新型光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统

光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统将太阳能环形热管循环模式和太阳能热泵循环模式有机结合,两者采用相同的工质,共用一个PVT蒸发器和冷凝器。当太阳辐照强度较强,工质在PVT蒸发器中的温度高于冷凝器中的温度时,可以利用环形热管模式制热;当太阳辐照强度较弱或工质在PVT蒸发器中与冷凝器中的温差无法满足环形热管模式运行时,可以利用热泵模式制热。两种模式既能够独立运行,又可以互相切换,确保热能的稳定供应,同时能够明显降低系统耗电量。搭建了光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统实验平台,对复合系统在环形热管模式和热泵模式独立运行时的瞬时性能和全天性能进行了实验研究。     

新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵性能

以平板热管（微热管阵列）为核心部件,设计了一种新型太阳能光伏/空气集热蒸发器并建立了光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统,实现全年供热水、冬季供热、夏季供冷以及全年光伏发电的功能。对北京地区3月至5月天气条件下的热泵系统性能进行不同运行模式（S、SA以及A模式）的实验研究。实验结果表明,在典型工况下S、SA与A模式的多能互补系统COP_s分别为4.8、4.2与3.8,综合效率分别为109.7%、125.9%、32.4%,即在有太阳辐照的条件下,S与SA模式下多能互补系统性能优于A模式。该新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统性能优良,研究结果为该系统应用提供了基础数据支撑。     

太阳能-空气双热源热泵系统性能实验

将平板微热管光伏光热组件改造为新型光伏光热蒸发器,研发新型太阳能-空气双热源热泵系统,对太阳能供热模式和双热源供热模式下系统的运行性能进行研究。研究表明：受太阳辐射和环境温度影响,双热源供热模式下环境空气的作用会在放热和吸热之间转换,环境温度与背板温度的温差在-3.1~3.5℃之间波动;双热源供热模式适合在低辐照条件下运行,其热效率、综合性能效率和COP分别达56.7%、81.7%和2.38,比太阳能供热模式提升20.3%、25.0%和6.7%;在高辐射条件下,双热源供热模式会造成系统散热加快,但是对系统发电性能有提升作用。根据上述特性,当背板温度小于环境温度时启动双热源供热模式,反之启动太阳能供热模式,可以进一步提升系统的运行效果。     

高温热泵在除湿转轮空调系统中的性能

提出一种新型的除湿转轮与高温热泵联合运行的空调系统,该系统利用热泵的蒸发器对除湿后的热空气进行降温处理,同时将冷凝器释放的热量为除湿转轮提供再生能耗,在系统内部实现冷量和热量的抵消,既降低系统能耗又减少环境污染。为此研制了采用工质R142b的空气源热泵,将机组置于可模拟转轮处理空气和再生空气状态的标准空气焓差室对其性能进行测试。通过改变室外侧环境温度和进入冷凝器的风量研究R142b在空气源热泵机组中的循环性能和排气压力。结果表明：当蒸发器环境温度为（45±0.2）℃时,冷凝器进风温度为（27±0.2）℃时,灌注R142b的空气源热泵可产生79.2℃的热风,满足转轮的再生温度要求,且排气压力在压缩机的正常工作压力范围内。     

有/无泵辅助板式蒸发器环路热管系统性能的实验研究

实验研究了泵辅助和无泵辅助板式蒸发器环路热管系统的启动特性、不同热流密度下系统内工质的流动传热特性和热效率,以及在一定热流密度下不同泵功率对泵辅助板式蒸发器环路热管系统的影响。结果表明:无泵辅助系统需蒸发器内产生气态工质后才开始运行并进行换热,冷凝器内的工质是相变换热,而泵辅助环路热管系统一经启动就开始运行并进行热量交换,冷凝器内的换热方式逐渐由显热换热转变到相变换热;无泵辅助系统热效率随蒸发器热流密度的升高而升高,而泵辅助系统随蒸发器热流密度的升高而降低,泵辅助系统整体热效率高于无泵系统;当热流密度为0.25 W·cm~(-2)时,泵辅助环路热管热效率较无泵辅助环路热管热效率高22.1%,而当热流密度为1.25 W·cm~(-2)时,泵辅助系统仅比无泵辅助系统高2.7%,说明当热流密度较小时,泵辅助系统更具优越性;对于泵辅助环路热管系统,系统热效率随着泵功率的增加而减小,在1.25 W·cm~(-2)热流密度下,适用的泵功率强度不应超过0.002 W·cm~(-2),表明系统热流密度与泵功率存在最优匹配。研究结果可为设计分离型平板式太阳能热水器及热沉散热器提供参考。     

太阳能与空气复合源热泵热水系统多模式运行实验特性

提出并构建了一种直接膨胀式太阳能与空气复合源热泵热水系统。在南京夏季的晴天、阴天及冬季晴天工况下分别对实验样机的运行特性进行研究。实验结果表明:该系统在不同天气下以不同热源模式高效地将热水加热到55℃。在夏季晴天太阳辐射波动较大时,系统的集热/蒸发器可以同时吸收太阳辐射能和空气热量,以太阳能为主,空气源为辅,平均能效比为4.83;在夏季阴天,系统以空气源热泵模式稳定运行,平均能效比为3.97;在冬季晴天,系统以太阳能热泵模式运行,太阳能的输入提高了热泵蒸发温度,从而缓解了蒸发器结霜问题。     

平板型太阳能光伏/光热一体化热泵热水系统特性

研究了一种平板型太阳能光伏/光热一体化热泵(PV/T-HP)系统,制冷剂R134a直接在太阳能光伏板背面盘管内吸热而蒸发,以降低光伏电池工作温度,保证其高效稳定地输出电能;集热器同时作为蒸发器,所收集的热量经热泵循环进行温度提升,为建筑提供生活热水、供暖和驱动制冷空调。对平板型PV/T-HP热水系统在南京室外的一个夏季晴天工况下循环加热180 L水至60℃进行了实验研究,探讨了太阳总辐照度、光伏/集热器工作温度以及光电输出控制方式对系统光电、光热综合输出特性的影响规律;对比实验得出了在热电联供模式下,系统发电量比无冷却的单一光电输出模式下相对高出35%。     

高温热泵工况下非共沸工质在换热器中的换热特性

为了探究非共沸工质与换热流体之间的相变传热温差特性,在单级蒸气压缩式水-水高温热泵系统实验台上,以R290/R600（称为Z1,质量比17%/83%）为工质进行了多工况的实验研究。实验发现,工质Z1在冷凝器中会出现最大传热温差,且最大传热温差的位置会随着冷凝器中水流量的减小而向冷凝器的冷端移动;在蒸发器中会出现最小传热温差,其位置随着蒸发器中水流量的减小而向蒸发器的冷端移动。分析结果表明,在蒸发器侧工况恒定时,冷凝器侧最大传热温差的出现会使系统的循环效率降低,冷凝器中因不可逆传热引起的可用能损失增大;在冷凝器侧工况不变时,蒸发器侧最小传热温差的出现会使系统的循环效率上升,蒸发器中因不可逆传热引起的可用能损失减小。     

平板型小型环路热管的温度波动特性

环路热管(LHP)是一种靠蒸发器内的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。本文研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管（mLHP）,mLHP的毛细芯为25 μm不锈钢丝网,工质为甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,实验结果表明,mLHP在1.5～4 W·cm^-2的热通量范围内容易发生温度波动;还研究了倾角以及充灌量等对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。     

两种集热结构的太阳能光伏/光热一体化热泵性能分析

探讨了一种直接将热泵蒸发管设置在太阳能光伏集热板背面的新型光伏/光热一体化热泵（PV/T-HP）系统。设计了采用普通铜管和多孔铝扁管的两种集热/蒸发器结构,对二者进行性能模拟与对比分析。结果显示：采用多孔铝扁管集热蒸发器的热泵系统因其更好的传热性能而具备更高的电效率和制热性能系数。对PV/T-HP系统的全年运行性能模拟表明,该系统可同时高效地输出电能和制得50℃热水。此外还提出,根据季节和天气变化控制压缩机容量的控制策略优化系统运行以提高其全年综合性能。     

一种光热/光伏耦合式小型太阳能海水淡化装置的研制

设计研制了一种光热光伏耦合式小型太阳能海水淡化装置,通过光热单元来加热海水实现蒸发,通过光伏单元提供系统运行所需电能,并通过曝气装置提高蒸发效率和产水量。研究了淡水产水量与太阳辐照强度、蒸发温度、曝气之间的关系。结果表明,太阳辐照强度与蒸发温度成正相关,温度和曝气对产水量有显著影响,在太阳累计辐照量为22.58 MJ/(m~2·d)的情况下,该装置一天内的产水量可达5.35 kg/(m~2·d),性能系数达到0.545。     

太阳能-热泵复合供能系统

为最大限度利用可再生能源,将太阳能PV/T集热器与热泵相结合组成太阳能-热泵复合供能系统,通过不同阀门之间的相互切换,可实现多种运行模式以满足人们对生活热水、采暖或制冷的需求。实验主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行研究,分别从室内温度、制热量、热泵COP、集热效率、发电效率等方面对系统进行实验研究与理论分析,实验结果表明,3种运行工况下热泵COP分别为2.26、3.4和2.61,平均室内温度分别为15.3、18.8和16.5℃,基本能满足冬季采暖负荷要求。系统可充分利用太阳能与热泵各自的优势,实现能源节约,为太阳能和热泵在建筑中联合运行模式提供部分参考价值。     

有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化运行模式及工质选择

针对水资源短缺及能源浪费两大问题,对有机朗肯循环(ORC)耦合反渗透(RO)海水淡化的复合系统进行优化设计,利用膨胀机驱动高压泵,海水吸收冷凝器中有机工质的热量,进而提高海水淡化的回收率。并采用热力学分析方法分析了纯工质、混合工质组分比例、海水进水温度、进水流量变化对循环性能的影响。结果表明:在系统相同吸热量、工质和海水环境温度下,以R245fa为例,经过冷凝器预热后的淡水产量比不经过冷凝器预热的淡水产量提高80%以上;混合工质由于存在温度滑移,淡水产量均大于其相应的纯工质,其中R134a/R245fa(0.5/0.5)产水量最佳,在海水温度为12℃时比R245fa提高10.01%,在18℃时比R245fa提高25.04%;在系统运行方面,当高压泵进水温度小于40℃时,海水流量取决于高压泵的功率,当海水温度超过反渗透膜的工作温度时,需要打开系统的放水阀,通过原水泵增加冷凝器的海水流量,多余的水由放水阀排出,此时混合工质相对于纯工质的产水优势更为明显。     

太阳能-热泵复合供能系统

为最大限度利用可再生能源,将太阳能PV/T集热器与热泵相结合组成太阳能-热泵复合供能系统,通过不同阀门之间的相互切换,可实现多种运行模式以满足人们对生活热水、采暖或制冷的需求。实验主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行研究,分别从室内温度、制热量、热泵COP、集热效率、发电效率等方面对系统进行实验研究与理论分析,实验结果表明,3种运行工况下热泵COP分别为2.26、3.4和2.61,平均室内温度分别为15.3、18.8和16.5℃,基本能满足冬季采暖负荷要求。系统可充分利用太阳能与热泵各自的优势,实现能源节约,为太阳能和热泵在建筑中联合运行模式提供部分参考价值。     

不同灌充率对一种新型环路热管运行特性的影响

环路热管作为一种利用工质相变传输热量的装置,被广泛应用于电子器件散热。研究表明在环路热管运行中,蒸发相变产生的气相压头不能忽略。本环路热管与毛细力热管的区别在于,将吸液芯与蒸发器底板分离,专门形成一个蒸发腔,工质的相变发生在蒸发腔内,以此增大气相压头驱动工质循环。实验研究了在不同灌充率（15%～85%）下的热管运行特性。结果表明：突出气相压头的环路热管可以在较宽泛的灌充率（20%～75%）下正常运行,并且存在最佳的灌充率（35%）,可使蒸发器底板温度在65.1℃运行。通过不同灌充率的实验研究,可以为承担不同热负荷散热的环路热管设计优化提供参考,并指导后续的实验研究。     

不同灌充率对一种新型环路热管运行特性的影响

环路热管作为一种利用工质相变传输热量的装置,被广泛应用于电子器件散热。研究表明在环路热管运行中,蒸发相变产生的气相压头不能忽略。本环路热管与毛细力热管的区别在于,将吸液芯与蒸发器底板分离,专门形成一个蒸发腔,工质的相变发生在蒸发腔内,以此增大气相压头驱动工质循环。实验研究了在不同灌充率(15%~85%)下的热管运行特性。结果表明:突出气相压头的环路热管可以在较宽泛的灌充率(20%~75%)下正常运行,并且存在最佳的灌充率(35%),可使蒸发器底板温度在65.1℃运行。通过不同灌充率的实验研究,可以为承担不同热负荷散热的环路热管设计优化提供参考,并指导后续的实验研究。     

新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

针对低温环境条件下热泵逆循环除霜存在的诸多问题,提出了一套具备预热除霜功能的新型空气-水双热源复合热泵系统（new air-water double source composite heat pump system,AWDSHPS-N）,通过阀门切换和低温水源侧水泵的启停控制可直接进入除霜模式,除霜过程中可保证制热的连续性,每次除霜时长不超过5 min。利用恒温恒湿环境仓模拟室外环境条件,可调控水温的低温水箱模拟太阳能等低温热源搭建AWDSHPS-N实验台,对不同测试工况下,单空气源制热模式（air source heating mode,ASHM）、单水源制热模式（water source heating mode,WSHM）、空气-水双热源制热模式（air-water source heating mode,AWSHM）3种制热模式将水从18℃加热至51℃的系统性能系数（coefficient of performance,COP）进行了实验,结果表明：AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%~20.5%;当环境温度和低温水源温度均高于15℃时,系统COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。     

硫酸生产余热的有机朗肯循环系统优化

由于目前有机朗肯循环的效率普遍较低,在基本循环的基础上增加回热器,使膨胀机出口的乏气与蒸发器入口的工质进行预热,可以回收部分乏气的热量,减少冷凝器负荷量。此外,还可提升进入蒸发器的工质温度,降低蒸发负荷量。加装回热器后,整个系统的绝对热效率和相对热效率均得到了显著的提高。     

新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

针对低温环境条件下热泵逆循环除霜存在的诸多问题,提出了一套具备预热除霜功能的新型空气-水双热源复合热泵系统(new air-water double source composite heat pump system,AWDSHPS-N),通过阀门切换和低温水源侧水泵的启停控制可直接进入除霜模式,除霜过程中可保证制热的连续性,每次除霜时长不超过5 min。利用恒温恒湿环境仓模拟室外环境条件,可调控水温的低温水箱模拟太阳能等低温热源搭建AWDSHPS-N实验台,对不同测试工况下,单空气源制热模式(air source heating mode,ASHM)、单水源制热模式(water source heating mode,WSHM)、空气-水双热源制热模式(air-water source heating mode,AWSHM)3种制热模式将水从18℃加热至51℃的系统性能系数(coefficient of performance,COP)进行了实验,结果表明:AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%~20.5%;当环境温度和低温水源温度均高于15℃时,系统COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。     

以LFG为燃料的空气源沼气机热泵供热性能

为了利用垃圾填埋气（LFG）这种可再生能源,减少化石燃料的消耗,提出一种以LFG为燃料的空气源沼气机热泵供热系统,并研究其供热性能。确定了LFG收集系统以及适合沼气机热泵系统的LFG净化方法。所构建的实验平台可经阀门切换,分别研究沼气机排烟余热单独回收利用或缸套冷却水和排烟余热同时回收利用两种模式。进行了系统供热性能的实验测试,并对影响系统供热性能的沼气机转速、冷凝器水流量、冷凝器进水温度等因素进行了分析。实验结果表明：该热泵系统的总供热量随沼气机转速和冷凝器水流量增大而增大,随冷凝器进水温度升高而减小。系统制热系数（COP）和一次能源利用率（PER）均随冷凝器进水温度升高而减小,但其与冷凝器水流量的关系并非单调变化关系。当冷凝器水流量为1.45~1.65 kg·s^-1时,系统供热性能最好;当冷凝器进水温度为35~45℃时,系统的COP最高可达到4.3,PER最高可达到1.48。