太阳能复合能源空调热水系统中热泵系统换热性能的试验研究

李 晨郑祖义,陈焕新金听祥

开发新能源，利用可再生能源，提高能源利用率，建设节约型社会是21世纪重要课题之一。目前我国家用热水器主要以电热水器、燃气热水器以及太阳能热水器为主，家用空调也主要采用的传统的空调系统。单一热水或者单一制冷已经无法满足人们的复合要求，所以迫切需求一种功能集成，节能高效的新型系统。

目前，国内外已有一些研究机构和大学，对空调系统与热水系统的结合进行了试验性研究和产品开发。Chyng等人[1]对一种整体式太阳能热泵型热水系统进行了数值模拟和试验研究，在循环冷凝侧采用“制冷剂-水”的虹吸式热交换器加热热水，实验结果表明下午15 ，雨天出水温度可达61℃，晴天出水温度可达68℃。Hawlader等[2]设计制造了一种太阳能辅助热泵干燥和热水系统，该系统的COP最大可达6.0，蒸发/集热器的效率可达0.8。王巧丽等[3]人研制了双热源空调-热水器一体机并对其进行试验研究，其中水源蒸发器工作 系统的COP平均值为3.56，空气源蒸发器工作 的COP平均值为2.51。季杰等[4]也对空调-热水器一体机进行了试验研究，并进行了仿真模拟，制冷和制热水同 协调运行 ，其系统平均能效比可达3.5。李舒宏等[5]研究的太阳能热泵热水装置，将太阳能系统和热泵系统结合，实现制冷和制热水功能，试验得到系统能效比最大可达3.85，平均在3.0以上。在热泵系统的改造上，采用热回收装置的热泵系统成为国内外学者的研究热点[6-11]，同样具有良好的节能效果和经济效益。

这里研究的太阳能复合能源空调热水系统是采用一种新型的系统结构将太阳能热水系统和热泵空调热水系统相结合，夏季通过室内的蒸发器降低室内温度和湿度，并可以同 利用冷凝器散热和太阳能提供生活热水。冬季不需要室内降温降湿的情况下，可以利用热泵与太阳能提供生活热水。系统主要通过太阳能系统提供热水，由于太阳能辐射表现为夏季充足和冬季不足的特点，当太阳能辐射充足 ，直接通过太阳能热水系统提供生活热水，当太阳能辐射不足 ，启动热泵系统辅助制热，因此太阳能复合能源空调系统克服了单一太阳能热水系统的季节问题[12-14]。

1 系统组成

这里研究的太阳能复合能源空调系统由太阳能热水子系统，热泵空调热水子系统组成。太阳能子系统包括集热器、保温水箱等；热泵空调热水子系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置，以及带有盘管换热器的保温水箱，循环水泵等(如图1所示)。

图1 太阳能复合能源空调热水系统原理图Fig.1 Schematic diagram of solar-assisted air-conditioner with water heater

太阳能复合能源空调热水系统，是利用水冷冷凝器的形式回收空调冷凝热，并用于生活热水的初级加热，利用太阳能对生活热水进行二级加热供全年生活热水使用。

该系统将太阳能热水器与传统蒸汽压缩式家用空调进行有机结合:在压缩机的排气侧，用一个“水-制冷剂”的排气换热器替代了原有的“空气-制冷剂”的换热器，提高进入太阳能集热器的用户侧回水温度。

由于系统将传统空调系统的室外“空气-制冷剂”换热器改为“水-制冷剂”的排气换热器。因此，在制冷过程中，原来制冷工质应与室外空气进行热交换而向外界排出冷凝热，而现在该过程转换成与冷水进行热交换以加热家庭热水，从而将原来需排向室外空气的冷凝热加以利用，起到了热回收的作用，得到较高的系统能效比。

2 试验装置及方法

试验主要研究的是太阳能复合能源空调热水系统中的热泵空调热水子系统，即太阳能热水系统不工作或者太阳能能量不足的情况下的三种模式的换热效率及影响因素，三种模式之间的转换通过电磁阀的开闭来控制实现。

2.1 试验装置

试验样机选用KK-AW4517YK活塞式压缩机，其标定制冷量:2150/4298W；标定输入功率:1050/1487W；锁定电机电流:35/35A；额定负载电流:4.9/6.8A；标定COP:2.05/2.89W/W；CS-51H3A-P75A挂式室内机，其采用4流程蒸发器，出风量》800m3/h;循环水泵采用20PLBR14-4屏蔽增压泵，其扬程额定4m，最高5.5m，流量额定14L/min，最大30L/min，输入功率100W；室外机采用制冷剂回路与水回路路并行的6流程冷凝器；节流装置采用热力膨胀阀；循环水箱采用80L的承压保温水箱。

系统额定制冷量:3500W，额定制热水能力:250L/h；系统采用制冷剂:R134a，冲注量:2840g，环境工况空气侧干球温度:27℃，空气侧湿球温度:19℃，热水侧干球温度:35℃，热水侧湿球温度:24℃，环境压力为标准大气压，进水水温为19℃。

2.2 系统各模式原理及试验方法

1)单独制冷模式原理:制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱里冷凝放热给水，水再进过风冷水循环通过室外换热器将热量排放到室外。

2)单独热水模式原理:制冷剂通过室外换热器吸收室外环境环境热量，经过压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱中放热给水从而提供生活热水。

3)制冷兼热水模式原理:制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，同 通过水冷冷凝器在热泵水箱里冷凝放热给水来提供生活热水。

热泵空调热水系统在焓差试验室中进行试验，实 记录各项性能参数，其中循环水流量通过手动调节循环水泵控制阀控制，并取平均流量值作为记录。

3 试验结果及分析

对热泵子系统各模式下的各项性能参数进行分析，并通过下式(1)计算得出系统各模式下的能效比COP，并对影响COP的各项因素进行比较分析。

式中:Q在计算制冷COP ，为系统制冷量，W；计算热回收COP ，为系统单位 间回收热生成的热水所含热量，W；计算热水COP ，为系统单位 间的出热水所含热量，W；W为系统总的输入功率，W。

3.1 单独制冷模式

图2 能效比随循环水流量变化Fig.2 Performance coef fi cients in refrigeration mode

图3 排气压力、回气压力随循环水流量的变化Fig.3 Pressure variation in refrigeration mode

由图2可知，系统制冷量、热回收性能系数、制冷性能系数、系统总性能系数COP值都随着循环水流量的增大呈现出先微升高后降低的趋势，但总体仍随着循环水流量的增大而升高，热回收量越大，系统总性能系数COP值越大，制冷性能系数也随着热回收量的增大而增大。随着热回收量的提高，冷凝热逐渐减小，从而减轻风冷式冷凝器的负担，降低机组输入功率，从而提高系统机组性能。

表1 排气压力与回气压力之比与循环水流量的对应关系Tab.1 the ratio of discharge pressure to suction pressure

从图3可以看出，由于循环水流量3.5～4.5kg/min 回气压力相对较高，在循环水流量为4.2kg/min 回气压力最高，排气压力与回气压力之比也最小(如表1)，由于制冷系数与排气压力和回气压力之比成反比，所以系统的热回收性能系数、制冷性能系数、系统总性能系数COP在循环水流量3.5～4.5kg/min 呈现出微升后降得趋势，并在循环水流量4.2kg/min 达到最高COP值5.34，远高于国家一级能效标准3.2。

3.2 单独热水模式

3.2.1 静态加热

热泵空调热水子系统运行单独制热模式静态加热，即水箱满水，无进水和出水，水箱中的水从初始温度加热到规定温度。

图4 出水温度随时间的变化Fig.4 Water temperature variation in water heater mode

如图4所示，系统运行单独加热模式静态加热80L水，压缩机启动后水温从19℃连续加热到55，压缩机停机。此过程耗 18分钟左右，温度随 间变化呈平稳的一次线性关系，平均加热速率为2℃/min，实际制热水能力为266L/h。

由图5还可以看出，系统从启动到停止，COP总体保持在5.0以上，压缩机启动 ，转矩较大，耗功多，所以在前2min，COP值较低，随着压缩机排气压力的升高，排气温度也也随着升高，COP值也随之升高，运行8min，由于水温快速上升，COP值高达6.4，在运行10min后，系统与环境换热趋于平衡，系统COP稳定保持在6.0左右，COP随 间的变换的整体趋势是先升高后下降，水温从19℃加热到55℃的18min 间里系统的COP为5.78，远远高于国家标准要求的 3.4。

图5 系统COP 随时间的变化Fig.5 COP variation with time in water heater mode

3.2.2 一次性加热

启动系统，同样运行单独热水模式，水箱满水，保持连续进水，温度稳定在19℃，通过控制进水流量和调节循环泵的手动调节阀，得到一个合适的出水流量，使得系统在一个恒定的出水温度连续出水，待系统稳定后，记录下系统各项性能参数，如下表2所示。

系统保持出水流量为2.65kg/min连续进水，出水保持41.18℃左右，能效比为2.55，与静态加热情况相比，在水箱水温为41.18℃左右 的能效比要低很多。由于连续进出水，需要将19 ℃的进水瞬 的加热到41.18℃温度出水，这一过程所消耗的能量高于静态加热需要消耗的能量，因此在输入功率相当的情况下，一次性加热的能效比更低。

表2 系统在热水模式下的各性能参数Tab.2 Performance rarameters of the system in water heater mode

3.3 制冷兼热水模式

表3 系统制冷兼热水模式下的各性能参数Tab.3 Performance Parameters of the system in Refrigeration and Water Heater Mode

由表3知在保证出水流量2.63kg/min，出水温度42.14℃的情况下，热水能效比为2.56、制冷能效比为1.94、系统总能效比为4.5，该模式下由于要保

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4 结论

1)太阳能复合能源空调热水系统是一种节能高效的空调热水系统，其制冷性能系数明显高于传统系统，总体性能COP值平均4.83，最高可达5.34，而单独热水模式下的静态加热瞬 能效比高达5.78。

2)系统换热器制冷剂流路的分路均匀性和系统水循环的流量大小是影响该系统整体性能系数COP的主要因素。

3)通过热泵空调热水系统和太阳能系统的有机结合，该系统在全年都能很好的满足制冷与生活热水需求。Longjun,Sheng Lili. The Technical Feasibility of Air-Source Heat Pump Heat Recovery Unit[J]. Energy Technology, 2006, 27(6):265-267.)

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