崔曉月，張偉捷，晉浩，譚洪艷，張玉菡，吳金順

(1.河北工程大學(xué) 城建學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114000；3.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

太陽能輔助空氣源熱泵冬季運(yùn)行性能研究

崔曉月1，張偉捷1，晉浩2，譚洪艷2，張玉菡1，吳金順3

(1.河北工程大學(xué) 城建學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114000；3.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

太陽能輔助空氣源熱泵有效地將兩種可再生熱源復(fù)合利用，實(shí)現(xiàn)了太陽能與空氣熱能的優(yōu)勢互補(bǔ)，本文主要介紹了太陽能輔助空氣源熱泵的系統(tǒng)組成、運(yùn)行模式及原理。通過對華北科技學(xué)院太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的冷凝器進(jìn)出口溫度、室內(nèi)溫度、耗電量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，與普通空氣源熱泵和其他供暖方式進(jìn)行對比分析，重點(diǎn)研究了該系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能性。結(jié)果表明:太陽能輔助空氣源熱泵耗電量與空氣源熱泵基本持平，但太陽能輔助空氣源熱泵的制熱量高于空氣源熱泵，其白天模式制熱量為空氣源熱泵的1.4倍，COP是空氣源熱泵的1.5倍；夜間模式與空氣源熱泵相比，制熱量為其1.2倍，COP是其1.2倍。同時太陽能輔助空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用與碳排放與傳統(tǒng)區(qū)域供暖方式也有所降低，因此是一種節(jié)能減排的供暖方式。

空氣源熱泵；太陽能；節(jié)能

0 引言

我國北方采暖一直以來多采取消耗高品位能源的方式，造成了其高能耗、低效率、重污染的特點(diǎn)?？諝庠礋岜貌膳云淝鍧嵭裕壳熬哂袕V泛應(yīng)用。

空氣源熱泵作為一種以空氣為低溫?zé)嵩?，通過少量高位電能驅(qū)動，將空氣中的低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置,具有高效節(jié)能、環(huán)保無污染等特點(diǎn)。空氣源熱泵在環(huán)境溫度相對較高時，具有良好的運(yùn)行性能，但當(dāng)冬季室外溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，并低于0℃時，室外蒸發(fā)器會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[1]。當(dāng)霜層累積一定厚度時，會造成蒸發(fā)器傳熱性能減弱，并阻礙室外盤管間的氣體流動[2]，造成機(jī)組制熱量減少、供熱性能系數(shù)降低。因此，在寒冷天氣一般通過給熱泵加設(shè)輔助設(shè)備來維持穩(wěn)定足夠的熱量。而通過可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。通過我國能源利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，指出太陽能建筑一體化的熱泵技術(shù)將會是今后發(fā)展的趨勢[3]。而采用太陽能輔助熱泵為最佳經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，具有廣闊的市場潛力與應(yīng)用前景[4]。太陽能輔助熱泵將熱泵與太陽能聯(lián)合，Jordan和Threlkeld最早提出該方式同時提高熱泵的供熱性能與太陽能集熱器的熱效率的觀點(diǎn)[5]。該系統(tǒng)將兩者結(jié)合起來，使其具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，避免了空氣源熱泵在低溫條件下運(yùn)行存在的問題，提高了系統(tǒng)供暖可靠性。

低溫太陽能輔助空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的能效比是評價(jià)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的重要指標(biāo)和評價(jià)參數(shù)。本文以華北科技學(xué)院太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)為例，對其冬日供暖實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，計(jì)算該系統(tǒng)不同工況下的能效比，探討該系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能性。

1 太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)組成與分析

1.1 系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)位于華北科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓頂層，由空氣源熱泵系統(tǒng)改造而來，將原有電輔助改成太陽能輔助，由低溫水循環(huán)環(huán)路和制冷劑循環(huán)環(huán)路組成。低溫水循環(huán)環(huán)路即為太陽能輔助系統(tǒng)，其通過集熱器獲取太陽能熱量，在通過板式換熱器將熱量交換出去，同時該系統(tǒng)還具有水箱，可以蓄熱。制冷劑環(huán)路可以根據(jù)閥門的開關(guān)進(jìn)行改變，可以實(shí)現(xiàn)單一空氣源熱泵和太陽能輔助空氣源熱泵兩種模式。冬天時，室外空氣溫度較低，制冷劑通過板式換熱器得到太陽能低溫水中的熱量，依次流經(jīng)四通換向閥及壓縮機(jī)到達(dá)室內(nèi)機(jī)進(jìn)行冷凝放熱，放熱后再次流入板式換熱器構(gòu)成制冷劑循環(huán)環(huán)路。在此模式下，板式換熱器作為熱泵的蒸發(fā)器，相比于空氣源熱泵其可以提高冬季熱泵的蒸發(fā)溫度，此次提高性能。圖1為系統(tǒng)原理圖，具體參數(shù)見表1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

序 號名 稱主要參數(shù)(功率、流量、面積、體積等)1太陽能集熱器 真空管，蓄水量155L，10m22水箱 033m3，4集熱水泵 0198kg/s5循環(huán)水泵 Q=412L/min，H=14mH2O6板式換熱器 設(shè)計(jì)溫度：-160/225℃；設(shè)計(jì)壓力：30/45bar，容積：0028L，最大水流量：4m3/h，最大片數(shù)：N=100，換熱面積：0020m2，重量：10+008kg7室外換熱器 風(fēng)量1600m3/h8室內(nèi)空調(diào)器 循環(huán)風(fēng)量550m3/h10壓縮機(jī) 制熱最大允許壓力26MPa，大15P(制冷功率1150W)，制熱功率1340W，EER/COP，278/295

1.2 運(yùn)行過程分析

該系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)閥門開關(guān)進(jìn)行運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)閥門A、D關(guān)閉，B、C開啟時，系統(tǒng)為單一空氣源熱泵模式，制冷劑通過室外蒸發(fā)器取熱，太陽能制造的熱水儲蓄在水箱中。當(dāng)日照充足時，可以打開閥門A、D,關(guān)閉B、C進(jìn)行太陽能輔助，即將板式換熱器作為系統(tǒng)蒸發(fā)器，制冷劑通過板式換熱器得到太陽能低溫水中的熱量。

1.3 理論分析

對于熱泵機(jī)組，制熱性能系數(shù)COP 是代表其節(jié)能水平的關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)。可以根據(jù)COP來評價(jià)空氣源熱泵的性能，COP高，機(jī)組效率高，反之，機(jī)組效率就低。

(1)

式中： qk——單位質(zhì)量制冷劑制熱能力，kJ/kg；

W0——單位質(zhì)量制冷劑制熱能力，kJ/kg；

Tk——高溫?zé)嵩礈囟龋琄;

T0——低溫?zé)嵩礈囟?，K。

由式(1)可知系統(tǒng)的制熱系數(shù)只和高低溫?zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。然而，高低溫?zé)嵩磳ο到y(tǒng)的制熱系數(shù)的影響大小關(guān)系尚不能確定。因此，對于空氣源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)明確參數(shù)對系統(tǒng)的制熱性能影響大小。為了找到高低溫?zé)嵩磳χ茻嵯禂?shù)的影響權(quán)重，下面對式(1)中的溫度進(jìn)行求偏導(dǎo)：

(2)

得：

(3)

從式(4)可以清楚的看出，當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩吹臏囟茸兓瘯r，對制熱系數(shù)的影響較大，高溫?zé)嵩吹臏囟茸兓瘜χ茻嵯禂?shù)的影響相對不大。作為低溫?zé)嵩吹氖彝饪諝鈸Q熱器，冬季空氣溫度較低時會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的制熱系數(shù)，并且冬季室外盤管結(jié)霜嚴(yán)重，增大了換熱熱阻，降低了系統(tǒng)的制熱系數(shù)。因此，在本系統(tǒng)中采用了太陽能集熱器加熱熱水，作為低溫?zé)嵩?。?dāng)室外空氣溫度低時，采用太陽能輔助系統(tǒng)，可以有效提高低溫?zé)嵩吹臏囟?，從而提高了系統(tǒng)的制熱系數(shù)。

2 實(shí)測結(jié)果分析

為了對該系統(tǒng)的熱力性能、節(jié)能效果進(jìn)行分析，本次測試于2014年1月12日上午8:30開始，對太陽能集熱器進(jìn)出口循環(huán)水溫度、冷凝器(即室內(nèi)空調(diào)器)進(jìn)出口制冷劑溫度及室內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測記錄。太陽能蓄熱模式的測試運(yùn)行時段為10:00～17:00，空氣源熱泵為全天運(yùn)行，太陽能輔助空氣源熱泵對兩種不同模式白天實(shí)時蓄放熱，白天蓄熱晚上輔助各自運(yùn)行時段10:00～20:00,20:00～8：00，對其進(jìn)行詳細(xì)分析與總結(jié)。

2.1 太陽能蓄熱模式

在典型測試日中，太陽能集熱器進(jìn)出口循環(huán)水及水箱溫度隨時間變化如圖2所示。

圖2 太陽能集熱器進(jìn)出口循環(huán)水及水箱溫度隨時間變化

由圖2可知，太陽能集熱器進(jìn)水溫度(T2)變化范圍約在35～68℃，出水溫度(T1)約為42～77℃之間，進(jìn)出水溫度先后于14:40，15:05左右到達(dá)峰值，并保持該峰值溫度約1小時。在測試期間內(nèi)，集熱器進(jìn)出水溫度基本具有相同的變化趨勢，溫度差保持約9℃。水箱溫度(T3)變化范圍為32～58℃，到達(dá)峰值時間約在15:43。在天氣情況良好，日照充足的情況下，進(jìn)水溫度可達(dá)到77℃，出水溫度85℃，進(jìn)出水溫差為14℃，水箱溫度64℃。同時根據(jù)上圖還可以看出，在11:00～14:30期間太陽能集熱器每分鐘提供的蓄熱量基本持穩(wěn)定，可以穩(wěn)定的向外界提供大量熱量，應(yīng)在儲熱的同時加以利用。而水箱溫度一直處于25℃以上，若與空氣源熱泵結(jié)合，該熱量可以用來提高制冷劑的蒸發(fā)溫度，提高寒冷天氣空氣源熱泵的性能。

2.2 單一空氣源熱泵運(yùn)行模式

圖3所示為單一空氣源熱泵全天運(yùn)行時冷凝器進(jìn)出口制冷劑溫度及室內(nèi)溫度隨時間的變化。由圖可知，在運(yùn)行一段時間后，系統(tǒng)穩(wěn)定，冷凝器進(jìn)口溫度(T12)最低溫度在早上8：00左右出現(xiàn)，約為40℃，隨后逐漸升溫，下午15:00左右達(dá)到峰值，約48℃，之后逐漸降低。出口溫度(T13)較為穩(wěn)定，約31℃。進(jìn)出口溫差在10～16℃之間，白天溫差大，夜晚小。室內(nèi)溫度(T14)維持在20℃左右，比人體最適溫度稍低。

圖3 空氣源熱泵冷凝器進(jìn)出口制冷劑溫度及室內(nèi)溫度隨時間的變化

圖4為單一空氣源熱泵運(yùn)行時COP、制熱量、耗電量隨時間變化趨勢。由圖可知，空氣源熱泵在此期間制熱量隨時間而變化，一般在下午15：00左右達(dá)到峰值，每分鐘制熱量在120～150kJ之間。每小時耗電量隨時間變化不大,但總體白天耗電比晚上稍大。機(jī)組的COP總體較低，平均為2.2。由此可以看出，單一空氣源熱泵可以穩(wěn)定提供熱量，但室內(nèi)溫度和COP都較低，若能與太陽能系統(tǒng)結(jié)合，可以進(jìn)一步改善其性能。

2.3 太陽能輔助空氣源熱泵運(yùn)行模式

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)分析分為兩種模式，一種為白天實(shí)時蓄放熱采用太陽能輔助空氣源熱泵，一種為白天蓄熱晚上太陽能輔助放熱。對于兩種模式下太陽能輔助的時段進(jìn)行具體分析，以便與空氣源熱泵進(jìn)行對比。

白天實(shí)時蓄放熱模式，白天太陽能輔助熱泵，晚上空氣源熱泵，其輔助運(yùn)行時段為10：00～20：00，圖5、6為其各項(xiàng)隨時間變化趨勢。

圖4 空氣源熱泵運(yùn)行時COP、制熱量、耗電量隨時間變化

圖5 太陽能輔助空氣源熱泵冷凝器進(jìn)出口制冷劑溫度及室內(nèi)溫度隨時間的變化

由圖5可知，冷凝器制冷劑進(jìn)口溫度在55～86℃，由于熱泵處于制熱工況，且熱源為太陽能熱水，在極端條件下，制冷劑溫度可能會短暫超過80℃。制冷劑出口溫度在34～40℃之間，溫差變化在21～47℃左右。與單一空氣源熱泵相比，冷凝器進(jìn)出口溫度和進(jìn)出口溫差均有明顯提高。室內(nèi)溫度在此期間一直維持在20℃以上，最高溫度為26℃，傍晚室內(nèi)溫度維持在23℃左右，高出單一空氣源熱泵系統(tǒng)室內(nèi)溫度3℃。

圖6所示為制熱量，耗電量及COP隨時間的變化關(guān)系。太陽能輔助空氣源熱泵白天制熱量較穩(wěn)定，下午17：30開始制熱量開始下降，此時系統(tǒng)主要應(yīng)用水箱中的白天的太陽能儲蓄能。該系統(tǒng)COP有所變化，趨勢同制熱量，在17：30以后開始降低，但維持在3以上 。

圖6 太陽能輔助空氣源熱泵制熱量，耗電量及COP隨時間的變化

白天蓄熱晚上輔助放熱模式，即白天使用空氣源熱泵，晚上太陽能輔助熱泵，其輔助運(yùn)行時段為20：00～8：00，圖7、8為其各項(xiàng)隨時間變化趨勢。

圖7 太陽能輔助空氣源熱泵冷凝器進(jìn)出口制冷劑溫度及室內(nèi)溫度隨時間的變化

由圖7可知，夜間供暖期間冷凝器進(jìn)口溫度在40～66℃之間。冷凝器出口溫度隨時間變化不大，進(jìn)出口溫差約為27℃。室內(nèi)溫度維持在21℃以上。

圖8所示為制熱量，耗電量及COP隨時間的變化關(guān)系。太陽能輔助空氣源熱泵制熱量開始較為穩(wěn)定，約為164 kJ/min，凌晨4：00左右出現(xiàn)降低趨勢，最低下降到115 kJ/min。但是其總體來說明顯高于空氣源熱泵。耗電量隨著時間變化有所波動，因此COP也有所變化，平均值為2.6。

圖8 太陽能輔助空氣源熱泵制熱量，耗電量及COP隨時間的變化

3 節(jié)能分析

3.1 空氣源熱泵與太陽能輔助空氣源熱泵熱力性能對比

將空氣源熱泵和太陽能輔助空氣源熱泵的耗電量，制熱量及COP平均值進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 三種方式制熱量、耗電量及COP對比

從圖9可知，在耗電量基本相同的條件下，太陽能輔助空氣源熱泵相比于空氣源熱泵的制熱量和COP都有所增加。太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)白天，晚上運(yùn)行模式耗電量與空氣源基本持平，制熱量分別是其1.4，1.2倍，COP高出其0.5，0.2倍。

圖10對制熱量的來源也進(jìn)行了比較，可以看出太陽能輔助空氣源熱泵大部分熱量來自于太陽能，只有少部分來自于電耗，而空氣源熱泵接近空氣中的熱能與耗電各自一半。因此以太陽能為輔助能的空氣源熱泵，其可獲得更多的熱量，具有更高的效率，達(dá)到節(jié)能的效果。

圖10 三種模式制熱量來源對比

3.2 太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的一次能耗分析

采暖模式分為集中和分散，目前北方大部分地區(qū)采取的是集中式供暖。但是集中供暖有著管路長，熱損大，不能調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，因此在供暖模式選取上還是存在一些爭議。筆者對集中供暖和分散供暖的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對比，具體內(nèi)容見表2[6]，通過表中的公式計(jì)算出各采暖方式下的費(fèi)用、一次能源消耗量及CO2排放量。

表2 集中供暖與分散供暖對比

續(xù)表

太陽能輔助空氣源熱泵以太陽能和空氣中的熱量為能源，不存在燃燒產(chǎn)生的煙氣處理問題以及安全問題。太陽能輔助空氣源熱泵運(yùn)行時室內(nèi)平均溫度為24℃，運(yùn)行時間為10個小時，供熱量共為141732 kJ。根據(jù)已有數(shù)據(jù)對常用冬季供暖系統(tǒng)進(jìn)行比較，計(jì)算在提高相同供熱量條件下，各系統(tǒng)的一次能耗(即折算為標(biāo)準(zhǔn)煤)，折算后CO2排放量及各系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

計(jì)算結(jié)果如圖11所示。由圖可以明顯看出，在提供相同供熱量的條件下，電鍋爐雖然熱效率最高，但是其一次能耗，CO2排放及費(fèi)用明顯高于其他四種。而天然氣鍋爐其一次能耗比空氣源熱泵低，與太陽能輔助空氣源熱泵基本相同，但是其價(jià)格高，導(dǎo)致費(fèi)用增加。而太陽能輔助空氣源熱泵在五者中，是一次能耗最低，CO2排放最少，費(fèi)用最小的系統(tǒng)。

圖11 不同采暖形式能耗，CO2排放量及費(fèi)用對比

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對華北科技學(xué)院太陽能輔助空氣源熱泵進(jìn)行分析比較。對熱泵與太陽能結(jié)合的可行性，熱力性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，與單一空氣源熱泵進(jìn)行對比。并對現(xiàn)有主要供暖系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。得出以下結(jié)論：

(1) 太陽能集熱器在白天可以提供大量熱量，其可以與空氣源熱泵結(jié)合，提高制冷劑的蒸發(fā)溫度，提高寒冷天氣空氣源熱泵的性能。通過分析得出，太陽能輔助空氣源熱泵相比空氣源熱泵室內(nèi)溫度得到提高。

(2) 太陽能輔助空氣源熱泵的制熱量，COP較空氣源熱泵均有明顯提高。其白天，晚上運(yùn)行模式耗電量與空氣源基本持平，制熱量分別是其1.4，1.2倍，COP則為1.5，1.2倍。因此太陽能輔助空氣源熱泵較好的解決了寒冷天氣空氣源熱泵性能低的問題，為空氣源熱泵在北方等地區(qū)的應(yīng)用提供了可行性。

(3) 在目前5種常見的供暖系統(tǒng)中，電鍋爐的一次能耗，CO2排放及費(fèi)用最高。天然氣鍋爐雖然一次能耗偏低，但是價(jià)格較高，相反集中供暖價(jià)格最低，但因?yàn)檩斶\(yùn)熱損，其一次能源能耗偏高。太陽能輔助空氣源熱泵其能耗、排放、價(jià)格都較低，以太陽能為輔助能的空氣源熱泵不但將兩種非同態(tài)可再生熱源復(fù)合利用，并且可獲得更多的熱量，具有更高的效率，達(dá)到節(jié)能的效果。

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Performanceofsolarassistedair-sourceheatpumpinwinter

CUI Xiao-yue1，ZHANG Wei-jie1,JIN Hao2,TAN Hong-yan2,ZHANG Yu-han1,WU Jin-shun3

(1.SchoolofUrbanConstruction,HebeiUniversityofEngineering,Handan,056038,China; 2.SchoolofCivilEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan,114000,China; 3.CollegeofConstructionEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

The solar assisted air-source heat pump (SASHP) system uses two kinds of renewable energy sources that solar and air energy,thus it will be better play their respective strengths. This paper primarily introduces the system composition,operation mode and principle of SASHP.A dedicated experimental rig was then fabricated and tested in a pilot building under the real-climate conditions in North China Institute Of Science And Technology.The essential parameters,i.e. inlet/outlet temperatures of heat-pump condenser,indoor temperature,power consumption of heat-pump compressor,were measured for characterization of the SASHP system’s performance under different operation strategies. A feasibility study was further conducted through the comparison of such system against the conventional ASHP as well as other typical space-heating systems in that area,especially for energy saving property.Comparing to the ASHP,the delivered heat capacity of SASHP was almost 1.4 times and 1.2 times under the day-and-night operation modes,leading to the COP of 1.5 times and 1.2 times respectively. Meanwhile,the SASHP has the least operation cost and carbon emission among the conventional space-heating solutions. In addition,the SASHP has high benefits to energy conservation and environmental protection.

SASHP;olar energy;energy conservation

2017-06-13

崔曉月(1993-)，女，北京，本科，河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：太陽能。E-mail：1695313931@qq.com

TU831

A

1672-7169(2017)04-0062-07