真空管直膨式太陽能熱泵系統性能分析

收稿日期：2022-07-27

通信作者：于曉慧（1986—），女，博士、副教授，主要從事余熱余能的利用及太陽能的利用和轉化方面的研究。2018133@hebut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1125 文章編號：0254-0096（2023）11-0166-08

摘 要：該文將真空管集熱器與直膨式太陽能熱泵結合，提出一種真空管直膨式太陽能熱泵系統。實驗研究典型工況下太陽輻照度、循環(huán)水溫度對系統性能的影響，并探討壓縮機變頻條件下系統的動態(tài)性能。結果表明，提高太陽輻照度、降低循環(huán)水溫度有利于提高系統性能，在太陽輻照度為850 W/m2，循環(huán)水溫度為55 ℃時系統取得最大COP，為5.36。壓縮機頻率為42 Hz的系統COP為4.08，較45、47、50 Hz分別提高1.23%、8.5%、13.6%。

關鍵詞：熱泵系統；太陽能集熱器；性能系數；直膨式；真空管；變頻壓縮

中圖分類號：TK513"""""""""""""""""""""""""""" 文獻標志碼：A

0 引 言

直膨式太陽能熱泵結合太陽能熱利用技術與熱泵技術，將太陽輻照熱作為主要熱源，使用少量電能或機械能獲取大量熱能［1］。集熱蒸發(fā)器作為直膨式太陽能熱泵系統捕捉熱源的部件，可有效改善系統的運行效率［2-3］。Mohamed等［4］設計一種帶無釉太陽能平板集熱器的新型太陽能熱泵系統，可用于空間和熱水器加熱，并通過減少收集器/蒸發(fā)器與冷凝器之間的溫差可有效吸收周圍空氣和太陽能輻射的熱量，提高系統在較低環(huán)境溫度下的加熱能力?？紫閺姷龋?］將表面積為2.09 m2的微通道太陽能集熱板作為系統蒸發(fā)器。加熱相同水溫的水，采用微通道太陽能集熱板相較于板式太陽能集熱蒸發(fā)器更有利于降低壓力。文獻［6］將復合拋物聚光器作為系統的集熱/蒸發(fā)器，以充分利用太陽能和空氣中熱量作為系統熱源。模擬結果表明，與傳統太陽能熱泵系統相比，其COP、效率等始終最高，在低輻射或無輻射條件下，其COP值分別較傳統系統高4.08和2.39。文獻［7］將24根水平雙排全玻璃真空管作為系統的集熱/蒸發(fā)器，研究不同偏角下的系統性能，發(fā)現偏角角度和系統性能有很大的關聯，但未對全玻璃真空集熱蒸發(fā)器性能進行深入研究。文獻［8］設計一種新型的翅片管蒸發(fā)器作為系統的集熱/蒸發(fā)器用于建筑的全天供暖，并與傳統的裸板式集熱器對比，結果表明太陽輻照度的提高和環(huán)境溫度的升高都使得翅片管蒸發(fā)器性能優(yōu)于裸板式蒸發(fā)器，但該實驗是在焓差實驗室中用太陽模擬器完成的，在實際中的應用未得到充分研究。

系統采用變頻壓縮機可有效適應變工況運行，以滿足系統變負荷需求并可有效提高系統變工況運行性能［9-10］。孫鵬龍［11］采用裸板式太陽能集熱器、變頻壓縮機等搭建變容量DX-SAHP熱水器試驗臺，分析該系統全年運行工況，并編寫了全年全工況運行控制策略程序，結果表明系統在變頻策略控制下可獲得較高的COP。孫振華等［12］建立DX-SAHPWH系統模型，研究該系統在不同頻率和不同氣候下的系統運行性能，結果表明當太陽輻照度較低時，系統在低頻下運行，可有效降低系統加熱時間。Tassou等［13］將變容控制熱泵與傳統定速熱泵系統進行對比分析，結果表明變速熱泵系統可提升10%的能源轉換效率，節(jié)能潛力進一步提升。

目前，真空管集熱蒸發(fā)器的研究和應用以民用生活熱水供應為主，隨著建筑碳減排的迫切需求，在未來住宅樓熱水供給、工業(yè)干燥、海水淡化等方面［14］，真空管直膨式太陽能熱泵技術將成為重要的一環(huán)。綜上，學者們在直膨式太陽能熱泵系統的數值模擬、性能測試及系統優(yōu)化等方面已進行大量研究。普通平板集熱蒸發(fā)器仍是直膨式太陽能熱泵系統的主要形式。由于真空管集熱器的環(huán)形真空可抑制吸熱體周圍的對流熱損，相比普通平板集熱器能達到更高的集熱溫度和集熱效率［15］，本文將真空管集熱器與直膨式太陽能熱泵結合，提出一種真空管直膨式太陽能熱泵系統。針對該系統搭建實驗測試平臺，詳細分析太陽輻照度、循環(huán)水溫對所提出系統性能的影響，考慮太陽能熱源的不確定和波動特性，調節(jié)壓縮機頻率，研究其動態(tài)運行特性。

1 系統描述

1.1 實驗系統裝置

為評價分析真空管直膨式太陽能熱泵性能，設計搭建真空管直膨式太陽能熱泵測試系統，如圖1。系統由工質循環(huán)系統和熱輸出系統兩個循環(huán)組成。其中工質循環(huán)系統包括全玻璃真空管集熱蒸發(fā)器、壓縮機、浸沒式冷凝器和膨脹閥等主要部件。集熱蒸發(fā)器采用同軸套管形式，2組并聯，每組有效集熱面積為5 m2，與水平地面呈30°傾角放置吸收輻射熱量，并將熱量傳遞給工質。熱輸出循環(huán)采用散熱功率3 kW的翅片散熱，維持系統的熱輸出平衡，并保證循環(huán)入水溫度的恒定。為研究該系統的動態(tài)性能，增加一對變頻器，以實現壓縮機變頻調速，并安裝電抗器避免因變頻器的添加而產生的諧波形式的電路反饋對系統運行的影響。系統的主要設備型號及參數見表1。

1.2 數據采集

系統測試過程中，涉及的參數包括：溫度、壓力、功率、太陽輻照度、環(huán)境溫度、風速等，相關測量儀表的詳細信息如表2所示。為保證數據采集的穩(wěn)定性和準確性，實驗數據設定每10 s記錄一次。由Aglient-34970A型數據采集器記錄，并將收集的數據通過RS232傳輸接口傳輸到電腦。

1.3 測量不確定性

標準不確定度采用非統計方法（B類標準不確定度）評定，其原理是根據被測值[X]落入截尾正態(tài)分布區(qū)間（[X-a]，[X+a]）的概率，對被測值的概率分布進行假設，得到相對應的置信因子。不確定度可表示為：

[uB=a/kc]"""""" （1）

式中：[a]——置信區(qū)間的半寬度；[kc]——信任因子。

對于給定的測量儀器，其B級不確定度可表示為：

[uB（x）=Δ/3]" （2）

式中：Δ——測量儀器允許誤差限值。

2 評價方法

系統性能系數COP是評價熱泵工作性能的最重要指標，COP越大表明制取單位熱量系統的耗功量越小，可表示為［16］：

[ηCOP=Qw/Wcom=cwmw（t6-t5）/Wcom]" （3）

式中：[ηCOP]——系統性能系數COP值；[Qw]——系統制熱功率，W；Wcom——壓縮機耗功，W；[cw]——水的比熱容，J/（kg·K）；[mw]——水的質量流量，kg/s；[t]——循環(huán)水水溫，℃。

集熱效率是評價太陽能集熱蒸發(fā)器性能的主要技術參數，可表示為［17］：

[ηcol=Qcol/AcolI=mr（h1-h4）/AcolI]" （4）

式中：[Qcol]——太陽能集熱器的有效得熱量；[Acol]——真空管集熱器的有效集熱面積；[I]——太陽輻照度；[mr]——制冷劑質量流量；[h]——制冷劑比焓。

3 結果與討論

針對太陽輻照度、循環(huán)水溫、壓縮機頻率，對集熱面積為3.0 m2的真空管太陽能熱泵系統性能分析。試驗期間，制冷劑R134a充注量為5.66 kg，并控制壓縮機入口過熱度為5 ℃。實驗基本情況見表3。本文測量的不確定度見表4。

3.1 太陽輻照度的影響

圖2為太陽輻照度從550～850 W/m2，系統壓縮機吸排氣溫度（[Tin、Tout]）隨太陽輻照度的變化趨勢。壓縮機吸氣溫度隨太陽輻照度的增強逐步升高，太陽輻照度由550.56 W/m2增至840.74 W/m2時，壓縮機吸氣溫度從26.21 ℃升高到30.60 ℃。壓縮機排氣溫度則隨輻照度的增加緩慢下降。輻照度由550 W/m2增至850 W/m2時，排氣溫度下降0.45 ℃。

圖3為系統壓縮機吸氣壓力[pin]和排氣壓力[pout]隨太陽輻照度的變化。隨著輻照度的增加，壓縮機吸氣壓力逐漸增大。輻照度為850 W/m2時，壓縮機吸氣壓力為0.675 MPa，較輻照度為550 W/m2提高13.4%。這是因為隨著輻照度的增大，集熱蒸發(fā)器可捕獲更多的太陽熱量，提高了壓縮機的吸氣壓力。輻照度對壓縮機排氣壓力的影響很小，輻照度從600 W/m2變化至850 W/m2時，排氣壓力從1.607 MPa增至1.637 MPa。

圖4為壓縮機耗功量[Wcom]和制冷劑質量流量[mr]隨輻照度的變化情況。制冷劑質量流量受太陽輻照度的影響較大。隨著輻照度的增加，質量流量由10.34 g/s增至12.45 g/s，這是因為輻照度的增大使蒸發(fā)壓力增大，進一步提升了壓縮機進口壓力，導致制冷劑在入口處比體積下降，系統制冷劑質量流量隨之增加。從圖4還可發(fā)現，壓縮機耗功量隨輻照度的增大而增大，隨著輻照度的增大，壓縮機耗功量由352.90 W增至364.35 W，提高0.52%。

圖5為系統性能系數COP和集熱蒸發(fā)器集熱效率隨輻照度的變化情況。系統COP隨輻照度的增大由4.66增至5.36，說明輻照度的增大將有利于系統獲得更高的COP。這是因為輻照度的增大使得集熱蒸發(fā)器吸收的太陽輻射熱增加，進而引起系統蒸發(fā)溫度升高，系統COP與之呈現相同的上升趨勢。集熱效率變化趨勢則相反，隨著輻照度的增大，集熱效率由0.73降至0.63，降低13.69%。這是因為輻照度的增大使得蒸發(fā)集熱器和太陽能集熱器吸收的熱量不斷累積，由于太陽能集熱器接收熱量的增幅較蒸發(fā)集熱器吸收的熱量更高，使集熱效率降低。

3.2 循環(huán)水溫的影響

圖6為循環(huán)水入水溫度從50 ℃升至65 ℃時，系統壓縮機吸氣溫度[Tin、]排氣溫度[Tout]的變化情況。輻照度相同情況下，吸氣溫度和排氣溫度隨循環(huán)水入水溫度的升高變化趨勢相同，且都呈上升趨勢。入水溫度為65 ℃，平均壓縮機吸氣溫度為33.8 ℃，較入水溫度為50、55、60 ℃工況下分別提高37.1%、18.2%和11.0%。輻照度為800 W/m2時，伴隨著循環(huán)水入水溫度的升高，壓縮機排氣溫度由64.8 ℃升至78.6 ℃。

圖7為系統壓縮機吸氣壓力[pin]和排氣壓力[pout]隨循環(huán)水溫的變化。在相同輻照度下，隨循環(huán)水入水溫度的升高，壓縮機吸氣壓力和排氣壓力逐漸增加。以輻照度為800 W/m2為例，循環(huán)水溫由50 ℃升高到65 ℃，壓縮機吸氣壓力由0.598增至0.785。當循環(huán)水溫65 ℃時，平均壓縮機排氣壓力為2.07 MPa，較循環(huán)水溫50、55、60 ℃分別提高43.6%、27.5%、12.4%。

圖8為壓縮機耗功量[Wcom]和制冷劑質量流量[mr]隨循環(huán)水溫的變化情況。制冷劑質量流量受循環(huán)水入水溫度影響較大。在入水溫度由50 ℃升高到65 ℃時，平均制冷劑質量流量從10.08 g/s增至12.09 g/s，增加19.94%。壓縮機耗功量隨循環(huán)水入水溫度的升高而增加。輻照度為800 W/m2時，隨著循環(huán)水入水溫度的升高，壓縮機耗功量由332.52 W增至410.13 W，增加23.34%。這是因為壓縮機吸、排氣溫度隨入水溫度的升高出現不同程度提高（詳見圖6），排氣溫度的升幅較吸氣溫度更大，壓縮比增大，壓縮機耗功量增加。

圖9為系統性能系數COP和集熱蒸發(fā)器集熱效率隨入水溫度的變化情況。以輻照度為800 W/m2為例，隨著循環(huán)水入水溫度的升高，系統COP由5.30降至4.59，說明系統COP隨入水溫度的升高而減小。入水溫度65 ℃時，系統平均COP為4.43，較入水溫度50、55、60 ℃分別下降14.57%、11.93%、8.09%。集熱效率隨循環(huán)水溫度的升高也呈下降趨勢。在相同輻照度下，入水溫度65 ℃時，平均集熱效率為0.6928，較入水溫度55、60 ℃分別降低5.64%、3.27%。在入水溫度50 ℃時，集熱效率較低，可能因為當時集熱蒸發(fā)器與環(huán)境間的熱輻射損失較大，但并不影響得出這個結論。

3.3 壓縮機頻率的影響

圖10為壓縮機吸、排氣溫度的變化情況。從圖10可看出，當壓縮機頻率由50 Hz分別調節(jié)至47、45、42 Hz時，排氣溫度發(fā)生明顯突變。穩(wěn)定運行后發(fā)現，隨著壓縮機頻率的降低，排氣溫度出現小幅降低。壓縮機頻率為50、47、45、42 Hz時，平均排氣溫度分別為81.0、80.3、79.8、79.9 ℃。當壓縮機頻率為42 Hz時，壓縮機排氣溫度有所回升，這是由于平均太陽輻照度較低使壓縮機排氣溫度升高，與所得結論并不沖突。在相同太陽輻照度下，吸氣溫度則隨壓縮機頻率的降低

逐步升高。在輻照度500 W/m2、壓縮機頻率42 Hz時，其壓縮機吸氣溫度為30.04 ℃，較相同輻照度、壓縮機頻率45、47、50 Hz分別提高2.28%、12.10%、14.92%。壓縮機頻率的降低導致單位時間內制冷劑質量流量減少，集熱蒸發(fā)器接收的熱量更多地儲存在集熱器內部銅管表面，使其表面溫度升高，吸氣溫度升高。

圖11為系統制熱功率和壓縮機耗功量隨壓縮機不同頻率的變化情況。當壓縮機頻率由50 Hz調節(jié)至其他頻率時，系統制熱功率和壓縮機耗功量會驟然降低。穩(wěn)定運行后可發(fā)現，隨著壓縮機頻率的降低，系統制熱功率逐漸降低。當輻照度為500 W/m2時，壓縮機頻率為42 Hz的平均制熱功率為1273 W，較45、47、50 Hz分別降低3.71%、7.28%、9.40%。這是由于壓縮機轉速的減小致使系統內參與換熱的制冷劑質量流量減少，故單位時間內系統的制熱功率隨壓縮機頻率的減少而降低。壓縮機頻率的降低還會直接致使系統的耗功量降低。壓縮機頻率為50 Hz時，壓縮機平均耗功量為428.9 W。當壓縮機頻率減小為47、45、42 Hz時，壓縮機耗功分別降低為362.1、357.3、310.4 W，分別降低15.57%、16.70%、26.63%。這是由于壓縮機頻率的降低使得集熱蒸發(fā)器內換熱量減少，系統的蒸發(fā)溫度升高和蒸發(fā)壓力增大，在系統冷凝壓力基本不變的情況下，壓縮機的壓縮比下降。

圖12為系統COP的變化情況。隨著壓縮機頻率的降低，系統COP逐漸提高。壓縮機頻率為50、45 Hz時，平均太陽輻照度約為520 W/m2，系統COP分別為3.71和4.12。壓縮機頻率為47、42 Hz時，平均太陽輻照度約為470 W/m2，系統COP分別為3.79和3.95。在相同太陽輻照度500 W/m2下，壓縮機頻率保持50 Hz不變時，系統COP為3.59，壓縮機頻率47、45、42 Hz下系統COP分別較其提高4.74%、12.26%、13.65%。這是因為壓縮機頻率的降低雖然會使壓縮機制熱功率和壓縮機耗功量降低，但壓縮機耗功量減小的速度大于制熱功率下降的速度，所以系統COP逐漸增大。部分實驗數據如表5所示。

4 結 論

本文對基于全玻璃真空管集熱蒸發(fā)器太陽能熱泵系統進行實驗探究，分析典型工況下太陽輻照度、循環(huán)水溫度對系統性能的影響，并探討了不同壓縮機頻率對系統動態(tài)性能的影響，得到以下主要結論：

1）太陽輻照度的增大使壓縮機吸氣壓力增大、吸氣溫度逐漸升高，排氣壓力呈下降趨勢。輻照度的增加有利于系統獲得更高的COP值，在太陽輻照度850 W/m2時，系統最高COP值為5.36。

2）循環(huán)水入水溫度的變化與系統COP值呈相反的趨勢。循環(huán)水入水溫度65 ℃時，系統平均COP為4.43，較入水溫度50、55、60 ℃分別下降14.57%、11.93%、8.09%。與文獻［18］中采用平板集熱蒸發(fā)器的直膨式太陽能熱泵系統相比，循環(huán)水溫在25～61 ℃之間時COP范圍為2.5～3.7，真空管直膨式太陽能熱泵有較大的COP。

3）壓縮機頻率的變換可有效調整其轉速，進而適應系統的變負荷運行并提高系統COP。本實驗系統在相同太陽輻照度下，壓縮機頻率為42 Hz的系統COP為4.08，較45、47、50 Hz分別提高1.23%、8.5%、13.6%。

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PERFORMANCE ANALYSIS OF EVACUATED TUBE DIRECT-EXPANSION

SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP SYSTEMS

Yu Xiaohui，Wang Tian，Gao Zhi

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract：Based on the annular vacuum of vacuum tube collector can suppress the convective heat loss around the heat absorber， which can achieve higher collector temperature and collector efficiency compared with traditiona flat plate collector， this paper proposed an evacuated tube type direct-expansion solar-assisted heat pump， which combines evacuated tube collector with direct expansion solar heat pump. This paper experimentally investigates the effects of solar radiation intensity and circulating water temperature on system performance under typical operating conditions， and explores the dynamic performance of the system under the condition of compressor frequency conversion. The results show that increasing solar radiation intensity and decreasing circulating water temperature are beneficial to improve the system performance. The system achieves the maximum COP of 5.36 at the radiation intensity of 850 W/m2 and circulating water temperature of 55 ℃. The COP of the system with the compressor frequency of 42 Hz is 4.08， which is 1.23%， 8.5% and 13.6% higher than that of 45， 47 and 50 Hz， respectively.

Keywords：heat pump systems； solar collectors； coefficient of performance； direct-expansion； evacuated tube； variable frequency