本文是一篇土木工程论文，本文提出了一种新型的直膨式太阳能/空气能热泵集热蒸发器，首次把铝排管蒸发器应用到供热采暖领域，通过电泳工艺黑化并刷有吸热面层漆，可同时吸收室外太阳能和空气能的热量，解决了传统太阳能热泵运行性能不稳定的缺点，在太阳辐射不足时，能进一步吸收环境（空气、雨水）中的热量，既可以较好的克服太阳辐射能波动变化大，又能缓解空气源热泵冬季结霜问题。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
伴随着国家经济的不断发展，能源消耗量也与日俱增，现阶段发展中所面临的一个重要问题就是节能和降耗。根据 2019 年《BP 世界能源统计年鉴》，中国 2018年可再生能源的增长率为 28.8%，又一次成为全球最大的贡献者[1]。据我国“十三五”规划，到 2020 年非化石能源占一次能源消费比重将达到 15%，新能源的开发与利用依然是我国环保工作的重要挑战[2]。
随着城乡居住环境及生活水平的不断提高，建筑能耗占总能耗（建筑能耗、工业能耗和交通能耗）的百分比逐渐增高。根据 2018《中国建筑能耗研究报告》[3]了解到，我国 2000-2016 年建筑碳排放总量呈现持续增长趋势。寒冷地区公共建筑和住宅的供暖能耗在建筑能耗中占比较大，目前我国建筑最主要的供暖形式仍采用的是传统煤炭、天然气能源等，不仅能源利用率低，还造成各地的雾霾产生等现状。
河北省 2017 年发布的“十三五”能源发展规划，加强新能源和可再生能源利用，保障民生，促进社会可持续发展[4]。在节能降耗技术中，热泵技术实现了把低位热能转化为高位热能，可以大量的利用太阳能、空气能和地热能中的热量，已经成为节能发展的重要主题[5]。
图 1-1 中国太阳能资源分布图
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1.2 国内外太阳能热泵研究现状
1.2.1 国外现状
国外对于太阳能热泵的研究较早，20 世纪 50 年代初，Jordan 等人指出了太阳能热泵的优势，并分析了其经济可行性[7]。由于直接膨胀式太阳能热泵独特的优势和良好的发展前景，世界各国学者从不同的研究视角，取得了一定的进展[8]。
热泵系统工程中的一个重要步骤是选择更合适的制冷剂，一些学者对直膨式热泵中的制冷剂性能方面做了相关研究。S.K. Chaturvedi[9-10]研究了从 R12 制冷剂过渡到 HFC 制冷剂后系统性能的变化情况，研究得出在制冷剂混合之后其性能略有下降，并通过分析制冷剂热性能，了解到在 60-90°C 范围高温应用中双级直膨式热泵系统要优于单级直膨式热泵系统。Paradeshi Lokesh[11]对用 R290 替代了 R22 的直膨式太阳能热泵的压缩机能耗、冷凝器热容量、能量性能比、太阳能输入比等性能参数进行了性能比较，结果表明，与 R22 相比，R290 的能量利用率提高了 6.8%，压缩能耗降低了 11%，此外，与 R22 相比，R290 的全球暖化影响可忽略不计，臭氧消耗的可能性为零。Willian M. Duarte[12]等人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，结果表明，对于太阳辐射在300W/m2~700W/m2之间，环境温度在 10°C~35°C 范围内，R290 制冷剂比其它制冷剂具有更好的 COP 值；而对于太阳辐射小于 50W/m2时的制冷剂，R134a 的 COP 优于 R290。
国外对于直膨式太阳能热泵的研究越发趋于多元化，一些学者开发出各种新型热泵系统并进行了分析和实验测试。JoséFernández-Seara[13]将直膨式太阳能集热器置于气候室中，在零太阳辐射和稳定环境空气温度的工作条件下进行实验。根据试验数据，确定了供热期的 COP 和等效季节性能因子(SPFe)等评价能源效率的性能参数，并确定了储罐水热分层。A. Moreno-Rodriguez[14]等人对直膨式太阳能热泵所在的几个气候典型日进行监测，分析了解到在极端室外条件下，热泵系统也可以用来补偿热需求，因而直膨式太阳能/空气能热泵在寒冷地区的研究具有可行性。ElaminMohamed[15]在室内热水和准静态条件下对太阳能热泵系统进行空间加热试验，研究了外部温度、太阳辐射和余热对直膨式太阳能热泵加热性能的影响。结果表明，与热泵系统相比，制冷循环可以很好地替代空间加热和热水。Sabrina N. Rabelo[16]通过实验方式，分析了 CO2直膨式太阳能热泵的膨胀阀开度对其性能的影响，研究表明无论太阳辐射如何，导致最大 COP 的膨胀装置开启值几乎相同。在开启膨胀阀后，压缩机出口温度降低，蒸发器和气体冷却器的质量流量增大，热焓差减小，高压减小，低压增大，压缩机出口温度降低。这些结果与在膨胀阀作用下的蒸发器进口处的质量流量增加有关。
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第 2 章 直膨式太阳能/空气能热泵系统
2.1 太阳能集热器的分类
太阳能集热器作为一个吸热部件，也是热泵系统中最关键的部件，其热性能的好坏，对于提高整个热泵系统的制热效率，降低系统运行成本等起着重要的推动作用。在供热水和采暖方面上，太阳能集热器使用比较广泛的有平板型太阳能集热器和玻璃真空管型太阳能集热器这两类[38]。
2.1.1 平板型太阳能集热器
平板型太阳能集热器是太阳能热利用中，通过吸收太阳辐射中的能量并将其转化给传热介质的非聚光性部件，在太阳能市场中一直处于主导位置。如图 2-1 所示，普通的平板型太阳能集热器主要有吸热体、透明玻璃盖板、保温隔热层和壳体等部件。在吸热体上，通常都布置有铜、铝、铜铝复合等金属排管和集管，并在吸热板上涂有太阳能吸收涂层，用以吸收太阳辐射中的热量使其转化为热能。保温隔热层目前多使用玻璃棉材料，来阻止热量通过传导向周围环境散失，从而提高平板集热器的集热效率。
图 2-1 平板型太阳能集热器
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2.2 直膨式太阳能/空气能热泵系统组成和运行机理
直膨式太阳能/空气能热泵系统的组成如图 2-3 所示，系统主要部件有太阳能/空气能集热蒸发器、压缩机、冷凝器及电子膨胀阀。系统中的集热器为改进的太阳能/空气能集热蒸发器，不但可以从太阳辐射中吸收热能，还可以从室外空气中吸热，既节约了电能，又提高了制热效率。直膨式热泵系统是通过压缩机的高位能的驱动，把低位热源转换为可使用的高位热源，以制冷剂为载体，在冷凝器中制冷剂发生相态变化冷凝放热，将热量释放给采暖末端。
图 2-3 直膨式太阳能/空气能热泵系统原理图
在供热模式下，图 2-3 系统中的电磁阀为打开状态。液态制冷剂通过太阳能/空气能集热蒸发器吸收太阳能、空气、雨水中的热量，达到蒸发温度后转化为低温低压的气态制冷剂。四通换向阀转换后，经过气液分离器吸入压缩机，在压缩机的动力作用下，气态制冷剂由低温低压进行压缩转变为高温高压，经四通换向阀的一处进入冷凝器后，制冷剂和水进行换热将热量供给用户。来自冷凝器的高压液态制冷剂在进入经济器后分为两部分，一部分（主路部分）通过电子膨胀阀气化，降温降压后再次进入太阳能/空气能集热蒸发器完成一个循环。而另一部分（辅路部分即补气增焓部分）通过经济器后，高压液态制冷剂通过电磁阀后由电子膨胀阀气化，降温降压，再进入经济器与主路制冷剂换热增温（从而也降低了主路制冷剂的温度），之后又进入下一个新的循环，重新进入压缩机。在冷凝器中制冷剂通过冷凝放热，使采暖用户系统中水被加热，从而达到制热的目的[41]。
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第 3 章 太阳能/空气能集热蒸发器数值模拟·······················15
3.1 CFD 介绍 ·························15
3.2 物理模型 ··························15
第 4 章 实验测试及结果分析··················23
4.1 实验内容 ··························23
4.2 集热蒸发器实物 ························24
第 5 章 集热蒸发器的计算结果及其结构的优化························33
5.1 模拟集热蒸发器表面温度分布 ····················33
5.2 管内制冷剂温度及密度变化 ······················33
第 5 章 集热蒸发器的计算结果及其结构的优化
5.1 模拟集热蒸发器表面温度分布
图 5-1 为模拟集热蒸发器外表面温度分布云图。模拟室外温度为-1℃，太阳辐射强度为 800W/m2的情况下，集热管沿制冷剂流动方向 X 轴正方向的管壁表面温度呈现从进口到出口逐渐升高的趋势。但温度升高的程度并不明显，大约在 2~3℃左右。这是因为制冷剂液体吸热后逐渐气化成气体，最终实现过热状态从出口排出。制冷剂的相变吸热过程为潜热吸热过程，温度不发生明显的变化。制冷剂 2~3℃的温升为其过热度。
肋片上的温度分布沿 Z 轴方向呈现逐渐增大的趋势，而且温度分层明显。这是因为直管中制冷剂的温度对附近肋片温度影响较大，而太阳辐射强度和环境干球温度对离直管较远的肋片具有较大影响，温差导致了沿肋高 Z 轴方向的导热现象，肋片上的温度主要呈现以直管为中心向四周温度逐渐升高的变化趋势。
图 5-1 模拟集热蒸发器外表面温度分布云图
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结论
本文提出了一种新型的直膨式太阳能/空气能热泵集热蒸发器，首次把铝排管蒸发器应用到供热采暖领域，通过电泳工艺黑化并刷有吸热面层漆，可同时吸收室外太阳能和空气能的热量，解决了传
