太陽能輔助空氣源熱泵夏季制冷性能的提升

李琦晟, 田 琦, 李 蓉, 李科宏

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

目前，中國建筑運(yùn)行能耗約占全國能源消費(fèi)總量的21%，其中農(nóng)村、城鎮(zhèn)住宅，北方供暖及公共建筑能耗逐年上升[1]。太陽能熱泵系統(tǒng)作為一種高效、節(jié)能的系統(tǒng)已經(jīng)引起中外學(xué)者廣泛關(guān)注，并開展了相關(guān)研究[2-3]，以減少建筑運(yùn)行能耗和碳排放。太陽能輔助空氣源熱泵(SAHP)將太陽能集熱器與空氣源熱泵耦合形成一個(gè)集成的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)形式集合了太陽能清潔環(huán)保和熱泵高效運(yùn)行的特點(diǎn),解決了低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)效率低下的問題[4]，也提升了系統(tǒng)在供熱模式下整體系統(tǒng)性能。學(xué)者研究的系統(tǒng)根據(jù)不同太陽能與熱泵的耦合形式，可分為串聯(lián)式系統(tǒng)和并聯(lián)式系統(tǒng)[5-7]；根據(jù)末端形式不同，可分為直接膨脹式系統(tǒng)和間接膨脹式系統(tǒng)[8-10]。此外，部分學(xué)者還對(duì)蒸發(fā)器形式進(jìn)行改造以提高系統(tǒng)冬季運(yùn)行效率[11-12]。高雅潔[13]研究了一種適用于居住建筑的單排、正壓通風(fēng)的太陽能蒸發(fā)集熱器，這種蒸發(fā)器具有吸收太陽輻射能力強(qiáng)、集成性高等特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)制熱性能，且避免了其他SAHP系統(tǒng)占地面積過大的缺點(diǎn)。

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，相較于常規(guī)太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，其制熱性能有了很大提升，而且在較低環(huán)境溫度時(shí)也具有良好性能，也基本滿足了居住建筑制熱需求[10]。然而，這種系統(tǒng)在夏季作為制冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由于室外換熱器對(duì)太陽能的吸收，導(dǎo)致冷凝溫度升高、系統(tǒng)壓縮比增大、系統(tǒng)整體性能較低。這一缺點(diǎn)使得此系統(tǒng)多用作冬季供暖及熱水制備，從而限制了這種系統(tǒng)的使用時(shí)長和場(chǎng)合。此外，研究人員對(duì)于SAHP系統(tǒng)的研究局限于基于制熱性能提升下的系統(tǒng)形式、構(gòu)件改造，而對(duì)在維持制熱性能良好前提下提升制冷性能的研究較少。

在集成度較高、太陽能吸收效率高、適用于居住建筑的太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)研究[10,13]基礎(chǔ)上，提出可用于夏季高效制冷的正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，同時(shí)研究太陽輻射大小、不同氣流組織形式對(duì)不同壓縮機(jī)頻率下系統(tǒng)制冷性能的影響。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)主要包括室外側(cè)機(jī)組以及室內(nèi)機(jī)組兩大部分。如圖1～圖3 所示。

圖1 室外側(cè)機(jī)組及對(duì)照機(jī)Fig.1 Outdoor section and control group

圖2 室內(nèi)側(cè)機(jī)組及對(duì)照機(jī)Fig.2 Indoor section and control group

1為風(fēng)機(jī);2為內(nèi)部阻尼孔板;3為單排太陽能/空氣能換熱器;4為透明蓋板;5為壓縮機(jī)圖3 室外側(cè)機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.3 Outdoor unit structure

(1)主要部件：包括室內(nèi)側(cè)換熱器、單排室外側(cè)太陽能/空氣能換熱器、壓縮機(jī)、電子膨脹閥。室外側(cè)機(jī)組主要構(gòu)件包括：外部不均勻開孔透明板(圖1)、內(nèi)部阻尼孔板、室外側(cè)太陽能/空氣能換熱器、鋼化玻璃透明外殼、正壓通風(fēng)機(jī)(圖2)。

(2)工作原理：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮，成為高溫高壓氣體進(jìn)入室外冷凝器換熱，同時(shí)接收太陽輻射熱量；換熱后制冷劑依次通過電子膨脹閥及室內(nèi)蒸發(fā)器，轉(zhuǎn)換為低溫低壓蒸氣后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

室外機(jī)氣流從正壓風(fēng)機(jī)開始，先后經(jīng)過內(nèi)部阻尼孔板均流、太陽能/空氣能換熱器熱交換、外部不均勻開孔透明板導(dǎo)流流出機(jī)組。

太陽光通過機(jī)組上部、側(cè)面、正面三側(cè)透明擋板輻射在涂有太陽能選擇吸收膜的太陽能/空氣能換熱器翅片表面，經(jīng)翅片表面涂層吸收、反射、再吸收轉(zhuǎn)換為熱能。在夏季可在上部、側(cè)部設(shè)置絕熱遮陽板減少冷凝器對(duì)太陽能的吸收。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)描述

2.1.1 壓縮機(jī)

正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)與對(duì)照機(jī)組均采用變頻全封閉旋轉(zhuǎn)式直流變頻壓縮機(jī)，壓縮機(jī)電源要求為220 V，單相，50 Hz；壓縮機(jī)氣缸容積為10.8 cm3/rev，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍為 12～120 r/s，額定輸入功率834 W。

2.1.2 太陽能選擇吸收膜

正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵在室外換熱器翅片側(cè)涂有鉻原子層積吸熱采暖膜，采用強(qiáng)磁凝聚的方法附著在翅片表面，目的是在冬季時(shí)吸收太陽能輻射轉(zhuǎn)化為熱量，以提高冬季機(jī)組蒸發(fā)溫度，提高整個(gè)機(jī)組性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)。采暖膜太陽能光譜吸收率0.95，紅外發(fā)射率0.10。

這種太陽能選擇吸收膜在冬季很大程度上提高了機(jī)組室外側(cè)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，從而使機(jī)組性能大幅提高，但是在夏季時(shí)太陽能吸收會(huì)使室外冷凝溫度升高，系統(tǒng)COP降低，所以在夏季采用遮陽的方式減少太陽能吸收量，在不影響冬季供熱性能的同時(shí)提升夏季制冷性能。

2.1.3 室外側(cè)換熱器

實(shí)驗(yàn)機(jī)與對(duì)照機(jī)室外側(cè)換熱器分別為單排加寬型太陽能集熱換熱器，與常規(guī)雙排換熱器，換熱管材料均為紫銅管，管外徑9.52 mm、管壁厚0.35 mm、管間距25 mm；翅片均采用鋁翅片，翅片厚度0.3 mm、翅片間距2 mm。實(shí)驗(yàn)機(jī)換熱器長1 200 mm、寬830 mm。

2.1.4 風(fēng)機(jī)及氣流組織構(gòu)件

傳統(tǒng)的空氣源熱泵室外側(cè)換熱器部分風(fēng)機(jī)處于換熱器前端(換熱器處于風(fēng)機(jī)負(fù)壓側(cè))，這種氣流組織方式換熱器表面氣流相對(duì)均勻，換熱器換熱性能較好。但是，在此種氣流組織中，風(fēng)機(jī)處于換熱器前端，阻擋了冬季時(shí)涂有太陽能選擇吸收膜的換熱器對(duì)太陽能的吸收，因此研究人員為了提升室外側(cè)換熱器冬季的太陽能吸收效率，將風(fēng)機(jī)置于換熱器后端(換熱器處于風(fēng)機(jī)正壓側(cè))，以減小風(fēng)機(jī)對(duì)太陽輻射的遮擋。但是，這種風(fēng)機(jī)的布置形式造成了換熱器表面氣流組織分布不均勻。

正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，通過設(shè)置均流裝置實(shí)現(xiàn)室外側(cè)換熱器氣流組織均勻的目的，如圖3中部件2,在風(fēng)機(jī)氣流出口設(shè)置內(nèi)部阻尼孔板，增大風(fēng)機(jī)直吹處的阻力，將部分空氣倒流至內(nèi)部阻尼孔板兩側(cè)，減小風(fēng)機(jī)直吹處風(fēng)速、增大兩側(cè)風(fēng)速。

設(shè)置外部不均勻開孔透明板(圖1)，在出口處對(duì)氣流進(jìn)行二次均流，透明板開孔中部稀疏、兩側(cè)密集，可以有效地將氣流向外部換熱器兩側(cè)引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)氣流組織均勻。

2.1.5 其他主要材料、構(gòu)件

制冷劑為R410A，環(huán)保性能良好，熱力學(xué)性質(zhì)與物理特性均接近于共沸制冷劑，而且傳熱系數(shù)較高[14-15]。

室外機(jī)上、正、側(cè)三面透明蓋板采用4 mm厚鋼化玻璃，太陽輻射透過率90%。

2.2 對(duì)照機(jī)系統(tǒng)描述

為探究正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵夏季性能提升效果，設(shè)置對(duì)照機(jī)組與實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行比較，分析實(shí)驗(yàn)機(jī)夏季性能提升潛力。對(duì)照機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)具有相同的壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器且使用相同制冷劑。對(duì)照機(jī)組與實(shí)驗(yàn)機(jī)組只有室外側(cè)換熱器部分不同。在氣流組織上，如圖1右側(cè)機(jī)組所示，風(fēng)機(jī)在室外側(cè)換熱器前方(換熱器處于風(fēng)機(jī)負(fù)壓側(cè))；對(duì)照機(jī)室外側(cè)換熱器正向截面長為800 mm，寬830 mm，盤管雙排設(shè)置，翅片寬度為實(shí)驗(yàn)機(jī)1.5倍，保證與試驗(yàn)機(jī)具有相同的換熱面積；對(duì)照機(jī)翅片表面不涂太陽能選擇吸收膜。

在進(jìn)行遮陽實(shí)驗(yàn)與不同氣流組織的實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)可與自身進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

以太原地區(qū)為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，主要通過制冷量與輸入功率的測(cè)量與計(jì)算，分析在不同氣流組織、不同太陽輻射、不同壓縮機(jī)頻率下太陽輻射下正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵在夏季制冷工況下的性能，并與對(duì)照機(jī)比較，分析不同優(yōu)化方案對(duì)機(jī)組夏季性能提升效果。

主要測(cè)量參數(shù)有：溫度、濕度、太陽能輻射照度、電功率、風(fēng)速。溫度測(cè)量?jī)x器為Pt100熱電偶溫度傳感器，分別測(cè)量室外溫度、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)及對(duì)照機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)及對(duì)照機(jī)出風(fēng)溫度；濕度測(cè)量?jī)x器為濕度傳感器，分別測(cè)量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)及對(duì)照機(jī)組進(jìn)出風(fēng)相對(duì)濕度；太陽能總輻射量測(cè)量?jī)x器為太陽能輻射總表，測(cè)量室外換熱器接收太陽能總輻射量；實(shí)驗(yàn)機(jī)與對(duì)照機(jī)總功率及耗電量數(shù)據(jù)使用交流數(shù)顯電力檢測(cè)儀讀取。風(fēng)速測(cè)量?jī)x器為熱線風(fēng)速儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)機(jī)、對(duì)照機(jī)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速。

2019年7月15日—8月30日在晴天的10:00—17:00，每隔10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，分別進(jìn)行氣流組織實(shí)驗(yàn)、不同太陽輻射照度下機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)、遮陽實(shí)驗(yàn)，其中不同輻射照度下機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)與遮陽實(shí)驗(yàn)在不同壓縮機(jī)頻率下進(jìn)行。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析整理后得出不同設(shè)定條件下機(jī)組COP，評(píng)價(jià)運(yùn)行效果。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

不同工況下的系統(tǒng)性能用COP表示:

(1)

3.1 不同氣流組織下機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)

選取太陽輻射強(qiáng)度為(550±50) W/m2，室外溫度(30±1) ℃氣候條件下氣流組織數(shù)據(jù)；壓縮機(jī)頻率分別為50、60 Hz下四種氣流組織的測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)機(jī)組制冷性能柱狀圖，如圖4所示。

圖4 不同氣流組織下系統(tǒng)性能Fig.4 System performance at different air distribution

由柱狀圖4可知，四種氣流組織方式中，設(shè)置外部不均勻開孔板且不設(shè)置內(nèi)部阻尼孔板的氣流組織方式室外側(cè)換熱器氣流組織形式最好，系統(tǒng)COP最大，60 Hz時(shí)系統(tǒng)COP可達(dá)2.57；只設(shè)置內(nèi)部阻尼孔板不設(shè)置外部不均勻開孔板的氣流組織系統(tǒng)COP次之，60 Hz下COP為2.41；內(nèi)外同時(shí)設(shè)置孔板的氣流組織系統(tǒng)阻力最大，導(dǎo)致室外風(fēng)機(jī)能耗增加從而使COP最小，60 Hz下的數(shù)值為2.27。在50 Hz 下，各個(gè)系統(tǒng)COP均小于60 Hz下的值，同時(shí)不同氣流組織下系統(tǒng)COP的大小關(guān)系也呈現(xiàn)了與60 Hz相同的趨勢(shì)。因此，設(shè)置外部不均勻開孔板且不設(shè)置內(nèi)部阻尼孔板的氣流組織方式換熱器換熱性能最佳，為最佳氣流組織方式。

3.2 不同太陽輻射強(qiáng)度下機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)最佳氣流組織優(yōu)化下是否遮陽與對(duì)照機(jī)不遮陽在(30±1) ℃下，壓縮機(jī)頻率為60 Hz的系統(tǒng)COP隨太陽輻射強(qiáng)度變化對(duì)比,如圖5所示。選取測(cè)量日中太陽輻射強(qiáng)度較高的時(shí)刻測(cè)量室外側(cè)換熱器接收太陽輻射量及此時(shí)采取遮陽板遮陽后的太陽能輻射量，如圖6所示。

圖5 機(jī)組性能隨不同太陽輻射強(qiáng)度變化Fig.5 System performance in different solar radiation intensity

圖6 遮陽效果Fig.6 Effects of shading

根據(jù)圖5可知，實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)照機(jī)COP均隨太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。不論遮陽與否、翅片上是否涂有太陽能選擇吸收涂料，翅片均可以吸收一定量的太陽能，且太陽能吸收量隨太陽輻射增強(qiáng)而增大，導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝壓力提升，壓縮比增大系統(tǒng)COP下降；實(shí)驗(yàn)機(jī)在不遮陽時(shí)吸收太陽輻射能力最強(qiáng)，因此系統(tǒng)COP下降速率最快；遮陽能有效提升機(jī)組COP，且提升效果隨太陽輻射強(qiáng)度增加而增加。在室外太陽輻射總強(qiáng)度為600 W/m2時(shí)，通過遮陽實(shí)驗(yàn)機(jī)COP達(dá)到2.72，比不加遮陽COP提升17.0%，且與對(duì)照機(jī)COP相近，性能提升顯著。

由圖6可知，遮陽是減小室外側(cè)換熱器接收太陽輻射的有效手段。在太陽輻射總量在550～800 W/m2，通過遮陽的方式均可將室外側(cè)換熱器接收太陽輻射總量降低至100 W/m2以下。

3.3 壓縮機(jī)變頻下機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)

控制壓縮機(jī)頻率在40～90 Hz，選取太陽輻射強(qiáng)度(550±50) W/m2，室外溫度(30±1) ℃的測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制不同實(shí)驗(yàn)變量下的機(jī)組制冷性能曲線，如圖7所示。

圖7 變頻變工況制冷性能Fig.7 System performance at different compressor frequencies

由圖7可知，不同的系統(tǒng)形式均在壓縮機(jī)頻率為50～60 Hz時(shí)系統(tǒng)COP出現(xiàn)峰值，且在壓縮機(jī)頻率較大或較小時(shí)系統(tǒng)COP均較為低下。在壓縮機(jī)頻率在50 Hz之前，壓縮機(jī)功率不足導(dǎo)致蒸發(fā)壓力較高，蒸發(fā)溫度較高，處理空氣溫差較小，系統(tǒng)制冷量較少，系統(tǒng)COP較低；而在60 Hz之后系統(tǒng)壓縮功率提升較快，而蒸發(fā)壓力下降較慢，導(dǎo)致空氣處理溫差增加較慢，系統(tǒng)制冷量提升較慢，使系統(tǒng)COP下降加快。

系統(tǒng)在60 Hz運(yùn)行時(shí)，在無氣流組織優(yōu)化且不遮陽時(shí)，系統(tǒng)整體性能較低，最高COP僅為2.30；而對(duì)照機(jī)組運(yùn)行時(shí)，50 Hz下系統(tǒng)COP最高，為2.76，60 Hz下COP也達(dá)到了2.70，比實(shí)驗(yàn)機(jī)組無氣流組織且不遮陽的最大COP高出17.4%。

通過氣流組織改進(jìn)，即采用只設(shè)置外部不均勻孔板的氣流組織方式時(shí)，系統(tǒng)平均COP有了明顯提高，比無氣流組織優(yōu)化時(shí)平均COP提升7.4%。此外，在氣流組織優(yōu)化后再進(jìn)行遮陽，系統(tǒng)比不進(jìn)行任何優(yōu)化平均COP提升14.1%，此時(shí)比對(duì)照機(jī)平均 COP僅低3.0%。

4 結(jié)論

通過不同氣流組織形式與不同太陽輻射強(qiáng)度，在不同壓縮機(jī)頻率下進(jìn)行太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)性能影響實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

(1)通過氣流組織形式優(yōu)化可以有效提升正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵夏季運(yùn)行性能。其中，設(shè)置外部不均勻開孔板且不設(shè)置內(nèi)部阻尼孔板的氣流組織方式室外側(cè)換熱器氣流組織形式最好，系統(tǒng)COP最高。

(2)遮陽是有效提升正壓均流太陽能輔助空氣源熱泵夏季制冷的方式，遮陽對(duì)系統(tǒng)性能提升效果隨太陽輻射增加而增加。遮陽和氣流組織優(yōu)化同時(shí)進(jìn)行，可基本規(guī)避太陽能吸收對(duì)系統(tǒng)夏季產(chǎn)生的不利影響，使系統(tǒng)在夏季制冷時(shí)僅比常規(guī)機(jī)COP低3%。

(3)在具有同一負(fù)荷特性的建筑中，不同系統(tǒng)形式在不同壓縮機(jī)頻率下的COP變化趨勢(shì)大致相同，且在50～60 Hz時(shí)出現(xiàn)最大值。根據(jù)此特性可為不同負(fù)荷特性建筑匹配不同壓縮機(jī)頻率提供運(yùn)行策略，對(duì)建筑節(jié)能具有一定意義。