太原地區太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統性能分析

黎珍， 田琦， 董旭

(太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 晉中 030600)

太原地區太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統性能分析

黎珍， 田琦， 董旭

(太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 晉中 030600)

為解決太陽能熱水系統占地大、供熱水穩定性差、空氣源熱泵冬季易結霜、能效比較低的問題，提出太陽能/空氣能蒸發集熱器并構建其熱泵熱水系統.建立該系統的TRNSYS模型，分別研究太原地區的夏季和冬季工況的系統制熱性能參數變化情況.研究結果表明：在夏季高溫太陽輻射照度大典型工況下，該系統平均制熱性能系數(COP)值為6.026，較空氣源熱泵熱水系統提高44.16%；在冬季低溫高濕易結霜典型工況下，該系統平均COP值為3.25，較空氣源熱泵熱水系統提高6.56%.

太陽能/空氣能蒸發集熱器； 太陽能； 空氣源熱泵； 節能； 平均制熱性能系數值； 太原地區

Abstract： Solar hot water system covers large areas and is unstable， and air source heat pump has a low energy efficiency when frosted easily in winter. To solve these problems， a solar energy/air source evaporation collector and hot water system was proposed. TRNSYS model was established to study the heating coefficient of performance under the changes of environmental and working conditions in summer and winter respectively in Taiyuan Area. Simulation results show that， system average coefficient of performance (COP) value is 6.026， 44.16% higher than that of the air source heat pump hot water system under the condition of high temperature and abundant solar energy in summer； and the system average COP value is 3.25， 6.56% higher than that of the air source heat pump hot water system under the condition of low temperature and high humidity in winter.

Keywords： solar energy/air source evaporation collector； solar； air source heat pump； energy conservation； system average coefficient of performance value； Taiyuan Area

目前，我國建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空調等)約占全社會總能耗的30%[1].為降低建筑能耗，國內外學者對太陽能熱水系統的日照時效節能性及熱泵技術的全時間節能性優勢進行了廣泛關注[2-5].由于太陽能熱水系統初投資大、占地大、供熱水穩定性差，而現有空氣源熱泵冬季易結霜、能效比較低，如何有機地將兩者結合，提高系統效率，逐漸成為研究的重點[6-10].李先庭等[11]提出一種復合太陽能空氣源熱泵；張月紅等[12]構建一種直接膨脹式太陽能與空氣復合源熱泵熱水系統；丁鴻昌等[13]設計空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的自動控制系統；Yousefi等[14]研究了太陽能集熱直接蒸發式熱泵熱水系統的熱力學性能；Tamasauskas等[15]研究冰漿潛熱蓄熱太陽能輔助熱泵供暖系統.現有研究多針對由獨立的太陽能與空氣源熱泵熱水系統組合而成的聯合系統，未能實現設備集成一體化.因此，本文提出太陽能/空氣能蒸發集熱器，構建太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水(SIASHP)系統.

1 系統運行模式分析

SIASHP系統主要由SIASHP室外機、保溫水箱等組成，如圖1所示.圖1中：SIASHP室外機包括太陽能/空氣能蒸發集熱器、數碼渦旋壓縮機、膨脹閥、風機、旁通調節閥等.

圖1 太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統Fig.1 Solar energy coupling with air source heat pump integration hot water system

系統中太陽能/空氣能蒸發集熱器基于傳統蒸發器結構而來，在銅鋁翅片管外表面，通過電化學方法，電解著色一層鋁陽極氧化太陽能選擇性吸收涂層，并使用平面低鐵鋼化玻璃透明蓋板替代部分室外機外殼.SIASHP與空氣源熱泵(ASHP)尺寸相似，外形稍有變化.SIASHP系統較之于空氣源熱泵熱水系統，可直接利用太陽能提高系統制熱能效.

SIASHP系統工作原理及運行模式有如下3種情形.1) 日照充足時，太陽能/空氣能蒸發集熱器中制冷劑僅吸收太陽輻射熱，氣化形成高溫高壓蒸氣.該蒸氣通過旁通流量調節閥進入用戶水箱冷凝換熱，之后，經由膨脹閥節流降壓再次進入太陽能/空氣能蒸發集熱器完成工作循環，完成太陽能熱水系統模式.2) 日照不足時，制冷劑同時吸收空氣中的熱量和太陽輻射熱，加溫加壓后通過數碼渦旋壓縮機進入用戶水箱換熱；然后，經膨脹閥進入太陽能/空氣能蒸發集熱器完成工作循環，完成太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統模式.3) 無日照時，制冷劑循環過程與ASHP系統相似，使用壓縮機完成制冷劑升溫升壓過程，不再利用太陽輻射熱作為能量來源，完成空氣源熱泵熱水系統模式.

2 數學模型與求解

2.1數學模型

基于SIASHP系統的熱力分析和水力分析，建立該系統的數學模型.其中，SIASHP模塊主要體現在用戶側流體溫度、換熱量的變化，以及熱源處溫度、集熱量、換熱量的變化.

1) 太陽能/空氣能蒸發集熱器吸收的有效太陽能輻射熱(即集熱量)為

式(1)中:QU為有效太陽能輻射熱；QA為總太陽能輻射熱,QA=AIT(τ×α)n,A為太陽能/空氣能蒸發集熱器吸收太陽能有效面積，IT為有效太陽輻射照度,(τ×α)n為透明蓋板透射比與太陽能/空氣能蒸發集熱器吸收比的有效乘積；QL為通過輻射導熱對流散失的太陽能輻射熱.由于制冷劑進口溫度比空氣溫度低，不會向空氣散熱，故QL為0.因此,有效太陽能輻射熱為

2) SIASHP模塊的數學模型為

式(3)中:Qair為太陽能/空氣能蒸發集熱器吸收空氣的熱量；Qcap為SIASHP制熱量；Pcompressor為壓縮機功率;hair，out為室外空氣經太陽能/空氣能蒸發集熱器后的出口焓值；hair，in為室外空氣進口焓值；mair為室外空氣質量流量;hb，out為室外空氣經風機后的出口焓值；Pblower為風機功率;θdhw，out，θdhw，in分別為負荷側流體出口、進口溫度；mdhw為負荷側流體的質量流量；cp，dhw為負荷側流體的比熱容.

3) SIASHP系統的制熱性能系數(COP)為

式(4)中:Pcontroller為控制器功率.ASHP系統的數學模型與SIASHP系統相同，但QU=0.

2.2各部件參數設置

2.2.1 模擬時間、熱泵啟停時間和步長的確定 以太原市地區為例，對SIASHP系統和ASHP系統進行參數設置.選出夏季(2015年7月22日，高溫太陽輻射照度大，相對濕度為49%～60%)和冬季(2015年1月6日，低溫高濕易結霜，相對濕度為61%～74%)兩種典型工況，其環境溫度和太陽輻射照度隨時間的分布，如圖2所示.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖2 環境溫度和太陽輻射照度分布Fig.2 Environment temperature and solar radiation intensity distribution

系統中環境溫度θW及太陽輻射照度IT等參數由軟件讀取；環境溫度隨著時間的推移先升高后降低，在16：00達到最大值，太陽輻射照度也是先增大后減小，在11：00-15：00維持較強的輻射照度；為了在充分利用太陽能資源的同時，又能保證空氣能換熱處于高效狀態，結合所選低溫空氣源熱泵性能參數及環境參數，確定熱泵開啟時間，如表1所示.

表1 熱泵開啟時間Tab.1 Heat pump boot time

SIASHP開啟，系統運行模式為太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統，SIASHP開啟之前的系統運行模式為太陽能熱水系統.通過多次試算，時間步長定為0.125 h.

2.2.2 模型主要參數設置 TRNSYS模型的主要參數，如表2所示.SIASHP系統和ASHP系統白天工作，加熱150 L熱水，所需熱量為25.122 MJ.

表2 主要部件的參數Tab.2 Parameters of major component

2.3SIASHP系統的模擬平臺搭建

通過設置TYPE子程序的相關參數，以及進一步編寫模塊的FORTRAN程序，創建SIASHP模塊.根據系統環路的熱力、水力分析邏輯關系，搭建SIASHP系統的模擬平臺，如圖3所示.

圖3 SIASHP系統模擬平臺Fig.3 SIASHP system simulation platform

鑒于系統的集成性，管路和水箱熱損失在實際應用中也處于可忽略不計的水平，熱損失不影響制取熱水的溫度和能耗水平.因此，所搭建模擬平臺忽略了管路及水箱等熱損失.TRNSYS模型的主要部件包括：熱泵、保溫水箱、氣象參數輸入及數據輸出模塊等.ASHP系統平臺則是用ASHP模塊代替SIASHP模塊，并且未設太陽能輻射計算區域.

3 相關分析與結果討論

在太原夏季高溫太陽輻射照度大和冬季低溫高濕易結霜兩種典型工況下，應用TRNSYS軟件分別模擬SIASHP系統太陽能/空氣能蒸發集熱器的集熱量和換熱量及系統COP值隨環境和熱水工況的變化情況.為確定系統性能優劣，將該系統與ASHP系統進行對比分析，其數值模擬過程同上所述.

3.1集熱量與換熱量分析

通過模擬得到SIASHP系統與ASHP系統的換熱量對比，如圖4所示.由圖4可知：ASHP系統的空氣能換熱量隨著時間的推移逐漸增加，增長速率逐漸下降.這是因為ASHP系統在環境溫度較高時，熱泵開啟，空氣能換熱量增加；之后，環境溫度逐漸下降，但用戶側水溫仍然較高，此時，系統蒸發溫度降低，冷凝溫度升高，制熱性能有所下降.該過程空氣能提供的總換熱量為25.122 MJ.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖4 SIASHP系統與ASHP系統的換熱量對比Fig.4 SIASHP system heat exchange compared with that of ASHP systems

SIASHP系統的太陽能集熱量增長趨勢變緩，空氣能換熱量增加，其增長速率逐漸變小.SIASHP未開啟，SIASHP系統運行模式為太陽能熱水系統.隨著太陽輻射照度的先增后減，該系統太陽能/空氣能蒸發集熱器的單位時間的集熱量逐漸變少，增長趨勢變緩.這一階段夏季的集熱量QU為6.245 MJ，占總換熱量的24.86%，冬季最冷時的集熱量為1.131 MJ，占總換熱量的4.5%.SIASHP于空氣高溫段(14:00-15:00)開啟，SIASHP系統運行模式為太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統，由太陽能和空氣能聯合供熱.此時，環境溫度先升后降，太陽輻射照度逐漸地減弱.

由此可以發現，當環境溫度下降時，用戶側水溫較高，空氣能換熱量出現與ASHP系統相同的變化趨勢.上述過程中，太陽能與空氣能提供的總換熱量為25.122 MJ,夏季太陽能/空氣能蒸發集熱器的總集熱量為7.686 MJ，占總換熱量的30.6%；冬季總集熱量為1.507 MJ，占總換熱量的6%.

3.2水溫變化分析

通過模擬得到SIASHP系統和ASHP系統用戶側水溫變化，如圖5所示.由圖5可知：冬季工況與夏季工況相比，冬季工況的環境溫度低，系統蒸發溫度低，因此，系統熱水溫升速率整體更慢.SIASHP系統用戶側水溫隨著時間的推移先緩慢上升，于14：00-15：00后快速升高.這是因為SIASHP還未開啟時，水溫上升的熱量由太陽能集熱量提供，上升速率緩慢，故夏季檢測水溫提升10 ℃，冬季水溫提升為1.8 ℃.14：00-15：00，SIASHP開啟，水溫上升的熱量由太陽能集熱量和空氣能換熱量共同提供.在兩個階段中，夏季太陽能集熱量共將水溫提升了12.24 ℃，冬季共提升了2.4 ℃，這部分能量無需耗電.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖5 SIASHP系統與ASHP系統的用戶側水溫變化對比Fig.5 SIASHP system userside water temperature changes compared with that of ASHP systems

3.3COP值分析

通過模擬得到SIASHP系統和ASHP系統的COP值變化對比，如圖6所示.由圖6可知：兩系統COP值均隨著時間變化逐漸降低.熱泵啟動初期，制冷劑大部分儲存在冷凝器、儲液罐中；用戶側水溫較低，即熱泵的冷凝溫度較低，此時，COP值呈現瞬時凸高狀態；隨著太陽輻射照度的減弱，環境溫度的先升高后降低及水溫的逐漸升高，系統COP值隨之降低.冬季與夏季相比，太陽輻射照度弱，環境溫度低，因此，系統COP值降低更快.

(a) 夏季工況 (b) 冬季工況圖6 SIASHP系統與ASHP系統的COP值變化對比Fig.6 SIASHP system COP value compared with that of ASHP systems

研究發現，SIASHP系統的COP值高于ASHP系統的COP值.夏季工況下，SIASHP系統平均COP值為6.026，較ASHP系統的4.18提高44.16%；冬季工況下，SIASHP系統平均COP值為3.25，較ASHP系統的3.05提高6.56%.SIASHP系統相對于ASHP系統有部分能量是由太陽能提供的，無需耗電，故SIASHP系統的COP值比ASHP系統高.冬季SIASHP系統COP值較ASHP系統高，還因為SIASHP系統吸收了太陽能輻射熱，太陽能/空氣能蒸發集熱器周圍溫度升高緩解了空氣能換熱結霜的問題.

通過式(4)對耗電量計算可知：夏季工況的SIASHP系統耗電量為1.158 kW·h，比ASHP系統的1.668 kW·h降低30.6%；冬季工況的SIASHP系統耗電量為2.15 kW·h，比ASHP系統的2.29 kW·h降低6%.

4 結論

1) 文中提出太陽能/空氣能蒸發集熱器，并構建太陽能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統.該系統占地面積小，能源利用效率高.經過模擬分析得出：在太原地區該系統能實現多種運行模式，保證系統高效穩定運行，節能效果顯著，可緩解冬季空氣能換熱蒸發器結霜的問題.

2) 在太原地區夏日工況下，SIASHP系統的平均COP值為6.026，較ASHP系統提高44.16%，耗電量為1.158 kW·h，較ASHP系統降低30.6%.在太原地區冬季工況下，SIASHP系統的平均COP值為3.25，較ASHP系統提高6.56%；耗電量為2.15 kW·h，較ASHP系統降低6%.

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(責任編輯： 陳志賢英文審校： 劉源崗)

PerformanceAnalysisofSolarEnergyCouplingWithAirSourceHeatPumpIntegrationHotWaterSysteminTaiyuanArea

LI Zhen， TIAN Qi， DONG Xu

(College of Environment Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Jinzhong 030600， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201612014

2016-12-07

田琦(1966-)，男，教授，博士，主要從事暖通空調節能技術及可再生能源利用的研究.E-mail:412559908@qq.com.

國家國際科技合作專項(2013DFA61580)

TU 822.2(225)

A

1000-5013(2017)05-0670-06