太陽能空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行測(cè)試與分析

摘 要：【目的】為了研究太陽能空氣源熱泵相結(jié)合的采暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)實(shí)際運(yùn)行的太陽能空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試?！痉椒ā繉?duì)呼和浩特市使用太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的2座加油站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集和分析，測(cè)試數(shù)據(jù)包括在不同的環(huán)境下的耗電量、供熱量、溫度等?！窘Y(jié)果】根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境溫度相差不大時(shí)，不同年份對(duì)應(yīng)月份的耗電量也相差不大；當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，系統(tǒng)性能系數(shù)COP依然能達(dá)到2.4以上。隨著環(huán)境溫度的升高，性能系數(shù)COP逐漸增大。當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時(shí)，系統(tǒng)性能系數(shù)COP達(dá)4.0以上?！窘Y(jié)論】太陽能輔助加熱有助于提高熱泵系統(tǒng)整體性能，是一種適合低溫環(huán)境下運(yùn)行的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；聯(lián)合運(yùn)行；性能檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TK11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）15-0021-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.005

Joint Operation Test and Analysis of Solar Air Source Heat Pumps

GUO Xulong ZOU Tonghua WEI Chaopeng WANG Xixi

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract：[Purposes] In order to study the actual operation of the heating system combined with solar air source heat pump， the actual operation of the solar air source heat pump combined operation system was tested. [Methods] Field test data collection and analysis were carried out on two gas stations in Hohhot using solar air source heat pump systems， including data on power consumption， heat supply， temperature and other data at different ambient temperatures. [Findings] According to the actual measurement results， when the ambient temperature is not much different， the power consumption of the corresponding months in different years is not much different， and the system COP can still reach more than 2.4 when the ambient temperature is -20°C， and the coefficient of performance COP gradually increases with the increase of ambient temperature， and the system COP reaches more than 4.0 when the ambient temperature is 5°C. [Conclusions] Solar-assisted heating helps to improve the overall performance of the heat pump system， and is an air source heat pump heating system suitable for operation in low temperature environments.

Keywords：solar energy; air source heat pump; combined operation; performance testing

0 引言

當(dāng)前，化石能源尤其是煤炭依然在我國(guó)的能源使用中占主導(dǎo)地位。但在國(guó)家“雙碳”政策背景下，煤炭開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染已經(jīng)成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。2017年《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》政策落地實(shí)施，我國(guó)持續(xù)推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔供暖。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，清潔供暖已成為必然趨勢(shì)［2-3］。目前，空氣源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟并被廣泛應(yīng)用于供暖領(lǐng)域，但在北方寒冷的條件下，空氣源熱泵仍難達(dá)到理想的效果。太陽能作為一次能源，總量豐富、不會(huì)枯竭、清潔無污染，但是卻不穩(wěn)定，易受天氣影響［4-5］。如果將太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合，就可以提高熱泵制熱性能，擴(kuò)大空氣源熱泵適應(yīng)范圍［6］。

1 系統(tǒng)原理和工作過程

太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。

太陽能空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的工作過程如下。

第一步：太陽能集熱器吸收太陽光，將太陽光轉(zhuǎn)化為大量熱能，并通過其內(nèi)置的高效蓄能芯貯存下來。

第二步：冷空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)太陽能集熱器，即被加熱成熱空氣，再經(jīng)高效熱泵主機(jī)轉(zhuǎn)化后，產(chǎn)生大量熱能，加熱供暖循環(huán)介質(zhì)。

第三步：供暖介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下，循環(huán)至室內(nèi)各個(gè)散熱末端，進(jìn)而對(duì)房間進(jìn)行供熱。

2 測(cè)試方法

系統(tǒng)的運(yùn)行模式調(diào)節(jié)完成后，在2021年10月份到2022年3月份和2022年10月份到2023年3月份進(jìn)行測(cè)試。采暖過程中一直打開測(cè)量設(shè)備，在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)不間斷對(duì)用電量、功率、供水溫度、回水溫度、環(huán)境溫度、瞬間熱量、累計(jì)熱量進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和無線傳輸，并對(duì)全年所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 測(cè)試結(jié)果分析

以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，分別對(duì)2022年呼和浩特市2座加油站太陽能熱泵運(yùn)行各參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。呼和浩特市的冬季室外空氣計(jì)算參數(shù)如下：供暖室外計(jì)算溫度為-17.0 ℃；冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速為4.2 m/s；平均溫度≤+5 ℃期間內(nèi)的平均溫度為-5.3 ℃；極端最低氣溫為-30.5 ℃。呼和浩特市屬典型的蒙古高原溫帶大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年溫差大，日溫差也大。

3.1 1號(hào)加油站測(cè)試數(shù)據(jù)分析

機(jī)組用電量和功率測(cè)試結(jié)果如圖2所示；散熱器進(jìn)水溫度、出水溫度、累計(jì)熱量如圖3所示；房間供水溫度、回水溫度、環(huán)境溫度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖2可知，12月份至次年2月份的熱泵耗功較大，用電量也相應(yīng)增加。從10月至次年3月的用電量分別為1 569 kW·h、3 024 kW·h、3 024 kW·h、4 890 kW·h、4 501 kW·h、3 052 kW·h。在次年1、2月份用電量較高。

由圖3計(jì)算可知，從10月至次年3月的供熱量分別為4 087 kW·h、7 315 kW·h、9 708 kW·h、11 906 kW·h、11 706 kW·h、4 105 kW·h。在次年1月份和2月份的供熱量明顯高于其他月份。這是因?yàn)榇文?、2月份的溫度普遍低于其他月份，所以在這兩個(gè)月份的供熱量高于其他月份。

對(duì)三個(gè)典型房間溫度進(jìn)行了測(cè)試，各房間內(nèi)溫度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。房間1在10、11、12、次年1、2、33eZrnbrFsbgg016tFc7SPRLCCkN8ouHKd1orA+zLax8=月份平均溫度分別是17.5℃、17.6℃、15.6℃、16.1℃、13.1℃、17℃。房間2的平均溫度分別是19.9℃、21.9℃、20.5℃、21℃、19.3℃、22.3℃。房間3的平均溫度分別是21.2℃、21.2℃、20.1℃、20℃、18.8℃、21.7℃。三個(gè)房間的溫度基本維持在20℃左右。

3.2 2號(hào)加油站測(cè)試數(shù)據(jù)分析

機(jī)組用電量和功率測(cè)試結(jié)果如圖6所示；散熱器進(jìn)水溫度、出水溫度、累計(jì)熱量如圖7所示；房間供水溫度、回水溫度、環(huán)境溫度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

由圖6可知，從10月份至次年4月的用電量分別為2 390 kW·h、4 060 kW·h、7 378 kW·h、7 807 kW·h、7 109 kW·h、4 760 kW·h、2 215 kW·h。在12月、次年1、2月份用電量較高，在10月、11月、次年3、4月份的用電量較低。

由圖7計(jì)算可知，從11月至次年4月的供熱量分別為8 056 kW·h、14 557 kW·h、14 831 kW·h、13 376 kW·h、104 984 kW·h、6 438 kW·h。在12、次年1、2月份供熱量明顯高于其他月份。

對(duì)三個(gè)典型房間進(jìn)行了測(cè)試，各房間內(nèi)溫度測(cè)試結(jié)果如圖9所示。房間1在10、11、12、次年1、2、3、4月的平均溫度分別為16.9℃、11.9℃、18.1℃、18.4℃、17.6℃、20℃、22.2℃。房間2的平均溫度分別是18℃、14.2℃、19.8℃、21.6℃、21℃、24.3℃、25.8℃。房間3的平均溫度分別是23.3℃、26.8℃、27.4℃、29℃、29.6℃、31.9℃、29.5℃。房間3的溫度高于房間2和房間1的溫度，房間1的溫度相對(duì)來說最低。

4 對(duì)比分析

為進(jìn)一步分析不同年份太陽能空氣源熱泵性能，對(duì)1號(hào)加油站2021年度和2022年度10月和11月試驗(yàn)運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

4.1 環(huán)境溫度對(duì)比分析

對(duì)2021年度和2022年度10、11月兩個(gè)月份的環(huán)境溫度對(duì)比如圖10所示。由圖10可知，這兩個(gè)年度10、11月的環(huán)境溫度相差不大，溫度維持在-15 ℃～15 ℃之間；這兩個(gè)年度的室外平均溫度沒有太大的變化，為后續(xù)的同期性能參數(shù)對(duì)比奠定了基礎(chǔ)。

4.2 用電量對(duì)比分析

對(duì)2021年度和2022年度10、11月兩個(gè)月份的用電量對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，在21年10、11月份的環(huán)境溫度與22年10、11月份環(huán)境溫度相差不大的情況下，兩個(gè)年度對(duì)應(yīng)月份用電量相差不大。2021年10月和11月用電量分別為1 569 kW·h和3 024 kW·h，2022年10月和11月份用電量分別為1 743 kW·h和2 892 kW·h。

4.3 能效對(duì)比分析

以2021年和2022年兩個(gè)年度中某天的環(huán)境溫度在-20℃～5℃時(shí)的耗功和熱量數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算太陽能熱泵采暖系統(tǒng)性能系數(shù)COP如圖12所示。由圖12可知，兩者相差不大，當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，系統(tǒng)COP依然能達(dá)到2.4以上。隨著環(huán)境溫度的升高，性能系數(shù)COP逐漸增大。當(dāng)環(huán)境溫度在5℃時(shí)，系統(tǒng)COP達(dá)4.0以上。說明了太陽能輔助加熱有助于提高系統(tǒng)整體性能。

5 結(jié)論

本研究對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的2個(gè)加油站太陽能空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析，得到以下結(jié)論。

①同一地區(qū)加油站的太陽能空氣源熱泵運(yùn)行效果相同，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定。

②當(dāng)環(huán)境溫度相差不大時(shí)，不同年份所對(duì)應(yīng)月份的耗電量也相差不大。

③系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度升高而升高，太陽能輔助加熱有助于提高熱泵系統(tǒng)整體性能。

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