夏熱冬暖地區(qū)空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)試驗研究

王 宇，由世俊，孫穎楷，李志強

1 前言

作為新能源熱水器的兩大主力，太陽能與空氣源熱泵行業(yè)有著各自的優(yōu)勢。兩個行業(yè)在未來一段時間將以競爭與合作的關(guān)系并存。作為家庭用熱水解決方案，空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)將大大地拓展應(yīng)用空間［1］。夏熱冬暖地區(qū)具備較好的太陽輻照條件，但陰雨天氣相對太陽能資源較豐富的華北、西北地區(qū)較多，對于太陽能集熱裝置的全年運行效果具有顯著影響；而該地區(qū)全年氣溫多分布于空氣源熱泵熱水器的名義工況及高溫工況，因而具有較高的運行能效系數(shù)［2，3］。按照被動技術(shù)優(yōu)先、主動技術(shù)優(yōu)化的原則，空氣源熱泵與太陽能集熱裝置聯(lián)合供應(yīng)熱水的系統(tǒng)可滿足夏熱冬暖地區(qū)戶用熱水供應(yīng)的穩(wěn)定性同時保證較高的能源利用效率和較好的環(huán)境效益［4］。本文對屬于夏熱冬暖氣候特征的佛山地區(qū)空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)的運行性能進行跨季測試分析，旨在為該類熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行評價提供技術(shù)參考。

2 測試系統(tǒng)及試驗方法

2.1 測試系統(tǒng)

測試裝置流程如圖1所示，系統(tǒng)按照5～6人日用水量進行主要單元設(shè)備的選配，集熱回路選用了兩塊集熱面積1.79 m2的平板型集熱器（主要參數(shù)見表1），熱泵機組額定值熱量5.2 kW（主要參數(shù)見表2），蓄熱水箱300 L。熱泵連接水箱的循環(huán)回路、太陽能集熱循環(huán)回路均設(shè)置了流量測點及進出口溫度測點，水箱上、下部及自來水進口和熱水出口設(shè)置了溫度測點，上述測點通過數(shù)據(jù)采集器進行運行數(shù)據(jù)采集。同時設(shè)置了便攜式氣象數(shù)據(jù)測量裝置，記錄運行期間的氣象參數(shù)變化。對于熱泵機組及太陽能集熱回路循環(huán)泵還進行了用電量的監(jiān)測。

圖1 空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水試驗系統(tǒng)

表1 平板太陽能集熱器參數(shù)

表2 空氣源熱泵熱水器參數(shù)

2.2 測試方案

測試過程以每天為測試周期進行，按照日用水負荷分布進行放水，模擬生活用熱水時刻表如表3所示［5］。記錄生活熱水流量計的初始流量，打開生活熱水閥門，控制放水流量大約為6 L/min，計算放水量，放水結(jié)束后關(guān)閉放水閥門。

表3 日用水時刻分布

放水量計算式：

其中 ΔT =Tout-Ttap

式中 V ——測試系統(tǒng)水箱容積，L

ΔT1——設(shè)定出水溫度與自來水溫差，℃

n —— 一天中家庭時刻用熱水比例，%

ΔT —— 每個時段放水初始時出水溫度與自來水溫度差值，℃

Tout——生活熱水出口溫度，℃

Ttap——自來水溫度，℃

測試過程中，根據(jù)集熱器出口溫度與水箱下部溫度實測差值確定集熱回路循環(huán)泵起停（溫差大于4 ℃開啟，小于2 ℃停止），熱泵機組感測到水箱溫度低于45 ℃啟動，最高加熱至55 ℃停止。按照表1完成一天測試后，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)計算當(dāng)日熱泵機組、集熱單元的制熱量、耗電量，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)評價主要設(shè)備及整個系統(tǒng)的運行效率。

測試工況相關(guān)的性能指標(biāo)主要包括［6～15］：

集熱器日集熱得熱量：

式中 ms—— 集熱回路循環(huán)流量，kg/s

Cs—— 集熱器回路工質(zhì)比熱，kJ/（kg·℃）

θSin，θSout—— 集熱器進、出口溫度，℃

Δti——測試采樣間隔，s

日集熱效率：

式中 AS——集熱面積，m2

ri——逐時太陽輻射量，W/m2

熱泵日累計制熱量：

式中 mH—— 熱泵回路循環(huán)流量，kg/s

CH—— 熱泵回路循環(huán)水比熱，kJ/（kg·℃）

θHin，θHout—— 熱泵機組進、出口溫度，℃

熱泵日運行能效系數(shù)：

式中 EHPe—— 熱泵機組運行初時刻電能值，kW·h

EHPi—— 熱泵機組運行終時刻電能值，kW·h

系統(tǒng)日運行能效：

式中 Epumpe，Epumpi—— 集熱回路循環(huán)泵初時刻、終時刻電能值，kW·h

3 測試工況分析

日照非常充足的條件下，太陽能集熱單元完全能夠承擔(dān)測試系統(tǒng)預(yù)期的用水需求。圖2，3分別描述了日累計輻照量超過18 MJ/m2的天氣條件下集熱單元設(shè)備的逐時得熱情況及運行狀況。從圖中可以看出，14：20之前，集熱器測點溫度與水箱設(shè)置測點溫度之差始終保持在設(shè)定溫差之上，加熱回路循環(huán)泵持續(xù)運行，水箱溫度持續(xù)上升，此時刻前按照預(yù)期的用水不會影響水箱的熱量蓄存，水箱水溫持續(xù)升高，最高達到65.1 ℃；14：20之后，太陽輻射減弱，集熱器測點溫度與水箱設(shè)置測點溫度之差不能保持在設(shè)定溫差之上，加熱回路循環(huán)泵啟停頻繁，隨著用水量增加，水箱平均溫度梯級下降。全天累計用水294 L后，出水溫度仍可維持在60 ℃。

圖2 充足日照條件下輻照量及集熱得熱量變化情況

圖3 充足日照條件下集熱器運行情況

圖4 2種欠日照條件下復(fù)合熱水系統(tǒng)測試工況

多云或陰晴間歇的欠日照的條件下，熱泵制熱單元能夠進行有益補充，圖4表述了日累計太陽輻照量處于13～18 MJ/m2和8～13 MJ/m2天氣條件下兩類代表性的測試工況。

由圖可知，太陽輻照量處于13～18 MJ/m2的條件下，集熱器相比在8～13 MJ/m2天氣條件下的持續(xù)加熱較好，上午用水后水箱的分層現(xiàn)象不十分明顯（水箱上部測點溫度與水箱平均溫度差異較?。以?5：00后大量用水前基本上消除了水箱溫度分層現(xiàn)象（水箱上部測點溫度與水箱平均溫度趨于一致）；熱泵單元制熱工況集中在8：30之前以及16：00之后的用水高峰，且隨著輻照條件減弱，用水高峰時段需要增加熱泵運行時段。

少日照的天氣條件下，熱泵單元需要承擔(dān)用熱負荷。圖5描述了日累計輻照量＜5 MJ/m2條件下，系統(tǒng)熱水供應(yīng)的測試工況。圖中可知，由于日照條件較差，16：00后用水高峰之前，水箱分層已經(jīng)十分明顯，之后熱泵運行加熱水箱滿足了預(yù)期設(shè)計的較晚時段的用水需求。

圖5 少日照條件下復(fù)合熱水系統(tǒng)測試工況

圖6 描述了試驗測試期間太陽能日累計總輻照量和日集熱效率的分布情況。

圖6 集熱單元日集熱效率與日累計輻照量關(guān)系

從圖可看出，日累計輻照量＜5 MJ/m2條件下，日集熱效率多處于10%以下，日累計輻照量＞7.5 MJ/m2條件下，日集熱效率多處于30%～50%，測試工況經(jīng)歷8～11月份，集熱效率平均值為31.56%，與夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用情況相當(dāng)［9］。

測試期間按照預(yù)期的用水負荷時間表進行模擬用水，其中在最后時段用水時，若水溫不低于40 ℃延長放水，進一步考察熱水供應(yīng)能力。圖7描述了不同日照條件下復(fù)合熱水供應(yīng)系統(tǒng)的供熱能力及運行性能。由圖可知，日累計輻照量大于15 MJ/m2條件下，全天太陽能集熱效率可達40%以上，可提供55%～60%的制熱量；日累計輻照量9～14 MJ/m2條件下，全天太陽能集熱效率維持在30%上下，熱泵制熱量占比超過70%；日累計輻照量小于5 MJ/m2條件下，全天太陽能集熱效率較低，在12%以下，熱泵幾乎承擔(dān)全部制熱量。

圖7 不同日照條件下系統(tǒng)運行性能分析

圖8 描述了系統(tǒng)在提供不低于40 ℃熱水量390～395 L情況下，熱泵單元日能效水平及系統(tǒng)運行能效的變化趨勢。

圖8 相當(dāng)熱水供應(yīng)工況下熱泵單元能效水平及系統(tǒng)運行能效變化情況

從圖中可以看出，測試期間熱泵能效系數(shù)維持在4.4以上，最高可達6.07，平均能效水平達4.7以上；系統(tǒng)運行的綜合能效也隨著太陽能集熱單元集熱效果提升而增大，日累計輻照量大于10 MJ/m2條件下，系統(tǒng)運行能效具有顯著提升，日累計輻照量大于15 MJ/m2時，可達8以上，最高達10以上。

4 結(jié)論及建議

（1）日照充足條件下，即累計日輻照量大于18 MJ/m2時，集熱單元單獨運行一天，可提供40℃以上熱水近300 L，且用水后水箱平均溫度仍維持在50 ℃以上，說明該氣象條件下集熱單元具有足夠的制熱能力。

（2）欠日照條件下，即日累計太陽輻照量處于13～18 MJ/m2和8～13 MJ/m2時，滿足模擬用水負荷的情況下，熱泵單元制熱工況集中在8：30之前以及16：00之后的用水負荷高峰，且隨著輻照條件減弱，用水高峰時段需要增加熱泵運行的時段。

（3）少日照條件下，即累計日輻照量小于5 MJ/m2時，熱泵單元基本上承擔(dān)全部的用水制熱量，能效系數(shù)在4.4以上。

（4）日累計輻照量＜5 MJ/m2條件下，日集熱效率多處于10%以下，日累計輻照量＞7.5 MJ/m2條件下，日集熱效率多處于30%～50%。

（5）復(fù)合系統(tǒng)運行的綜合能效也隨著太陽能集熱單元集熱效果提升而增大，日照充足條件下系統(tǒng)綜合能效可達10以上，欠日照條件下，相對于熱泵單獨運行的條件可將能效提高10%～70%。

關(guān)于空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水供應(yīng)系統(tǒng)全年運行的綜合能效評價，一方面需要進行其它月份運行工況的測試，另一方面需要考慮自來水溫全年的變化對于用水負荷的影響，根據(jù)典型年氣象參數(shù)劃分復(fù)合系統(tǒng)的運行區(qū)間，分析各個運行區(qū)間日集熱效率及熱泵運行能效，最終評估全年的綜合能源利用效率，為空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)在不同氣候區(qū)域的適用性評價提供參考，同時為復(fù)合熱水系統(tǒng)的設(shè)備合理選型及優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

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