太陽能-空氣源復(fù)合熱泵熱水器的性能分析

◎ 張 璽，張瑞杰

（鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，高耗能帶來的能源和環(huán)境問題日益突出，建筑能耗中供暖和空調(diào)系統(tǒng)能耗占比高達60%。熱泵技術(shù)可以將環(huán)境中低品位能提升為可利用的高品位能，具有方便高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。李正[1]對不同環(huán)境溫度工況下跨臨界CO2空氣源熱泵進行模擬與試驗數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明，當氣冷器出口溫度一定時，環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)COP越大；當環(huán)境溫度一定時，氣冷器出口溫度越低，系統(tǒng)COP越大。對于以上海為代表的夏熱冬冷地區(qū)，使用CO2熱泵供熱年度運行成本將比燃煤鍋爐節(jié)省18.8%，比壁掛燃氣爐節(jié)省20.1%。俞慶等[2]對二氧化碳空氣源熱泵系統(tǒng)混合工質(zhì)進行研究，結(jié)果表明，CO2/R41混合制冷劑系統(tǒng)的COP比純CO2系統(tǒng)提高7%；在蒸發(fā)溫度為-5 ℃，氣冷器出口溫度為45 ℃時，CO2/R41系統(tǒng)的單位制冷量增加26.1%，制熱量增加18.3%。DENG等[3]圍繞太陽能輔助二氧化碳熱泵的節(jié)能、冷卻特性等展開研究，結(jié)果表明，在溫度為7.7 ℃時，系統(tǒng)COP仍可高達3.8，每年可降低19.3%的電能消耗。SAKAWA等[4]從理論層面對二氧化碳熱泵熱水器進行研究，在研究過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以提供高達90 ℃的熱水，并且系統(tǒng)的COP平均值可以維持在3.0。劉朋等[5]以某住宅建筑為例進行模擬，對太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)相比單獨使用空氣源熱泵、電鍋爐系統(tǒng)設(shè)備，其節(jié)能效果更好。李旭林等[6]發(fā)現(xiàn)太陽能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)能有效提高冬季空氣源熱泵工作效率，并提出以雙源蒸發(fā)器為核心部件新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的T級利用，解決了嚴寒地區(qū)清潔供暖問題。高雅潔等[7]提出太陽/空氣能集熱蒸發(fā)器是一種表面涂有太陽能選擇性吸收材料的新型翅片管式換熱器，可在換熱過程中同時吸收太陽能和空氣能。劉杰等[8]利用TRNSYS對太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)的不同連接形式進行模擬分析，利用太陽能作為系統(tǒng)的輔助熱源，與空氣源熱泵串聯(lián)后系統(tǒng)更加穩(wěn)定節(jié)能。王德闖[9]針對濟寧市民建筑的供暖系統(tǒng)進行改造，設(shè)計的太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果提高36.8%。孫茹男等[10]對空氣源熱泵供暖技術(shù)進行分析，結(jié)果表明，空氣源熱泵通過多熱源輔助、補氣增焓等技術(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)COP提升效果顯著。何璇[11]通過仿真軟件構(gòu)建槽式太陽能集熱器與CO2空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)進行分析，結(jié)果表明，復(fù)合供暖系統(tǒng)在集熱溫度為120 ℃，蓄熱溫度為83 ℃，太陽能同時供熱蓄熱溫度為70 ℃，太陽能單獨供熱溫度為65 ℃，太陽能不直接參與供熱溫度為55 ℃的條件下，太陽能保證率達到65.1%。李世孝[12]對空氣源熱泵耦合太陽能集熱器供暖系統(tǒng)進行能效分析，結(jié)果表明，空氣源熱泵單獨承擔供暖負荷時，季節(jié)能效系數(shù)為2.48；其與太陽能集熱器耦合共同承擔供暖負荷時，季節(jié)能效系數(shù)為2.7，運行能效提高8.9%。

1 試驗內(nèi)容

1.1 太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)原理

太陽能-空氣源復(fù)合熱泵是將太陽能和空氣源熱泵相結(jié)合，在冬季室外溫度過低的情況，靠太陽能收集到的熱量供系統(tǒng)所需，既可以彌補空氣源在低溫環(huán)境下?lián)Q熱不足的缺點，也可以通過融霜來提高空氣源熱泵的系統(tǒng)性能。在陰雨天氣，通過空氣源側(cè)的換熱來彌補太陽能在陰雨天氣狀況下的不足。太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)原理圖

由圖1可知，空氣源熱泵系統(tǒng)原理是關(guān)閉閥門1、2，關(guān)閉三通閥1、2、3，熱源從空氣側(cè)進入到蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中吸收熱量的高溫制冷劑進入到壓縮機成高溫高壓的氣體，進入氣冷器后與水換熱變成低溫高壓氣體，高溫?zé)崴┙o用戶，低溫高壓制冷劑進入節(jié)流裝置進行降壓，低壓低溫的液態(tài)制冷劑流回蒸發(fā)器，進行再次循環(huán)。

太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)原理是開啟閥門1、閥門2、三通閥1、3，蓄熱水箱底部低溫溶液通過閥1進入換熱器完成循環(huán)，換熱后的低溫乙二醇溶液通過閥2返回。蒸發(fā)器同時吸收太陽能和空氣側(cè)的熱量，溫度升高的制冷劑進入壓縮機，成高溫、高壓的氣體，進入氣冷器后與水換熱變成低溫氣體，高溫?zé)崴┙o用戶，制冷劑進入節(jié)流裝置進行降壓，然后再流回蒸發(fā)器。

1.2 試驗裝置

本試驗利用恒溫恒濕實驗室內(nèi)的雙熱源復(fù)合熱泵實驗臺，對機組進行性能測試。實驗臺如圖2所示。如圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 雙熱源復(fù)合換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 雙熱源復(fù)合熱泵室內(nèi)機與室外機圖

圖3 雙熱源復(fù)合換熱器結(jié)構(gòu)圖

本試驗使用的壓縮機型號為SG1675V-B6CT，容量為1 HP，轉(zhuǎn)速2 500 r·min-1，制冷量0.93 kW，制熱量0.87 kW，排量16.7 mL·r-1。節(jié)流裝置使用管徑為2 mm的紫銅毛細血管。冷凝器選用翅片式換熱器，冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。蒸發(fā)器為雙熱源復(fù)合換熱器，結(jié)構(gòu)

表1 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.3 試驗測試方法

本試驗?zāi)M雙熱源復(fù)合熱泵機組運行時的室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境，將雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的室內(nèi)機和室外機分別布置在兩個試驗房間中。恒溫恒濕實驗室的兩個試驗房間分別由兩組制冷機組控制環(huán)境溫度和干濕度，模擬室內(nèi)側(cè)的試驗房間由3臺SHP制冷機以及加熱加濕裝置控制環(huán)境狀態(tài)；模擬室外側(cè)的試驗房間由3臺SHP和1臺3HP制冷機以及加熱加濕裝置控制環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)試驗所需的具體工況，選擇開啟的機組臺數(shù)。試驗流程如圖4所示。試驗數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)為自動化自動測量采集方式，根據(jù)國家標準GB/T 2903—1998規(guī)定，溫度測量由經(jīng)校準的2×0.3 mm T型熱電偶完成；被測機組的電參數(shù)由8967B型采集器采集，各種溫度參數(shù)或者模擬信號由Agilent 34970A型采集器采集，采集的各項數(shù)據(jù)傳送電腦，采集時間間隔15 s，實時記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖4 恒溫恒濕實驗室流程圖

1.4 試驗工況

太陽能中載冷劑是濃度為36%的乙二醇溶液，太陽能熱水流量按照經(jīng)濟流速和與空氣供熱量適度平衡的原則，流量設(shè)置為0.3 m3·h-1，0.5 m3·h-1，0.7 m3·h-1，試驗工況如表3所示。

表3 試驗工況表

2 結(jié)果與分析

2.1 額定低溫制熱工況

圖5 表示在環(huán)境溫度為2 ℃額定低溫制熱工況下，太陽能進水溫度相同，流量分別為0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1時，太陽能-空氣源復(fù)合熱泵與單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱模式下的制熱量、COP及用戶側(cè)出水溫度隨太陽能熱水進水流量而變化。由圖5（a）、（b）可知，單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量為1 960 W，COP為2.2。太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)制熱量與COP均高于單一空氣源系統(tǒng)制熱量與COP，雙源熱泵系統(tǒng)制熱量與COP也隨著太陽能進水流量的增加而明顯提高。在太陽能熱水流量為0.7 m3·h-1，進水溫度10 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)制熱量顯著提升，提升了30.1%；進水溫度達到15 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)COP提升21%。圖5（c）表明，太陽能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1條件下，用戶側(cè)出水溫度隨著太陽能進水溫度提高而明顯提高；水流量在0.7 m3/h，用戶側(cè)出水溫度先升高再降低；進水溫度10 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)的末端出水溫度提升27.6%。在室外環(huán)境溫度2 ℃的額定低溫制熱工況下，太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)性能更優(yōu)。

圖5 室外環(huán)境溫度2 ℃時雙熱源熱泵與單一空氣源熱泵性能參數(shù)隨進水流量變化圖

2.2 最小制熱工況

圖6 表示環(huán)境溫度為-5 ℃最小制熱工況下，在太陽能進水溫度相同，流量分別為0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1時，太陽能-空氣源復(fù)合熱泵與單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱模式下的制熱量、COP及用戶側(cè)出水溫度隨太陽能熱水進水流量而變化。

圖6 室外環(huán)境溫度-5 ℃時雙熱源熱泵與單一空氣源熱泵性能參數(shù)隨進水流量變化圖

由圖6（a）、（b）可知，單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量為1 750 W，COP為2.1。太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)制熱量與COP均高于單一空氣源系統(tǒng)制熱量與COP，雙源熱泵系統(tǒng)制熱量與COP也隨著太陽能進水流量的增加而明顯提高。在太陽能熱水流量為0.7 m3·h-1，進水溫度0 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)制熱量提升顯著，提升了37.1%；進水溫度為2 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)COP提升21.4%。圖6（c）表明，太陽能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1條件下，用戶側(cè)出水溫度隨著太陽能進水溫度提高而明顯提高；水流量在0.7 m3/h，用戶側(cè)出水溫度先升高再降低；進水溫度1 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)的末端出水溫度提升22.1%。在室外環(huán)境溫度-5 ℃的最小制熱工況下，陽光不充足時，選用太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)。

2.3 超低溫制熱工況

圖7 表示環(huán)境溫度為-11 ℃最小制熱工況下，在太陽能進水溫度相同，流量分別為0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1時，太陽能-空氣源復(fù)合熱泵與單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱模式下的制熱量、COP及用戶側(cè)出水溫度隨太陽能熱水進水流量的變化。由圖7（a）、（b）可知，單一空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量為1 650 W，COP為1.8。太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)制熱量與COP均高于單一空氣源系統(tǒng)制熱量與COP，雙源熱泵系統(tǒng)制熱量與COP也隨著太陽能進水流量的增加而明顯提高。在太陽能熱水流量為0.7 m3·h-1，進水溫度0 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)制熱量提升顯著，提升了36.4%；系統(tǒng)COP提升25%。圖7（c）表明，太陽能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1下，用戶側(cè)出水溫度隨著太陽能進水溫度提高而明顯提高；水流量在0.7 m3·h-1，用戶側(cè)出水溫度先升高再降低，進水溫度-3 ℃時，雙熱源熱泵系統(tǒng)的末端出水溫度提升22.2%。在室外環(huán)境溫度-11 ℃的超低溫制熱工況下，且陽光不充足時，選用太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)。

圖7 室外環(huán)境溫度-11 ℃時雙熱源熱泵與單一空氣源熱泵性能參數(shù)隨進水流量變化圖

3 結(jié)論

（1）與單一空氣源熱泵系統(tǒng)比較，太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP都有所提升，用戶側(cè)出水溫度都隨著太陽能進水/空氣溫度、太陽能水流量的增加而增加。在最小制熱量和超低溫制熱工況下，進水流量為0.7 m3·h-1時，系統(tǒng)制熱量提升幅度最大，分別提升37.1%、36.4%，系統(tǒng)COP分別提升21.4%、25%。

（2）雙熱源熱泵系統(tǒng)需要在合適的溫差范圍內(nèi)，雙熱源熱泵系統(tǒng)較單一熱源熱泵系統(tǒng)更加符合末端用戶側(cè)需求，但是在額定低溫工況下，進水溫度達到10 ℃時，用戶側(cè)出水溫度下降明顯；在超低溫工況下，進水溫度-3 ℃時，用戶側(cè)出水溫度降低。