基于蓄热和除湿耦合的无霜型空气源热泵系统优化及调控机理研究

To solve the frosting problem of air-source heat pump at low temperature and high relative humidity, we propose a novel frost-free air-source heat pump system, which takes the waste heat recycling and efficient energy saving into consideration. In this project, firstly, the heat and mass transfer characters between EHECSD (an extra heat exchanger coated by a solid desiccant) and moist air, the law of storage and release heat will be studied thoroughly to optimize the structure of the main components. Secondly, The coupling mechanism of EHECSD and ESD (energy storage device) as well as air-source heat pump will be comprehensive analyzed at different work modes, and the energy of regenerating desiccant will be quantified at the regeneration mode. Thereafter, a dynamic simulation model of the novel frost-free air-source heat pump system will be developed. The dynamic coupling process of dehumidification, phase change thermal storage and heat pump will be analyzed by using theoretical and experimental methods to clarify the best matching pattern of the main parts of system. Expanding the understanding of the effect of dehumidification and phase change thermal storage on dynamic characteristic of the system. Finally, an optimal control strategy will be proposed to achieve the maximum COP and most reasonable frost-free working time. Those further form a frost-free working mode which couples with solid dehumidifying, air-source heat pump and phase change heat storage. This study can provide basic data for reasonable configuration and optimization of the novel frost-free air-source heat pump system, and provide meaningful theoretical support for the sustainable development and scientific applications of air-source heat pump technology.

针对空气源热泵在低温高湿环境下容易结霜问题，申请人提出一种以实现余热回收利用和高效节能为目标的新型无霜空气源热泵系统。本项目拟通过实验对除湿换热器与湿空气之间传热传质特性，蓄热装置蓄/释热规律的深入研究，明确主要部件的结构优化；综合分析除湿换热器、空气源热泵及蓄热装置在不同运行模式下的作用机理及耦合关系，量化再生过程用于再生干燥剂的能量比例分配，建立新型无霜空气源热泵系统非稳态仿真模型；并采用理论和实验相结合的研究方法，全面解耦性研究新型系统的动态特性，阐明各主要部件之间最优的匹配方式，拓展除湿及蓄热对无霜热泵运行特性影响的认识；并以系统COP和无霜运行时间为目标，提出最佳控制策略，进而提高系统整个周期运行的性能及稳定性。此研究为新型无霜空气源热泵系统的合理配置与优化提供基础数据，同时为空气源热泵技术的可持续发展与科学应用提供理论支持。

针对空气源热泵在低温高湿环境下容易结霜问题，申请人提出了一种以实现余热回收利用和高效节能为目标的新型无霜空气源热泵系统。本项目首先搭建了无霜型空气源热泵实验台，并通过实验研究了环境温度为-3℃，0℃和3℃，相对湿度为85%下该系统的实际运行特性，同时与逆循环除霜系统进行了对比分析。此外，通过实验探究了电子膨胀阀一次节流和二次节流开度与系统性能的相关性，并建立了COP与一次节流和二次节流的EEV开度的关联式。结果表明，在测试工况下，该新型系统可以在制热模式下分别连续运行32、34和36分钟。在-3℃和3℃下，该系统COP比逆循环除霜分别高17.9%和3.4%。在一次节流EEV开度70％，二次节流EEV开度为40%时，系统的性能相对较高。其次，建立了系统的动态仿真模型。并根据实验测试，验证了模型的正确性。再次，基于该数学模型，研究了除湿材料与蓄热材料的匹配关系，并分析了温度、湿度及风速对系统性能的影响。结果表明，在环境温度为0℃，相对湿度为80%下，干燥剂质量为2.2kg，蓄热材料体积为1100ml时，两者匹配相对较为合理。研究还表明，除湿率与环境温度成正相关，而再生率与环境温度成负相关。相对于风速和相对湿度，环境温度对系统的性能影响最大。再次，基于㶲分析方法，建立新型系统㶲效率分析模型，分析了新型系统各主要部件的能量转换、传递和使用情况，明确该系统能量损失的主要环节和损失程度。结果表明，压缩机的㶲损失最大(51.4%)，其次分别是蓄热装置(15.8%)和除湿换热器(10.7%)。最后，通过多元线性回归，分别建立了系统无霜运行时间和COP与环境温度和相对湿度的数学关联式，以及系统的优化控制策略，此研究为新型无霜空气源热泵系统的合理配置与优化提供基础数据，同时为空气源热泵技术的可持续发展与科学应用提供理论支持。