太陽能-空氣源復合熱泵熱水器的性能分析

◎ 張 璽，張瑞杰

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著經濟的快速發展，高耗能帶來的能源和環境問題日益突出，建筑能耗中供暖和空調系統能耗占比高達60%。熱泵技術可以將環境中低品位能提升為可利用的高品位能，具有方便高效、節能環保等優點。李正[1]對不同環境溫度工況下跨臨界CO2空氣源熱泵進行模擬與試驗數據對比分析，結果表明，當氣冷器出口溫度一定時，環境溫度越高，系統COP越大；當環境溫度一定時，氣冷器出口溫度越低，系統COP越大。對于以上海為代表的夏熱冬冷地區，使用CO2熱泵供熱年度運行成本將比燃煤鍋爐節省18.8%，比壁掛燃氣爐節省20.1%。俞慶等[2]對二氧化碳空氣源熱泵系統混合工質進行研究，結果表明，CO2/R41混合制冷劑系統的COP比純CO2系統提高7%；在蒸發溫度為-5 ℃，氣冷器出口溫度為45 ℃時，CO2/R41系統的單位制冷量增加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能、冷卻特性等展開研究，結果表明，在溫度為7.7 ℃時，系統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，發現系統可以提供高達90 ℃的熱水，并且系統的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進行分析，發現太陽能-空氣源熱泵系統相比單獨使用空氣源熱泵、電鍋爐系統設備，其節能效果更好。李旭林等[6]發現太陽能與空氣源熱泵耦合系統能有效提高冬季空氣源熱泵工作效率，并提出以雙源蒸發器為核心部件新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統，實現能源的T級利用，解決了嚴寒地區清潔供暖問題。高雅潔等[7]提出太陽/空氣能集熱蒸發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-空氣源熱泵系統的不同連接形式進行模擬分析，利用太陽能作為系統的輔助熱源，與空氣源熱泵串聯后系統更加穩定節能。王德闖[9]針對濟寧市民建筑的供暖系統進行改造，設計的太陽能輔助空氣源熱泵系統節能效果提高36.8%。孫茹男等[10]對空氣源熱泵供暖技術進行分析，結果表明，空氣源熱泵通過多熱源輔助、補氣增焓等技術優化后，系統COP提升效果顯著。何璇[11]通過仿真軟件構建槽式太陽能集熱器與CO2空氣源熱泵復合供暖系統進行分析，結果表明，復合供暖系統在集熱溫度為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進行能效分析，結果表明，空氣源熱泵單獨承擔供暖負荷時，季節能效系數為2.48；其與太陽能集熱器耦合共同承擔供暖負荷時，季節能效系數為2.7，運行能效提高8.9%。

1 試驗內容

1.1 太陽能-空氣源復合熱泵系統原理

太陽能-空氣源復合熱泵是將太陽能和空氣源熱泵相結合，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所需，既可以彌補空氣源在低溫環境下換熱不足的缺點，也可以通過融霜來提高空氣源熱泵的系統性能。在陰雨天氣，通過空氣源側的換熱來彌補太陽能在陰雨天氣狀況下的不足。太陽能-空氣復合熱源熱泵系統原理如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣復合熱源熱泵系統原理圖

由圖1可知，空氣源熱泵系統原理是關閉閥門1、2，關閉三通閥1、2、3，熱源從空氣側進入到蒸發器，蒸發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，高溫熱水供給用戶，低溫高壓制冷劑進入節流裝置進行降壓，低壓低溫的液態制冷劑流回蒸發器，進行再次循環。

太陽能-空氣源復合熱泵系統原理是開啟閥門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，換熱后的低溫乙二醇溶液通過閥2返回。蒸發器同時吸收太陽能和空氣側的熱量，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，高溫熱水供給用戶，制冷劑進入節流裝置進行降壓，然后再流回蒸發器。

1.2 試驗裝置

本試驗利用恒溫恒濕實驗室內的雙熱源復合熱泵實驗臺，對機組進行性能測試。實驗臺如圖2所示。如圖3所示，結構參數見表2。

表2 雙熱源復合換熱器結構參數表

圖2 雙熱源復合熱泵室內機與室外機圖

圖3 雙熱源復合換熱器結構圖

本試驗使用的壓縮機型號為SG1675V-B6CT，容量為1 HP，轉速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，冷凝器結構參數見表1。蒸發器為雙熱源復合換熱器，結構

表1 冷凝器結構參數表

1.3 試驗測試方法

本試驗模擬雙熱源復合熱泵機組運行時的室內環境和室外環境，將雙熱源復合熱泵系統的室內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境溫度和干濕度，模擬室內側的試驗房間由3臺SHP制冷機以及加熱加濕裝置控制環境狀態；模擬室外側的試驗房間由3臺SHP和1臺3HP制冷機以及加熱加濕裝置控制環境狀態，根據試驗所需的具體工況，選擇開啟的機組臺數。試驗流程如圖4所示。試驗數據測量采集系統為自動化自動測量采集方式，根據國家標準GB/T 2903—1998規定，溫度測量由經校準的2×0.3 mm T型熱電偶完成；被測機組的電參數由8967B型采集器采集，各種溫度參數或者模擬信號由Agilent 34970A型采集器采集，采集的各項數據傳送電腦，采集時間間隔15 s，實時記錄試驗數據。

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濟流速和與空氣供熱量適度平衡的原則，流量設置為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 結果與分析

2.1 額定低溫制熱工況

圖5 表示在環境溫度為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-空氣源復合熱泵與單一空氣源熱泵系統制熱模式下的制熱量、COP及用戶側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制熱量為1 960 W，COP為2.2。太陽能-空氣源復合熱泵系統制熱量與COP均高于單一空氣源系統制熱量與COP，雙源熱泵系統制熱量與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，用戶側出水溫度先升高再降低；進水溫度10 ℃時，雙熱源熱泵系統的末端出水溫度提升27.6%。在室外環境溫度2 ℃的額定低溫制熱工況下，太陽能-空氣源復合熱泵系統性能更優。

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

2.2 最小制熱工況

圖6 表示環境溫度為-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-空氣源復合熱泵與單一空氣源熱泵系統制熱模式下的制熱量、COP及用戶側出水溫度隨太陽能熱水進水流量而變化。

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

由圖6（a）、（b）可知，單一空氣源熱泵系統制熱量為1 750 W，COP為2.1。太陽能-空氣源復合熱泵系統制熱量與COP均高于單一空氣源系統制熱量與COP，雙源熱泵系統制熱量與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，用戶側出水溫度先升高再降低；進水溫度1 ℃時，雙熱源熱泵系統的末端出水溫度提升22.1%。在室外環境溫度-5 ℃的最小制熱工況下，陽光不充足時，選用太陽能-空氣源復合熱泵系統。

2.3 超低溫制熱工況

圖7 表示環境溫度為-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-空氣源復合熱泵與單一空氣源熱泵系統制熱模式下的制熱量、COP及用戶側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制熱量為1 650 W，COP為1.8。太陽能-空氣源復合熱泵系統制熱量與COP均高于單一空氣源系統制熱量與COP，雙源熱泵系統制熱量與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，雙熱源熱泵系統制熱量提升顯著，提升了36.4%；系統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，用戶側出水溫度先升高再降低，進水溫度-3 ℃時，雙熱源熱泵系統的末端出水溫度提升22.2%。在室外環境溫度-11 ℃的超低溫制熱工況下，且陽光不充足時，選用太陽能-空氣源復合熱泵系統。

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

3 結論

（1）與單一空氣源熱泵系統比較，太陽能-空氣源復合熱泵系統的制熱量與COP都有所提升，用戶側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，系統制熱量提升幅度最大，分別提升37.1%、36.4%，系統COP分別提升21.4%、25%。

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