一種太陽能與空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)的性能研究

顏慧磊， 張 華， 邵秋萍

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

面對日益緊張的能源環(huán)境問題，科研人員已逐漸將關(guān)注熱點放在了太陽能與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的太陽能熱泵系統(tǒng)中.利用太陽能在低溫時的集熱效率較高和熱泵系統(tǒng)在較高的蒸發(fā)溫度下熱效率高的特點，兩者互補，尋求更高效的節(jié)能方式.早在20世紀50年代初，美國、日本等發(fā)達國家的研究人員著手研究與開發(fā)太陽能熱泵技術(shù)，并實施了多項太陽能熱泵技術(shù)示范工程［1］.Bakicri等［2］對帶有儲熱容器的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)開展研究，在供暖期間進行實驗，最終計算得到了系統(tǒng)的COP值.Aye等［3］通過家用傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)以及太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的對比實驗，得出了太陽能熱泵熱水系統(tǒng)具有優(yōu)勢的結(jié)論.我國學者對太陽能熱泵技術(shù)的研究起步相對較晚，徐國英等［4－5］研究了一種新型的太陽能－空氣復合熱源熱泵熱水裝置（SAS－HPWH），對一臺150L的SASHPWH建立系統(tǒng)數(shù)學模型，結(jié)果顯示該熱水器在不同天氣特征情況下可高效率地制造55℃熱水.曠玉輝等［6－7］對直膨式太陽能熱泵展開了深入的研究.隨著能源危機和環(huán)保意識的加強，越來越多學者相繼開展了太陽能熱泵技術(shù)的研究［8－9］.

1 太陽能－空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)

針對單一空氣源熱泵和單一太陽能熱源熱水器的不足，提出太陽能－空氣源雙熱源式熱泵系統(tǒng)，兩種熱源根據(jù)運行環(huán)境的變化相互切換，滿足不同環(huán)境條件下的供熱需求，從而達到互補的效果.本系統(tǒng)將空氣源蒸發(fā)器和以太陽能為熱源的蒸發(fā)器相結(jié)合，在空氣源蒸發(fā)器側(cè)并聯(lián)一個由太陽能平板集熱器提供熱源的套管式蒸發(fā)器，通過電磁閥切換兩個蒸發(fā)器的運行，既能克服空氣源蒸發(fā)器在較低環(huán)境溫度時易結(jié)霜的缺點，又能緩解單一太陽能熱源難以連續(xù)穩(wěn)定運行的缺陷.

1.1 太陽能－空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)成

實驗臺是在已有的空氣源熱泵熱水器的基礎(chǔ)上進行改進，增加了一個套管式蒸發(fā)器和太陽能集熱系統(tǒng)，其中空氣側(cè)蒸發(fā)器和太陽能側(cè)套管式蒸發(fā)器并聯(lián)設(shè)置，通過支路上的電磁閥開閉，控制兩蒸發(fā)器相互切換.套管式蒸發(fā)器與太陽能集熱系統(tǒng)直接相連，不設(shè)置中間換熱設(shè)備，減少熱損.圖1為太陽能－空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)由熱泵循環(huán)和太陽能集熱循環(huán)兩大部分組成，全天供應生活熱水.為保證實驗的準確性，整個制冷劑管路均進行保溫處理.

1.2 太陽能－空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)運行模式

該系統(tǒng)分太陽能制熱水、空氣源熱泵制熱水、太陽能輔助熱泵制熱水3種模式運行：

a.太陽能制熱水模式

當太陽輻射足夠強時，充分發(fā)揮本系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，只啟動太陽能制熱水模塊（循環(huán)為），利用太陽能集熱器直接加熱生活用水，滿足用水需求；

b.空氣源熱泵制熱水模式

當陰雨、多云天氣或夜間用熱水的情況下，太陽能輻射強度不足以將水加熱到所需溫度，則啟動空氣源熱泵制熱水模塊（循環(huán)為），以空氣作為低溫熱源制取生活熱水，以滿足用戶需求；

c.太陽能輔助熱泵制熱水模式

當天氣條件介于兩者之間時，利用太陽能集熱器所集熱水作為低溫熱源，提高循環(huán)的蒸發(fā)溫度（循環(huán)為），加快制熱水速率，提高系統(tǒng)運行性能.

此實驗臺將空氣源熱泵和太陽能輔助熱泵有機結(jié)合起來，即使在惡劣的天氣條件下，也可實現(xiàn)一年四季不間斷供熱水.

圖1 太陽能－空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematics of solar－air double heat sources heat pump system

2 數(shù)據(jù)采集與測量

實驗需要測量的主要物理量有太陽能輻射強度、溫度、電流、功率、電能量等.

測試系統(tǒng)包括：太陽輻射強度測試系統(tǒng)、熱電偶測溫系統(tǒng)以及功率測量系統(tǒng).

太陽輻射強度測試系統(tǒng)包括：直接輻射表、散射輻射表、精密溫度傳感器、總輻射表、地球輻射表、風速風向傳感器等.

熱電偶測溫系統(tǒng)：根據(jù)測試的溫度范圍及精度要求，本實驗采用T型熱電偶.將熱電偶布置在集熱器進出口處、水箱以及環(huán)境中，分別對其測溫.并在壓縮機吸排氣口、冷凝器進出口、空氣源蒸發(fā)器進出口、套管式蒸發(fā)器制冷劑側(cè)進出口、套管式蒸發(fā)器水側(cè)進出口處設(shè)置熱電偶，來檢驗系統(tǒng)運行的安全性和可行性.

功率測量系統(tǒng)：為分析系統(tǒng)的運行性能，需測量整個系統(tǒng)以及主要部件的耗電量（瞬時耗功和總耗功）.實驗中使用功率分析儀對電參數(shù)進行測量，型號為AN8726H，將該儀器接入系統(tǒng)中，測試系統(tǒng)耗功.

3 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)運行COP的計算式為

式中，m為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；C為水的比熱容，kJ／（kg·K）；ΔT為水箱水的溫升，℃；T0，Tk為水的初始溫度和加熱后的溫度，℃；V為水箱容積，L；W 為系統(tǒng)總耗功，kW·h.由于實驗條件有限，實驗結(jié)果略有誤差.

3.1 太陽輻射強度對太陽能輔助熱泵制熱水模式系統(tǒng)性能影響

實驗對比了上海地區(qū)晴天工況和陰天工況下，采用太陽能輔助熱泵制熱水模式，利用太陽能集熱器所集熱水作為低溫熱源時系統(tǒng)的運行情況.分別在2013年01月16日（陰，最高氣溫5℃，最低氣溫1℃）和2013年01月19日（晴，最高氣溫10℃，最低氣溫5℃）兩天進行實驗.該兩天太陽輻射情況具體見圖2，其中19日為晴天工況，太陽輻射強度最高達683W／m2，而16日陰天最高太陽輻射強度只有200W／m2.水箱容積150L，初始水溫設(shè)為8℃，水箱最終水溫設(shè)定為53℃，兩天均從10：00開機運行.

圖2 太陽輻射強度對比圖Fig.2 Comparison of the intensity of solar radiation

圖3為太陽能輻射強度不同時，水箱中熱水升溫速率和系統(tǒng)COP的對比圖.從圖中可以看出，水箱中熱水溫度T基本呈直線上升，隨著水溫逐漸增加，升溫速率略有下降，而系統(tǒng)的COP隨著水箱溫度的升高而降低.

圖3 太陽輻射強度對系統(tǒng)性能的影響Fig.3 Effects of solar radiation intensity on system performance

從圖中看出：19日與16日相比，由于19日天晴，太陽輻射強度高，集熱板所集熱水溫度高，相對的系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較高，冷凝溫度上升加快，水箱加熱水的速率也相應加快；系統(tǒng)加熱初始階段，19日的COP高于16日的COP，但是由于19日水箱水溫升高速率快，導致運行后期反而減小，整個加熱過程平均COP對比見下頁表1.

3.2 太陽能輔助熱泵制熱水模式與空氣源熱泵制熱水模式對比

圖4（見下頁）為以太陽能作為低溫熱源的太陽能輔助熱泵和以空氣為低溫熱源的空氣源熱泵的系統(tǒng)運行對比圖，水箱初始水溫為20℃.圖中所列為兩不同低溫熱源的水箱升溫速率對比.兩組實驗數(shù)據(jù)取自2012年12月27日和2013年01月09日兩天的實驗.這兩天的天氣情況分別為：2012年12月27日，小到中雨，最高氣溫9℃，最低氣溫3℃，采用空氣作為低溫熱源；2013年01月09日，多云，最高氣溫6℃，最低氣溫1℃，采用太陽能作為低溫熱源.

表1 不同太陽輻射強度下的系統(tǒng)性能Tab.1 System performance under different solar radiation intensity

從圖4中可以看出，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)制取熱水的升溫曲線近似為直線，而空氣源熱泵系統(tǒng)制取熱水的升溫曲線隨著時間的增長趨于平緩.相比較而言，太陽能輔助熱泵的加熱水速率要快得多，在100min內(nèi)能很快升溫至50℃，而空氣源熱泵只能升溫至30℃.從圖中可以得出結(jié)論，在天氣不佳的情況下，太陽能輔助熱泵加熱水速率比空氣源熱泵快3倍左右，太陽能輔助熱泵制熱水模式比單一空氣源熱泵制熱水模式的加熱水能力更強，能夠?qū)崿F(xiàn)快速供應熱水.

圖4 不同低溫熱源的水箱加熱水速率對比Fig.4 Water heating rate under different low－temperature heat sources

雖然2012年12月27日環(huán)境溫度相對較高，但其系統(tǒng)運行瞬時COP最高2.71，最低僅有0.61，整個加熱過程平均COP為1.02；而太陽能輔助熱泵，整個熱泵熱水系統(tǒng)的平均COP達到3.03，同樣約為空氣源的3倍.所以相對于單一空氣源熱泵系統(tǒng)來說，在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，太陽能輔助熱泵熱水系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

搭建了太陽能－空氣源雙熱源熱泵實驗臺，簡單分析了太陽輻射對系統(tǒng)運行的影響.在冬季晴天工況下，太陽能輔助熱泵不管是水箱加熱水速率還是系統(tǒng)的運行性能都高于空氣源熱泵.通過太陽能輔助熱泵與空氣源熱泵運行對比實驗得出，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的平均COP約為單一空氣源的3倍.所以相對于單一空氣源熱泵系統(tǒng)來說，在冬季環(huán)境溫度較低情況下，太陽能輔助熱泵具有明顯優(yōu)勢.

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