直膨式太陽能空氣源熱泵制熱的實驗研究

榮維來 許樹學 馬國遠 戴 晗

（北京工業大學 北京 100124）

0 引言

隨著化石燃料的減少以及環境污染的加劇，節能減排已經成為能源領域的重要任務，清潔能源的利用變得越來越重要[1]。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，世界上多數國家都在加大對太陽能的研究與利用。根據專家預測，直到2050年左右，太陽能將在全球產能中占比達到30%，在本世紀末將取代核能成為世界第一能源。但太陽能不穩定，受天氣的影響比較大。比如在陰雨天氣，太陽輻射強度達不到要求，太陽能板的集熱效率會非常低，不能滿足用戶的需求。熱泵是一種高效利用低品位熱源的技術，通過逆卡諾循環將低品位的熱能變成高品位熱能，既可以減少能源浪費，又具有節能減排特性。將太陽能與熱泵相結合，構造出太陽能空氣源復合式熱泵，滿足全天氣溫條件下用戶的熱量需求，同時達到更高的節能效果。

制冷劑作為集熱介質直接在太陽能集熱器中吸熱蒸發，在冷凝器中釋放冷凝熱用來供熱，該系統結構緊湊，無需防凍，制熱效率高。戴等建立了直膨式太陽能空氣源熱泵的仿真計算模型[2]。侯隆澍等人將平板微熱管光伏光熱組件改造為新型光伏光熱蒸發器，研發出新型太陽能-空氣雙熱源熱泵系統，對太陽能供熱模式和雙熱源供熱模式下系統的運行性能進行研究[3]。劉朋等人使用DeST 進行全年能耗模擬，以此基礎上確定太陽能集熱器面積及熱泵規格，計算太陽能、空氣源熱泵、電鍋爐3 種系統設備的最初投資及運行的成本費用，結果表明，太陽能空氣源熱泵系統相比于其他兩系統節能性與經濟性均優異[4]。徐嘉等人編制了一套軟件對太陽能－空氣源熱泵多能互補系統進行分析[5]。佟健南等人提出了一種太陽能與空氣源雙蒸發器熱泵復合供能系統，該系統可以滿足建筑的供熱、供冷、熱水和部分電力的供應需求，根據用戶的不同需求實現多種運行模式的自由切換[6]。孟欣分別設計和搭建了兩套系統：一套是傳統空氣源熱泵系統，另一套是基于太陽能補償的空氣源熱泵系統，利用兩套系統為住宅供暖和提供全年生活熱水，對兩種系統方案進行建模，對其全年運行工況進行模擬和對比分析[7]。Kjellsson 等人研究了太陽能集熱器和熱泵的連接方案各種組合的可能性[8]。Eslami等人研究了熱泵和太陽能集熱器并聯運行以獲取熱水，效率顯著提升[9]。關欣等人搭建了直膨式太陽能熱泵系統實驗臺，解苗苗等人在此基礎上總結了內部參數和外部參數對直膨式太陽能熱泵系統性能的影響，針對不同影響因素，給出了多種提高直膨式太陽能熱泵系統性能的控制[10]。

上述研究主要對單一太陽能熱源的熱泵運行性能進行了實驗，對太陽能和空氣源相結合的系統沒有深入研究，單一熱源的熱泵系統和太陽能空氣源熱泵系統的對比也缺乏較深入的分析。本文將太陽能熱泵和空氣源熱泵結合起來，搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實驗臺，分別測試以太陽能為單一熱源的熱泵系統和太陽能和空氣源雙熱源熱泵系統，對比數據可為相關研究提供參考。

1 系統原理

直膨式太陽能空氣源熱泵的工作原理如圖1所示。由太陽能集熱/蒸發器、壓縮機、套管換熱器、電子膨脹閥、蓄熱水箱等部件組成。工作過程如下：經電子膨脹閥節流降壓后的工質流入集熱器中吸收太陽能直接蒸發，制冷劑蒸汽被壓縮機吸入，壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸汽。壓縮機出口的制冷劑蒸汽流入套管式換熱器，釋放出的熱量用于制取生活用熱水或采暖，冷凝后的液體制冷劑經干燥過濾器和電子膨脹閥又流回太陽集熱板中重新吸熱、蒸發。

圖1 直膨式太陽能空氣源熱泵系統原理Fig.1 Principle of direct expansion solar air source heat pump system

2 實驗方法

太陽集熱器是直膨式太陽能空氣源熱泵的主要部件之一，通過吸收太陽輻射的能量，將能量傳遞給傳熱介質。本文選擇平板式太陽能集熱器作為系統太陽能端蒸發器，集熱器面積采用如式（1）計算：

式中：Aa為太陽能集熱板的總面積，m ；Qload為建筑熱水負荷能耗，W；f為太陽能保證率，變化范圍一般為0.3-0.8，本文取0.3；IT為北京地區集熱器采光面上的太陽輻射強度，W/m ；ηcd為集熱器的年平均熱效率，變化范圍一般為0.25-0.5，本文取0.5；ηL為蓄熱水箱和水管路的熱損耗，變化范圍一般為0.2-0.3，本文取0.28。

選擇氣候條件較差的冬季工況來進行集熱面積匹配計算。北京地區冬季晴天的最大太陽輻射強度約為750W/m 。全年工況變化范圍內的平均制熱性能系數COP 取3，壓縮機功率2.3kW，則平均熱水負荷能耗為6.9kW。太陽集熱器的平均集熱效率為0.8，晴天可吸收太陽能600W/m 。將數據代入集熱面積計算公式可得到，總集熱面積取9.6m 可基本滿足該系統全年工況下正常運行的集熱要求。

制冷劑選用R22，壓縮機額定輸入功率為2.3kW，冷凝器選用套管式換熱器，蓄熱水箱1m 。水箱下方設有用于降溫的風冷換熱器、兩個風扇及循環水泵，水溫和流量可以控制。太陽能集熱器朝向西南方，以55°角度傾斜安裝于室外屋頂上。空氣源熱泵主機、冷凝器以及蓄熱水箱放置在一層室外。

圖2 太陽能集熱板Fig.2 Solar collector panel

圖3 蓄熱水箱Fig.3 Heat storage water tank

圖4 壓縮機部分實物圖Fig.4 Picture of compressor parts

表1 實驗部件明細Table 1 Details of experimental components

測試在北京地區的2021年3月進行，分兩步：（1）只開啟太陽能集熱器作為單一熱源蒸發器時系統的運行性能。（2）太陽能集熱器與空氣源風冷換熱器同時開啟，考察系統的整體運行性能。兩種模式實驗都是從早上9:00 開始到晚上17:00 結束。通過溫度傳感器、太陽輻射強度測量表、壓力傳感器、功率表等實驗器件分別測量出環境溫度、水箱進出水溫度、太陽輻射強度、壓縮機吸排氣壓力和功耗等參數，計算得出能夠反映直膨式太陽能空氣源熱泵熱水系統熱力性能的評價指標，包括系統制熱量Q、制熱COP。

系統制熱量采用如式（2）計算：

式中：Q為系統制熱量，kW；C為水的比熱容，4.2kJ/（kg·℃）；m為水的流量，kg/s；Δt為水箱進出水溫差，℃。

系統的COP采用如式（3）計算：

式中：Q為系統制熱量，kW；W為壓縮機耗功，kW。

3 實驗結果與分析

圖5和圖6所示為晴天和陰天條件下，太陽輻射強度和室外溫度的變化，時間為上午9:00 至下午17:00。由圖可知，太陽輻射強度和環境溫度均呈現先升高后降低的趨勢，最高點出現在中午至下午時段，最高太陽輻射強度達到882W/m，最高室外溫度為16.5℃。因為中午至下午階段是一天之中太陽強度最強的時候，此時太陽能板可以吸收較多的太陽能。通過計算得到平均太陽輻射強度為610W/m，平均室外環境溫度為15℃。太陽輻射強度受陰天影響較大，最大值僅為241W/m，室外溫度影響較小，最高溫度為15.9℃。平均太陽輻射強度為158W/m 。

圖5 晴天工況Fig.5 Sunny working conditions

圖6 陰天工況Fig.6 Cloudy working conditions

3.1 太陽能單一熱源制熱性能

圖7所示為系統制熱量、壓縮機耗功隨時間的變化規律。由圖7可知，晴天工況下系統運行1 小時后達到穩定狀態，冷凝器持續放出熱量，水箱的溫度逐步上升，隨著冷凝器出口水溫的升高，冷凝器放熱量逐漸減小，壓縮機一直處于平穩運行狀態，所以壓縮機做功變化較為穩定。系統制熱量呈先增大后減小最終趨于平緩的規律。中午太陽輻射強度較高，系統整體運行效果比較好，因此系統制熱量最大值出現在中午13:00，為9kW，壓縮機平穩運行耗功始終維持在2.2kW 左右。陰天工況下，系統制熱量最低為3.5kW，最高為8.9kW，且平均值較低，缺少足夠的太陽輻射強度，系統制熱量不理想。這同時也體現了以太陽能為單一熱源式的不足。

圖7 系統制熱量和壓縮機耗功隨時間的變化Fig.7 Change of system heat and compressor power consumption with time

圖8所示為系統瞬時制熱COP 隨時間的變化。由圖8可知，晴天時，太陽輻射強度高，制熱量大，系統的COP 在3.0～3.6 之間，平均COP 為3.4；陰天時太陽輻射強度小，制熱量小，系統的COP 在2.0～3.3 之間，平均COP 為2.35。晴天工況下，系統制熱COP 整體變化較為穩定。隨著壓縮機做功和太陽能集熱器集熱過程的進行，系統運行期間的平均制熱性能隨著室外溫度變化呈現一定的波動，最大值出現在13:00，波幅相對較小。陰天工況下，剛開始加熱運行時，太陽輻射強度不高，系統的制熱COP 相對較低，但隨著時間的推移逐漸升高，最終達到相對穩定的狀態。兩種工況下系統制熱COP 的波動規律和系統制熱量的變化基本一致，但波幅相對較小。

圖8 系統瞬時制熱COP 隨時間的變化Fig.8 System instantaneous heating COP changes with time

圖9所示為壓縮機吸氣、排氣壓力隨時間的變化。由圖9可知，陰天和晴天的吸氣壓力都很穩定，制冷劑在吸收太陽能集熱器的熱量后，變為溫度相對穩定的氣體，因此對應的壓縮機吸氣壓力比較穩定。隨著時間的推移，制熱量呈先增大后趨于穩定的趨勢，對應的排氣溫度也呈相同趨勢，所以排氣壓力先升高，后趨于穩定。晴天時的壓比變化在0.8～3.7 之間，陰天時壓比變化范圍是2.8～4.4 之間。

圖9 壓縮機吸氣和排氣壓力隨時間的變化Fig.9 Variation of compressor suction and discharge pressure with time

3.2 雙熱源系統制熱性能

如圖10 所示為壓縮機吸氣和排氣壓力隨時間的變化。由圖可知，陰天和晴天的吸氣壓力都很穩定，和單一熱源模式下的趨勢相同。晴天時壓比變化范圍為2.09～3.6，同時排氣壓力也是呈先升高后趨于穩定的趨勢，但比單一熱源模式下的運行更穩定了。陰天時壓比變化范圍為3.5～4.79，排氣壓力有一定的波動，這和天氣變化有一定的關系。

圖10 壓縮機吸氣和排氣壓力隨時間的變化Fig.10 Variation of compressor suction and discharge pressure with time

圖11 所示為系統制熱量、壓縮機耗功隨時間的變化。由圖11 可知，兩種天氣狀態下，系統制熱量均呈現先增大后趨于平緩的變化規律，變化趨勢基本一致。晴天時系統制熱量最高升至9.7kW，陰天最高達到8.4kW。系統壓縮機耗功始終維持在2.2kW 左右。晴天工況下午13:00～14:30 時，制熱量較大且耗功較少，這是由于系統在雙熱源工作時該時段系統集熱吸收的太陽能輻射量越多，即太陽能供熱的配比較大，致使傳統空氣源熱泵循環的制熱量負擔越輕，復合系統非常有利于提高供熱裝置的經濟性及節能減排。

圖11 系統制熱量、壓縮機耗功隨時間的變化Fig.11 Variation of system heating capacity and compressor power consumption with time

圖12 所示為系統瞬時制熱COP 隨時間的變化。由圖12 可知，系統開始運行制熱COP 較低，隨著工作開始后壓縮機作功、太陽能集熱器集熱過程以及空氣源熱泵的同步進行，系統制熱COP 呈現上升趨勢，系統運行期間的平均制熱性能隨著室外溫度變化而呈現一定的波動。晴天工況下的系統瞬時制熱COP 始終高于陰天工況，且兩者呈現較為相似的變化趨勢。晴天時制熱COP 最高為4.3，陰天時制熱COP 最高為3.5。

圖12 系統瞬時制熱COP 隨時間的變化Fig.12 System instantaneous heating COP changes with time

4 結論

本文將太陽能熱泵和空氣源熱泵結合起來，搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實驗臺。實驗分為以太陽能為單一熱源的熱泵系統和太陽能和空氣源雙熱源熱泵系統。實驗結果發現，以太陽能為單一熱源的熱泵系統在晴天、陰天兩種工況下均可達到設定水溫并平穩運行。晴天時，系統制熱量呈現先增大后減小最終趨于平緩的規律，最大值出現在中午13:00，為9kW，系統的COP 在3.0～3.6 之間，平均COP 為3.4；陰天時，系統制熱量變化范圍為3.5kW～8.9kW，系統的制熱COP 在2.0～3.3 之間，平均COP 為2.35，相對晴天工況有明顯降低。雙熱源供熱時，兩種天氣狀態下，系統制熱量均呈現先增大后趨于平緩的變化規律。晴天時系統制熱量最高升至9.7kW，制熱COP 最大為4.3；陰天時系統制熱量最高達到8.4kW，制熱COP 最高為3.5，整體高于以太陽能為單一熱源工作時的制熱COP。