太陽能高溫熱泵系統(tǒng)在桂林地區(qū)應用模擬研究

吳國珊 陳洪杰 蘇文博

桂林航天工業(yè)學院能源與建筑環(huán)境學院

0 引言

空氣源高溫熱泵系統(tǒng)在冬季環(huán)境溫度較低時其制熱性能下降，在一定程度上制約了該技術的推廣應用。本文把太陽能輔助集熱系統(tǒng)作為空氣源高溫熱泵循環(huán)的熱源，編制計算機程序計算了廣西北部某地最低太陽日輻射強度月份12月的太陽能集熱系統(tǒng)的熱水溫度，推算了太陽能高溫熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，進而推算得到了該月份每天系統(tǒng)的運行性能。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由空氣源補氣增焓高溫熱泵循環(huán)和太陽能集熱系統(tǒng)組成（圖1）。

圖1 太陽能熱泵系統(tǒng)原理圖

補氣增焓高溫熱泵系統(tǒng)，從壓縮機出來的高溫高壓氣體進入冷凝器，經(jīng)冷凝器冷卻冷凝為液體，液態(tài)制冷劑出冷凝器分為主輔兩路，輔路制冷劑經(jīng)過膨脹閥1節(jié)流后壓力從冷凝壓力降到中間壓力成為氣液混合物，在經(jīng)濟器中吸取主路制冷劑的熱量使其過冷，而輔路制冷劑變?yōu)檫^熱氣體進入壓縮機的補氣口。被過冷的主路制冷劑再經(jīng)過膨脹閥2節(jié)流后進入蒸發(fā)器。蒸發(fā)吸熱后主路制冷劑變成過熱氣體進入壓縮機吸氣口，經(jīng)過壓縮后與從補氣口進入的輔路制冷劑混合，再經(jīng)過壓縮機的壓縮，完成補氣增焓壓縮循環(huán)。

太陽能集熱系統(tǒng)將太陽能熱能儲存在水中，水泵把水送至輔助換熱器。當系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較高，運行性能較好時熱泵系統(tǒng)通過蒸發(fā)器吸收空氣中低品位能，提供烘干需要的熱量，此時，輔助換熱器和太陽能系統(tǒng)通?？梢圆粏印．斚到y(tǒng)的蒸發(fā)溫度較低，系統(tǒng)的性能下降時，關閉電磁閥2，打開電磁閥1，輔助換熱器成為蒸發(fā)器，水泵把吸收了太陽能熱量的水送入輔助換熱器，使循環(huán)的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力提高。

2 模擬計算

2.1 模型假設

模型建立所做假設包括：1）水在集熱器中被加熱過程，定壓比熱可看做恒定。2）輔助換熱器中水的熱量完全被工質吸收。3）輔助換熱器中水和制冷劑的傳熱溫差為8℃。4）系統(tǒng)渦旋壓縮機容積排氣量為3.91 m3/hr。5）圖2中點2、3的壓力認為和點8的壓力相等。

圖2 系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖

2.2 太陽能集熱器

根據(jù)廣西桂林冬季日平均太陽輻射強度的變化情況，12月的日均太陽能輻射強度為最小，如圖3所示為測量得到數(shù)據(jù)。本文以該月為例計算太陽能采集系統(tǒng)熱水溫度的變化。則太陽能集熱系統(tǒng)的日均集熱量可由下式計算：

式中：Q為集熱量，W；Ac為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椪樟?，kJ/m2；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實際測試結果而定；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗取值宜為0.20～0.30。

圖3 太陽輻射最低月日平均太陽能輻射強度

設定太陽能集熱器的集熱時間為9:00到17:00，每天共8 h，則水在集熱器中的溫升可表述為

式中：Gm為太陽能熱源系統(tǒng)的水流量；Cw為水的比熱。

2.3 輔助換熱器

從集熱器過來的熱水的熱量在輔助換熱器中被熱泵循環(huán)的工質完全吸收，則集熱器中的水流量為

2.4 熱泵循環(huán)

蒸發(fā)器的制冷量可為

不考慮蒸發(fā)器的有害過熱。

1）壓縮過程耗功

前半段理論功率

后半段理論功率

2）指示功率

3）電功率

式中：g1、g2分別為蒸發(fā)器回路、中間補氣回路的工質質量流量；h表示圖1中循環(huán)壓焓圖各點的焓值；ηi1、ηi2分別表示壓縮前半段、后半段的指示效率。

中間補氣壓縮過程電效率采用下式[1]

從蒸發(fā)器回氣質量流量：

式中：Vs表示壓縮機的實際輸氣量；v1表示壓縮機在狀態(tài)點1的吸氣比容。

經(jīng)濟器的熱平衡關系式：

補氣和一次壓縮排氣混合的熱平衡關系式

制熱量

制熱性能系數(shù)

2.5 模擬計算

根據(jù)上述分析，在考慮太陽能輔助的情況下，對系統(tǒng)進行理論循環(huán)模擬計算。編制Matlab程序，調用REFPROP的熱物性程序，以R134a為工質在冷凝溫度為70℃的情況下進行變蒸發(fā)溫度的循環(huán)模擬計算，計算的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)循環(huán)模擬計算流程圖

3 數(shù)據(jù)分析

從圖4可以看到，在該地區(qū)最低太陽輻射強度的12月太陽能集熱系統(tǒng)水溫在吸收了太陽輻射的熱量后，溫度得到了較顯著提高，比地表水溫平均提高了5.1℃，最高提高了6.0℃。系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度隨之得到提高，最高為11.3℃，最低為6.4℃，該月平均蒸發(fā)溫度為8.8℃，比無太陽能輔助熱源時系統(tǒng)的平均蒸發(fā)溫度-5.3℃提高了14.1℃。從系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的變化看來，蒸發(fā)溫度與太陽能集熱系統(tǒng)水溫走勢一致，受當?shù)貧鉁睾吞栞椛涞墓餐绊?，由于地表水溫的變化滯后于當?shù)貧鉁氐淖兓?，太陽輻射對集熱系統(tǒng)的水溫的影響更大些。

從圖5看來，系統(tǒng)的制熱COP月平均2.69，最低為2.58，最高2.82，比無太陽能輔助熱源時的COP平均值2.08提高了22.7%，這表明在太陽能集熱系統(tǒng)輔助時，熱泵烘干系統(tǒng)的月平均COP得到較顯著的提高。系統(tǒng)的制熱量月平均值為4.15 kW，最低為4.04 kW，最高為4.26 kW，比無太陽能輔助熱源時的制熱量平均值3.43提高了15%。在太陽能集熱系統(tǒng)輔助時，系統(tǒng)的制熱量也得到較顯著的提高。電功率月平均值為1.54 kW，最低為1.51 kW，最高為1.58 kW，比無太陽能輔助熱源時的電功率平均值1.65減低了7.1%。從圖6可以看出，排氣溫度月平均值為93.9℃，比無太陽能輔助熱源時的平均值95.6℃降低了1.7℃。從該月的變化情況看來，系統(tǒng)的制熱COP，制熱量與太陽集熱系統(tǒng)水溫保持一致變化趨勢，而電功率的變化隨著集熱水溫有變化，但上升和下降不明顯。

圖4 太陽輻射最低月計算得到各溫度變化圖

圖5 廣西某地12月系統(tǒng)制熱COP、電功率、制熱量變化圖

圖6 廣西某地12月系統(tǒng)排氣溫度變化圖

4 結論

太陽能集熱系統(tǒng)作為熱源對提高空氣源高溫熱泵烘干系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度具有較明顯的作用。根據(jù)廣西桂林的實測氣象數(shù)據(jù)進行的計算表明，冬季最低太陽能輻射強度月系統(tǒng)平均蒸發(fā)溫度為8.8℃，比無太陽能熱源時系統(tǒng)的平均蒸發(fā)溫度-5.3℃提高了14.1℃。

采用太陽能集熱系統(tǒng)熱源時，系統(tǒng)的制熱量和制熱COP得到較顯著的提高。系統(tǒng)在最低太陽輻射月平均制熱量比無太陽能熱源時提高了15%，比無太陽能熱源時的COP平均值2.08提高了22.7%，而電功率的變化不明顯。

由于太陽能輻射熱流密度小，太陽能集熱及儲存投資費用比較大，作為低溫熱源時究竟是作為主要熱源還是作為輔助熱源，還有待進一步探討其經(jīng)濟性。