直膨式太陽能空氣源熱泵制熱的實(shí)驗(yàn)研究

榮維來 許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn) 戴 晗

（北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）

0 引言

隨著化石燃料的減少以及環(huán)境污染的加劇，節(jié)能減排已經(jīng)成為能源領(lǐng)域的重要任務(wù)，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(shù)國家都在加大對(duì)太陽能的研究與利用。根據(jù)專家預(yù)測，直到2050年左右，太陽能將在全球產(chǎn)能中占比達(dá)到30%，在本世紀(jì)末將取代核能成為世界第一能源。但太陽能不穩(wěn)定，受天氣的影響比較大。比如在陰雨天氣，太陽輻射強(qiáng)度達(dá)不到要求，太陽能板的集熱效率會(huì)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(shù)，通過逆卡諾循環(huán)將低品位的熱能變成高品位熱能，既可以減少能源浪費(fèi)，又具有節(jié)能減排特性。將太陽能與熱泵相結(jié)合，構(gòu)造出太陽能空氣源復(fù)合式熱泵，滿足全天氣溫條件下用戶的熱量需求，同時(shí)達(dá)到更高的節(jié)能效果。

制冷劑作為集熱介質(zhì)直接在太陽能集熱器中吸熱蒸發(fā)，在冷凝器中釋放冷凝熱用來供熱，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)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(fā)器，研發(fā)出新型太陽能-空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)，對(duì)太陽能供熱模式和雙熱源供熱模式下系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行研究[3]。劉朋等人使用DeST 進(jìn)行全年能耗模擬，以此基礎(chǔ)上確定太陽能集熱器面積及熱泵規(guī)格，計(jì)算太陽能、空氣源熱泵、電鍋爐3 種系統(tǒng)設(shè)備的最初投資及運(yùn)行的成本費(fèi)用，結(jié)果表明，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)相比于其他兩系統(tǒng)節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)異[4]。徐嘉等人編制了一套軟件對(duì)太陽能－空氣源熱泵多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行分析[5]。佟健南等人提出了一種太陽能與空氣源雙蒸發(fā)器熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足建筑的供熱、供冷、熱水和部分電力的供應(yīng)需求，根據(jù)用戶的不同需求實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式的自由切換[6]。孟欣分別設(shè)計(jì)和搭建了兩套系統(tǒng)：一套是傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)，另一套是基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)，利用兩套系統(tǒng)為住宅供暖和提供全年生活熱水，對(duì)兩種系統(tǒng)方案進(jìn)行建模，對(duì)其全年運(yùn)行工況進(jìn)行模擬和對(duì)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(lián)運(yùn)行以獲取熱水，效率顯著提升[9]。關(guān)欣等人搭建了直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，解苗苗等人在此基礎(chǔ)上總結(jié)了內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)對(duì)直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能的影響，針對(duì)不同影響因素，給出了多種提高直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能的控制[10]。

上述研究主要對(duì)單一太陽能熱源的熱泵運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)太陽能和空氣源相結(jié)合的系統(tǒng)沒有深入研究，單一熱源的熱泵系統(tǒng)和太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的對(duì)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(jié)合起來，搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別測試以太陽能為單一熱源的熱泵系統(tǒng)和太陽能和空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)，對(duì)比數(shù)據(jù)可為相關(guān)研究提供參考。

1 系統(tǒng)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(fā)器、壓縮機(jī)、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(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓后的工質(zhì)流入集熱器中吸收太陽能直接蒸發(fā)，制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)吸入，壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸汽。壓縮機(jī)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(jīng)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(fā)。

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

2 實(shí)驗(yàn)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(zhì)。本文選擇平板式太陽能集熱器作為系統(tǒng)太陽能端蒸發(fā)器，集熱器面積采用如式（1）計(jì)算：

式中：Aa為太陽能集熱板的總面積，m ；Qload為建筑熱水負(fù)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(qū)集熱器采光面上的太陽輻射強(qiáng)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(jìn)行集熱面積匹配計(jì)算。北京地區(qū)冬季晴天的最大太陽輻射強(qiáng)度約為750W/m 。全年工況變化范圍內(nèi)的平均制熱性能系數(shù)COP 取3，壓縮機(jī)功率2.3kW，則平均熱水負(fù)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(shù)據(jù)代入集熱面積計(jì)算公式可得到，總集熱面積取9.6m 可基本滿足該系統(tǒng)全年工況下正常運(yùn)行的集熱要求。

制冷劑選用R22，壓縮機(jī)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(shè)有用于降溫的風(fēng)冷換熱器、兩個(gè)風(fēng)扇及循環(huán)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(jī)、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(jī)部分實(shí)物圖Fig.4 Picture of compressor parts

表1 實(shí)驗(yàn)部件明細(xì)Table 1 Details of experimental components

測試在北京地區(qū)的2021年3月進(jìn)行，分兩步：（1）只開啟太陽能集熱器作為單一熱源蒸發(fā)器時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。（2）太陽能集熱器與空氣源風(fēng)冷換熱器同時(shí)開啟，考察系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。兩種模式實(shí)驗(yàn)都是從早上9:00 開始到晚上17:00 結(jié)束。通過溫度傳感器、太陽輻射強(qiáng)度測量表、壓力傳感器、功率表等實(shí)驗(yàn)器件分別測量出環(huán)境溫度、水箱進(jìn)出水溫度、太陽輻射強(qiáng)度、壓縮機(jī)吸排氣壓力和功耗等參數(shù)，計(jì)算得出能夠反映直膨式太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)熱力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括系統(tǒng)制熱量Q、制熱COP。

系統(tǒng)制熱量采用如式（2）計(jì)算：

式中：Q為系統(tǒng)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(jìn)出水溫差，℃。

系統(tǒng)的COP采用如式（3）計(jì)算：

式中：Q為系統(tǒng)制熱量，kW；W為壓縮機(jī)耗功，kW。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度和室外溫度的變化，時(shí)間為上午9:00 至下午17:00。由圖可知，太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最高點(diǎn)出現(xiàn)在中午至下午時(shí)段，最高太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到882W/m，最高室外溫度為16.5℃。因?yàn)橹形缰料挛珉A段是一天之中太陽強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)候，此時(shí)太陽能板可以吸收較多的太陽能。通過計(jì)算得到平均太陽輻射強(qiáng)度為610W/m，平均室外環(huán)境溫度為15℃。太陽輻射強(qiáng)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(qiáng)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(tǒng)制熱量、壓縮機(jī)耗功隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖7可知，晴天工況下系統(tǒng)運(yùn)行1 小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，冷凝器持續(xù)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(jī)一直處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，所以壓縮機(jī)做功變化較為穩(wěn)定。系統(tǒng)制熱量呈先增大后減小最終趨于平緩的規(guī)律。中午太陽輻射強(qiáng)度較高，系統(tǒng)整體運(yùn)行效果比較好，因此系統(tǒng)制熱量最大值出現(xiàn)在中午13:00，為9kW，壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行耗功始終維持在2.2kW 左右。陰天工況下，系統(tǒng)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(qiáng)度，系統(tǒng)制熱量不理想。這同時(shí)也體現(xiàn)了以太陽能為單一熱源式的不足。

圖7 系統(tǒng)制熱量和壓縮機(jī)耗功隨時(shí)間的變化Fig.7 Change of system heat and compressor power consumption with time

圖8所示為系統(tǒng)瞬時(shí)制熱COP 隨時(shí)間的變化。由圖8可知，晴天時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度高，制熱量大，系統(tǒng)的COP 在3.0～3.6 之間，平均COP 為3.4；陰天時(shí)太陽輻射強(qiáng)度小，制熱量小，系統(tǒng)的COP 在2.0～3.3 之間，平均COP 為2.35。晴天工況下，系統(tǒng)制熱COP 整體變化較為穩(wěn)定。隨著壓縮機(jī)做功和太陽能集熱器集熱過程的進(jìn)行，系統(tǒng)運(yùn)行期間的平均制熱性能隨著室外溫度變化呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在13:00，波幅相對(duì)較小。陰天工況下，剛開始加熱運(yùn)行時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度不高，系統(tǒng)的制熱COP 相對(duì)較低，但隨著時(shí)間的推移逐漸升高，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。兩種工況下系統(tǒng)制熱COP 的波動(dòng)規(guī)律和系統(tǒng)制熱量的變化基本一致，但波幅相對(duì)較小。

圖8 系統(tǒng)瞬時(shí)制熱COP 隨時(shí)間的變化Fig.8 System instantaneous heating COP changes with time

圖9所示為壓縮機(jī)吸氣、排氣壓力隨時(shí)間的變化。由圖9可知，陰天和晴天的吸氣壓力都很穩(wěn)定，制冷劑在吸收太陽能集熱器的熱量后，變?yōu)闇囟认鄬?duì)穩(wěn)定的氣體，因此對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)吸氣壓力比較穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，制熱量呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，對(duì)應(yīng)的排氣溫度也呈相同趨勢，所以排氣壓力先升高，后趨于穩(wěn)定。晴天時(shí)的壓比變化在0.8～3.7 之間，陰天時(shí)壓比變化范圍是2.8～4.4 之間。

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

3.2 雙熱源系統(tǒng)制熱性能

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

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

圖11 所示為系統(tǒng)制熱量、壓縮機(jī)耗功隨時(shí)間的變化。由圖11 可知，兩種天氣狀態(tài)下，系統(tǒng)制熱量均呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的變化規(guī)律，變化趨勢基本一致。晴天時(shí)系統(tǒng)制熱量最高升至9.7kW，陰天最高達(dá)到8.4kW。系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功始終維持在2.2kW 左右。晴天工況下午13:00～14:30 時(shí)，制熱量較大且耗功較少，這是由于系統(tǒng)在雙熱源工作時(shí)該時(shí)段系統(tǒng)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(tǒng)空氣源熱泵循環(huán)的制熱量負(fù)擔(dān)越輕，復(fù)合系統(tǒng)非常有利于提高供熱裝置的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能減排。

圖11 系統(tǒng)制熱量、壓縮機(jī)耗功隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of system heating capacity and compressor power consumption with time

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

圖12 系統(tǒng)瞬時(shí)制熱COP 隨時(shí)間的變化Fig.12 System instantaneous heating COP changes with time

4 結(jié)論

本文將太陽能熱泵和空氣源熱泵結(jié)合起來，搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)分為以太陽能為單一熱源的熱泵系統(tǒng)和太陽能和空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以太陽能為單一熱源的熱泵系統(tǒng)在晴天、陰天兩種工況下均可達(dá)到設(shè)定水溫并平穩(wěn)運(yùn)行。晴天時(shí)，系統(tǒng)制熱量呈現(xiàn)先增大后減小最終趨于平緩的規(guī)律，最大值出現(xiàn)在中午13:00，為9kW，系統(tǒng)的COP 在3.0～3.6 之間，平均COP 為3.4；陰天時(shí)，系統(tǒng)制熱量變化范圍為3.5kW～8.9kW，系統(tǒng)的制熱COP 在2.0～3.3 之間，平均COP 為2.35，相對(duì)晴天工況有明顯降低。雙熱源供熱時(shí)，兩種天氣狀態(tài)下，系統(tǒng)制熱量均呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的變化規(guī)律。晴天時(shí)系統(tǒng)制熱量最高升至9.7kW，制熱COP 最大為4.3；陰天時(shí)系統(tǒng)制熱量最高達(dá)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(shí)的制熱COP。