太阳能是一种清洁型能源,它能够在一定程度上减少人类对传统能源的依赖。太阳能热泵技术有效地整合了太阳能热利用和热泵技术,用于生活热水的加热和供应。直接膨胀式太阳能热泵系统(Direct expansion solar assisted heat pump,DX-SAHP)通过对集热器和蒸发器的集成,获得较高的蒸发温度和集热效率,从而提高了系统性能系数(Coefficient of performance,COP),它是实现建筑节能、可再生能源利用和污染物减排的有效手段之一。本文在大量实验测试的基础上,研究分析了变容量直膨式太阳能热泵热水器的热力性能特征及各参数的变化趋势。主要内容如下:设计并搭建了以R134a为制冷工质的直膨式太阳能热泵热水器实验样机。它主要由一个裸板式太阳能集热/蒸发器、一台全封闭旋转式变频压缩机、一套微通道冷凝器及蓄热水箱和一个电子膨胀阀组成。详细阐述了实验平台的工作原理和整机的搭建过程,包括DX-SAHP系统四部件结构参数的介绍,数据采集与监控系统的编写与组建,太阳辐射表、压力传感器、温度传感器、风速计、湿度传感器、功率计、数据采集控制器等硬件设备的连接。基于组态王软件,利用编制的系统实验数据采集与控制程序,实现对实验平台环境参数及运行参数的监控、采集与存储,并且能够自动调节电子膨胀阀的开度和压缩机的转速。基于对大量实验数据的分析,提出了 DX-SAHP热水器的运行控制策略。总体运行控制策略主要包括:系统启动前的模糊控制策略;系统启动阶段电子膨胀阀初始开度的设置和压缩机初始转速的计算;系统运行阶段压缩机转速调整规则和保证过热度处于目标过热度区间的电子膨胀阀开度控制策略,另外,根据环境工况和初始水温,确定了系统合理的预期加热时间。所提出的控制策略实现了压缩机转速、电子膨胀阀开度、集热/蒸发器出口过热度的实时调节和自动控制的效果,有利于系统的安全高效稳定运行。通过对DX-SAHP系统在全年不同工况下的实验测试,验证并分析了所提出的变频控制策略。在晴天工况下,系统COP达到4.0以上,在多云工况下,系统COP高于3.0,即使在极端恶劣的阴雨天工况下,系统COP仍高于2.5。另外,预期加热时间与实际加热时间的实验数据吻合较好,误差控制在20分钟以内。因此在多工况下,基于变频控制策略的DX-SAHP系统均能够在有效控制加热时间的前提下获得较高的COP,实验平台制热性能良好且控制效果显著。研究了系统在恒速模式和变速模式下各个运行参数的变化特点,其中压缩机转速与太阳辐射强度呈负相关,电子膨胀阀开度与压缩机转速呈负相关。另外分析了在不同加热条件下压缩机功率、压缩机转速和排气温度的变化趋势。随着水温的升高,压缩机转速逐渐增大,相应的压缩机功率急剧增加。同时冷凝压力不断增大,压缩机排气温度也随之升高,而蒸发压力保持在相对较低的水平且变化较小。