数包括太阳能集热器面积、水箱容积、室内机面积、室外机面积，运行参数包括压缩机转速、电子膨胀阀开度、室外机风机转速、室内机风机转速。本文以这三类参数作为仿真计算的输入量，基于整个系统仿真模型的模拟计算，全面分析这些参数对于直膨式太阳能辅助热泵多功能复合系统运行特性（包括制冷剂流量、冷凝温度、蒸发器过热度、蓄热时间、室内温度、供热量、压缩机耗功、系统热性能系数、能效比）的影响。针对室内温度调节的快速性与舒适性特点与要求，提出室内温度采用PID与自适应分段控制的思想与方法。实际仿真结果表明：本文提出的DX-SAHPM热泵系统“PID+自适应联合调节”策略有助于系统获得更加良好的热舒适度。基于室外太阳集热器/蒸发器双热源供热模式，研究了电子膨胀阀调节室外蒸发器过热度与压缩机变容量调节室内冷凝器过冷度、满足室内供热与热水负荷的控制原理与实现方法。成功研究、建立了一个DX-SAHPM热泵实验样机及其运行参数计算机辅助测试（CAT）测验台，并于2006年1月至2009年4月对样机进行了一系列实验研究。验证了本文提出的DX-SAHPM热泵循环机理（ZL200420040156.4复合热源供暖装置），实验测试数据表明：本文提出的DX-SAHPM热泵循环系统设计方案可行，与普通空气源热泵COP值相比，DX-SAHPM热泵系统COP值高出约62%，显示了直膨式太阳能辅助热泵复合系统具有强大的节能潜力；实验结果与理论计算结果基本吻合，验证了本文所建数学模型及其仿真结果的正确性。并获取了包括部件设计、系统匹配、运行控制等在内的第一手实验数据和必要的实践经验，为该系统的深入研究和实际应用打下基础。在对全文工作总结的基础上，指出了直膨式太阳能辅助热泵复合系统（DX-SAHPM）后续工作研究方向。关键词：太阳能热泵复合系统系统性能控制策略实验研究ABSTRACTThestructurecharacteristicsandthemathematicalmodelaswellastheoperationcontrolrulesofthedirect-expansionsolarheatpumpmultifunctional-machine(DX-SAHPM)prototypearestudiedinthisthesis.Themethodofcombiningtheoreticalanalysiswithexperimenttest has beenusedto studyrelevant parameters whichdirectlyaffect operationperformanceoftheDX-SAHPMsystemandtheinnerobjectivelawsofthesystemhavebeenrevealed.Theoperationcontrolstrategiesaimingatobtainingthebestcoefficientofthe