太原地區(qū)太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統(tǒng)性能分析

黎珍， 田琦， 董旭

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 晉中 030600)

太原地區(qū)太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統(tǒng)性能分析

黎珍， 田琦， 董旭

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 晉中 030600)

為解決太陽能熱水系統(tǒng)占地大、供熱水穩(wěn)定性差、空氣源熱泵冬季易結(jié)霜、能效比較低的問題，提出太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器并構(gòu)建其熱泵熱水系統(tǒng).建立該系統(tǒng)的TRNSYS模型，分別研究太原地區(qū)的夏季和冬季工況的系統(tǒng)制熱性能參數(shù)變化情況.研究結(jié)果表明：在夏季高溫太陽輻射照度大典型工況下，該系統(tǒng)平均制熱性能系數(shù)(COP)值為6.026，較空氣源熱泵熱水系統(tǒng)提高44.16%；在冬季低溫高濕易結(jié)霜典型工況下，該系統(tǒng)平均COP值為3.25，較空氣源熱泵熱水系統(tǒng)提高6.56%.

太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器； 太陽能； 空氣源熱泵； 節(jié)能； 平均制熱性能系數(shù)值； 太原地區(qū)

Abstract： Solar hot water system covers large areas and is unstable， and air source heat pump has a low energy efficiency when frosted easily in winter. To solve these problems， a solar energy/air source evaporation collector and hot water system was proposed. TRNSYS model was established to study the heating coefficient of performance under the changes of environmental and working conditions in summer and winter respectively in Taiyuan Area. Simulation results show that， system average coefficient of performance (COP) value is 6.026， 44.16% higher than that of the air source heat pump hot water system under the condition of high temperature and abundant solar energy in summer； and the system average COP value is 3.25， 6.56% higher than that of the air source heat pump hot water system under the condition of low temperature and high humidity in winter.

Keywords： solar energy/air source evaporation collector； solar； air source heat pump； energy conservation； system average coefficient of performance value； Taiyuan Area

目前，我國建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空調(diào)等)約占全社會總能耗的30%[1].為降低建筑能耗，國內(nèi)外學者對太陽能熱水系統(tǒng)的日照時效節(jié)能性及熱泵技術(shù)的全時間節(jié)能性優(yōu)勢進行了廣泛關(guān)注[2-5].由于太陽能熱水系統(tǒng)初投資大、占地大、供熱水穩(wěn)定性差，而現(xiàn)有空氣源熱泵冬季易結(jié)霜、能效比較低，如何有機地將兩者結(jié)合，提高系統(tǒng)效率，逐漸成為研究的重點[6-10].李先庭等[11]提出一種復合太陽能空氣源熱泵；張月紅等[12]構(gòu)建一種直接膨脹式太陽能與空氣復合源熱泵熱水系統(tǒng)；丁鴻昌等[13]設計空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的自動控制系統(tǒng)；Yousefi等[14]研究了太陽能集熱直接蒸發(fā)式熱泵熱水系統(tǒng)的熱力學性能；Tamasauskas等[15]研究冰漿潛熱蓄熱太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng).現(xiàn)有研究多針對由獨立的太陽能與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)組合而成的聯(lián)合系統(tǒng)，未能實現(xiàn)設備集成一體化.因此，本文提出太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器，構(gòu)建太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水(SIASHP)系統(tǒng).

1 系統(tǒng)運行模式分析

SIASHP系統(tǒng)主要由SIASHP室外機、保溫水箱等組成，如圖1所示.圖1中：SIASHP室外機包括太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器、數(shù)碼渦旋壓縮機、膨脹閥、風機、旁通調(diào)節(jié)閥等.

圖1 太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統(tǒng)Fig.1 Solar energy coupling with air source heat pump integration hot water system

系統(tǒng)中太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器基于傳統(tǒng)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)而來，在銅鋁翅片管外表面，通過電化學方法，電解著色一層鋁陽極氧化太陽能選擇性吸收涂層，并使用平面低鐵鋼化玻璃透明蓋板替代部分室外機外殼.SIASHP與空氣源熱泵(ASHP)尺寸相似，外形稍有變化.SIASHP系統(tǒng)較之于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，可直接利用太陽能提高系統(tǒng)制熱能效.

SIASHP系統(tǒng)工作原理及運行模式有如下3種情形.1) 日照充足時，太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器中制冷劑僅吸收太陽輻射熱，氣化形成高溫高壓蒸氣.該蒸氣通過旁通流量調(diào)節(jié)閥進入用戶水箱冷凝換熱，之后，經(jīng)由膨脹閥節(jié)流降壓再次進入太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器完成工作循環(huán)，完成太陽能熱水系統(tǒng)模式.2) 日照不足時，制冷劑同時吸收空氣中的熱量和太陽輻射熱，加溫加壓后通過數(shù)碼渦旋壓縮機進入用戶水箱換熱；然后，經(jīng)膨脹閥進入太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器完成工作循環(huán)，完成太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)模式.3) 無日照時，制冷劑循環(huán)過程與ASHP系統(tǒng)相似，使用壓縮機完成制冷劑升溫升壓過程，不再利用太陽輻射熱作為能量來源，完成空氣源熱泵熱水系統(tǒng)模式.

2 數(shù)學模型與求解

2.1數(shù)學模型

基于SIASHP系統(tǒng)的熱力分析和水力分析，建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型.其中，SIASHP模塊主要體現(xiàn)在用戶側(cè)流體溫度、換熱量的變化，以及熱源處溫度、集熱量、換熱量的變化.

1) 太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器吸收的有效太陽能輻射熱(即集熱量)為

式(1)中:QU為有效太陽能輻射熱；QA為總太陽能輻射熱,QA=AIT(τ×α)n,A為太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器吸收太陽能有效面積，IT為有效太陽輻射照度,(τ×α)n為透明蓋板透射比與太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器吸收比的有效乘積；QL為通過輻射導熱對流散失的太陽能輻射熱.由于制冷劑進口溫度比空氣溫度低，不會向空氣散熱，故QL為0.因此,有效太陽能輻射熱為

2) SIASHP模塊的數(shù)學模型為

式(3)中:Qair為太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器吸收空氣的熱量；Qcap為SIASHP制熱量；Pcompressor為壓縮機功率;hair，out為室外空氣經(jīng)太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器后的出口焓值；hair，in為室外空氣進口焓值；mair為室外空氣質(zhì)量流量;hb，out為室外空氣經(jīng)風機后的出口焓值；Pblower為風機功率;θdhw，out，θdhw，in分別為負荷側(cè)流體出口、進口溫度；mdhw為負荷側(cè)流體的質(zhì)量流量；cp，dhw為負荷側(cè)流體的比熱容.

3) SIASHP系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)(COP)為

式(4)中:Pcontroller為控制器功率.ASHP系統(tǒng)的數(shù)學模型與SIASHP系統(tǒng)相同，但QU=0.

2.2各部件參數(shù)設置

2.2.1 模擬時間、熱泵啟停時間和步長的確定 以太原市地區(qū)為例，對SIASHP系統(tǒng)和ASHP系統(tǒng)進行參數(shù)設置.選出夏季(2015年7月22日，高溫太陽輻射照度大，相對濕度為49%～60%)和冬季(2015年1月6日，低溫高濕易結(jié)霜，相對濕度為61%～74%)兩種典型工況，其環(huán)境溫度和太陽輻射照度隨時間的分布，如圖2所示.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖2 環(huán)境溫度和太陽輻射照度分布Fig.2 Environment temperature and solar radiation intensity distribution

系統(tǒng)中環(huán)境溫度θW及太陽輻射照度IT等參數(shù)由軟件讀取；環(huán)境溫度隨著時間的推移先升高后降低，在16：00達到最大值，太陽輻射照度也是先增大后減小，在11：00-15：00維持較強的輻射照度；為了在充分利用太陽能資源的同時，又能保證空氣能換熱處于高效狀態(tài)，結(jié)合所選低溫空氣源熱泵性能參數(shù)及環(huán)境參數(shù)，確定熱泵開啟時間，如表1所示.

表1 熱泵開啟時間Tab.1 Heat pump boot time

SIASHP開啟，系統(tǒng)運行模式為太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，SIASHP開啟之前的系統(tǒng)運行模式為太陽能熱水系統(tǒng).通過多次試算，時間步長定為0.125 h.

2.2.2 模型主要參數(shù)設置 TRNSYS模型的主要參數(shù)，如表2所示.SIASHP系統(tǒng)和ASHP系統(tǒng)白天工作，加熱150 L熱水，所需熱量為25.122 MJ.

表2 主要部件的參數(shù)Tab.2 Parameters of major component

2.3SIASHP系統(tǒng)的模擬平臺搭建

通過設置TYPE子程序的相關(guān)參數(shù)，以及進一步編寫模塊的FORTRAN程序，創(chuàng)建SIASHP模塊.根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路的熱力、水力分析邏輯關(guān)系，搭建SIASHP系統(tǒng)的模擬平臺，如圖3所示.

圖3 SIASHP系統(tǒng)模擬平臺Fig.3 SIASHP system simulation platform

鑒于系統(tǒng)的集成性，管路和水箱熱損失在實際應用中也處于可忽略不計的水平，熱損失不影響制取熱水的溫度和能耗水平.因此，所搭建模擬平臺忽略了管路及水箱等熱損失.TRNSYS模型的主要部件包括：熱泵、保溫水箱、氣象參數(shù)輸入及數(shù)據(jù)輸出模塊等.ASHP系統(tǒng)平臺則是用ASHP模塊代替SIASHP模塊，并且未設太陽能輻射計算區(qū)域.

3 相關(guān)分析與結(jié)果討論

在太原夏季高溫太陽輻射照度大和冬季低溫高濕易結(jié)霜兩種典型工況下，應用TRNSYS軟件分別模擬SIASHP系統(tǒng)太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器的集熱量和換熱量及系統(tǒng)COP值隨環(huán)境和熱水工況的變化情況.為確定系統(tǒng)性能優(yōu)劣，將該系統(tǒng)與ASHP系統(tǒng)進行對比分析，其數(shù)值模擬過程同上所述.

3.1集熱量與換熱量分析

通過模擬得到SIASHP系統(tǒng)與ASHP系統(tǒng)的換熱量對比，如圖4所示.由圖4可知：ASHP系統(tǒng)的空氣能換熱量隨著時間的推移逐漸增加，增長速率逐漸下降.這是因為ASHP系統(tǒng)在環(huán)境溫度較高時，熱泵開啟，空氣能換熱量增加；之后，環(huán)境溫度逐漸下降，但用戶側(cè)水溫仍然較高，此時，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度升高，制熱性能有所下降.該過程空氣能提供的總換熱量為25.122 MJ.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖4 SIASHP系統(tǒng)與ASHP系統(tǒng)的換熱量對比Fig.4 SIASHP system heat exchange compared with that of ASHP systems

SIASHP系統(tǒng)的太陽能集熱量增長趨勢變緩，空氣能換熱量增加，其增長速率逐漸變小.SIASHP未開啟，SIASHP系統(tǒng)運行模式為太陽能熱水系統(tǒng).隨著太陽輻射照度的先增后減，該系統(tǒng)太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器的單位時間的集熱量逐漸變少，增長趨勢變緩.這一階段夏季的集熱量QU為6.245 MJ，占總換熱量的24.86%，冬季最冷時的集熱量為1.131 MJ，占總換熱量的4.5%.SIASHP于空氣高溫段(14:00-15:00)開啟，SIASHP系統(tǒng)運行模式為太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，由太陽能和空氣能聯(lián)合供熱.此時，環(huán)境溫度先升后降，太陽輻射照度逐漸地減弱.

由此可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度下降時，用戶側(cè)水溫較高，空氣能換熱量出現(xiàn)與ASHP系統(tǒng)相同的變化趨勢.上述過程中，太陽能與空氣能提供的總換熱量為25.122 MJ,夏季太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器的總集熱量為7.686 MJ，占總換熱量的30.6%；冬季總集熱量為1.507 MJ，占總換熱量的6%.

3.2水溫變化分析

通過模擬得到SIASHP系統(tǒng)和ASHP系統(tǒng)用戶側(cè)水溫變化，如圖5所示.由圖5可知：冬季工況與夏季工況相比，冬季工況的環(huán)境溫度低，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低，因此，系統(tǒng)熱水溫升速率整體更慢.SIASHP系統(tǒng)用戶側(cè)水溫隨著時間的推移先緩慢上升，于14：00-15：00后快速升高.這是因為SIASHP還未開啟時，水溫上升的熱量由太陽能集熱量提供，上升速率緩慢，故夏季檢測水溫提升10 ℃，冬季水溫提升為1.8 ℃.14：00-15：00，SIASHP開啟，水溫上升的熱量由太陽能集熱量和空氣能換熱量共同提供.在兩個階段中，夏季太陽能集熱量共將水溫提升了12.24 ℃，冬季共提升了2.4 ℃，這部分能量無需耗電.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖5 SIASHP系統(tǒng)與ASHP系統(tǒng)的用戶側(cè)水溫變化對比Fig.5 SIASHP system userside water temperature changes compared with that of ASHP systems

3.3COP值分析

通過模擬得到SIASHP系統(tǒng)和ASHP系統(tǒng)的COP值變化對比，如圖6所示.由圖6可知：兩系統(tǒng)COP值均隨著時間變化逐漸降低.熱泵啟動初期，制冷劑大部分儲存在冷凝器、儲液罐中；用戶側(cè)水溫較低，即熱泵的冷凝溫度較低，此時，COP值呈現(xiàn)瞬時凸高狀態(tài)；隨著太陽輻射照度的減弱，環(huán)境溫度的先升高后降低及水溫的逐漸升高，系統(tǒng)COP值隨之降低.冬季與夏季相比，太陽輻射照度弱，環(huán)境溫度低，因此，系統(tǒng)COP值降低更快.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖6 SIASHP系統(tǒng)與ASHP系統(tǒng)的COP值變化對比Fig.6 SIASHP system COP value compared with that of ASHP systems

研究發(fā)現(xiàn)，SIASHP系統(tǒng)的COP值高于ASHP系統(tǒng)的COP值.夏季工況下，SIASHP系統(tǒng)平均COP值為6.026，較ASHP系統(tǒng)的4.18提高44.16%；冬季工況下，SIASHP系統(tǒng)平均COP值為3.25，較ASHP系統(tǒng)的3.05提高6.56%.SIASHP系統(tǒng)相對于ASHP系統(tǒng)有部分能量是由太陽能提供的，無需耗電，故SIASHP系統(tǒng)的COP值比ASHP系統(tǒng)高.冬季SIASHP系統(tǒng)COP值較ASHP系統(tǒng)高，還因為SIASHP系統(tǒng)吸收了太陽能輻射熱，太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器周圍溫度升高緩解了空氣能換熱結(jié)霜的問題.

通過式(4)對耗電量計算可知：夏季工況的SIASHP系統(tǒng)耗電量為1.158 kW·h，比ASHP系統(tǒng)的1.668 kW·h降低30.6%；冬季工況的SIASHP系統(tǒng)耗電量為2.15 kW·h，比ASHP系統(tǒng)的2.29 kW·h降低6%.

4 結(jié)論

1) 文中提出太陽能/空氣能蒸發(fā)集熱器，并構(gòu)建太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統(tǒng).該系統(tǒng)占地面積小，能源利用效率高.經(jīng)過模擬分析得出：在太原地區(qū)該系統(tǒng)能實現(xiàn)多種運行模式，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，節(jié)能效果顯著，可緩解冬季空氣能換熱蒸發(fā)器結(jié)霜的問題.

2) 在太原地區(qū)夏日工況下，SIASHP系統(tǒng)的平均COP值為6.026，較ASHP系統(tǒng)提高44.16%，耗電量為1.158 kW·h，較ASHP系統(tǒng)降低30.6%.在太原地區(qū)冬季工況下，SIASHP系統(tǒng)的平均COP值為3.25，較ASHP系統(tǒng)提高6.56%；耗電量為2.15 kW·h，較ASHP系統(tǒng)降低6%.

[1] 王榮光，深天行.可再生能源利用與建筑節(jié)能[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004：271-278.

[2] 杜彥，田琦，楊晉明，等.空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)優(yōu)化運行方式[J].華僑大學學報(自然科學版)，2015，36(2):199-204.

[3] 林辯啟，羅會龍，王浩，等.熱泵輔助供熱太陽能熱水系統(tǒng)運行模式對比分析[J].制冷與空調(diào)，2015，29(6):706-710.

[4] STARK S,LOOSE A,DRüCK H.Field test results from combined solar thermal and air-source heat pump systems with a special focus on defrosting[J].Energy Procedia，2014，48:654-663.

[5] IZQUIERDO M，De AGUSTN-CAMACHO P.Solar heating by radiant floor: Experimental results and emission reduction obtained with a micro photovoltaic-heat pump system[J].Applied Energy，2015，147:297-307.

[6] 李旭，江志堅，賈紅陽.一種太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng): CN104266353A[P].2015-01-07.

[7] 孫秋艷，裴未遲，劉偉民，等.一種空氣源熱泵輔助太陽能供熱熱水系統(tǒng): CN104748397A[P].2015-07-01.

[8] 楊磊.相變蓄熱空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)及實驗研究[D].南京:東南大學，2014:8-15.

[9] 陳學鋒，何欽波，徐言生，等.熱泵輔助型太陽能熱水系統(tǒng)動態(tài)性能評價研究[J].太陽能學報，2015，36(2):478-483.

[10] LERCH W,HEINZ A,HEIMRATH R.Direct use of solar energy as heat source for a heat pump in comparison to a conventional parallel solar air heat pump system[J].Energy and Building，2015，100(S1):34-42.

[11] 李先庭，吳偉，王寶龍，等.一種復合太陽能空氣源熱泵： CN104006574A[P].2014-08-27.

[12] 張月紅，徐國英，張小松.太陽能與空氣復合源熱泵熱水系統(tǒng)多模式運行實驗特性[J].化工學報，2010，61(2):484-490.

[13] 丁鴻昌，楊前明，劉其會，等.基于多參數(shù)空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統(tǒng)[J].可再生能源，2013，31(8):97-99.

[14] YOUSEFI M,MORADALI M.Thermodynamic analysis of a direct expansion solar assisted heat pump water heater[J].Journal of Energy in Southern Africa，2015，26(2):110-117.

[15] TAMASAUSKAS J,POIRIER M,ZMEUREANU R,etal.Development and validation of a solar-assisted heat pump using ice slurry as a latent storage material[J].Solar Energy，2015,86(11):3316-3325.

(責任編輯： 陳志賢英文審校： 劉源崗)

PerformanceAnalysisofSolarEnergyCouplingWithAirSourceHeatPumpIntegrationHotWaterSysteminTaiyuanArea

LI Zhen， TIAN Qi， DONG Xu

(College of Environment Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Jinzhong 030600， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201612014

2016-12-07

田琦(1966-)，男，教授，博士，主要從事暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)及可再生能源利用的研究.E-mail:412559908@qq.com.

國家國際科技合作專項(2013DFA61580)

TU 822.2(225)

A

1000-5013(2017)05-0670-06