太阳能辅助空气源热泵冬季运行性能研究

崔晓月，张伟捷，晋浩，谭洪艳，张玉菡，吴金顺

(1.河北工程大学 城建学院，河北 邯郸 056038；2.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114000；3.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

太阳能辅助空气源热泵冬季运行性能研究

崔晓月1，张伟捷1，晋浩2，谭洪艳2，张玉菡1，吴金顺3

(1.河北工程大学 城建学院，河北 邯郸 056038；2.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114000；3.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

太阳能辅助空气源热泵有效地将两种可再生热源复合利用，实现了太阳能与空气热能的优势互补，本文主要介绍了太阳能辅助空气源热泵的系统组成、运行模式及原理。通过对华北科技学院太阳能辅助空气源热泵系统实验台的冷凝器进出口温度、室内温度、耗电量等相关参数进行实测，与普通空气源热泵和其他供暖方式进行对比分析，重点研究了该系统的实际节能性。结果表明:太阳能辅助空气源热泵耗电量与空气源热泵基本持平，但太阳能辅助空气源热泵的制热量高于空气源热泵，其白天模式制热量为空气源热泵的1.4倍，COP是空气源热泵的1.5倍；夜间模式与空气源热泵相比，制热量为其1.2倍，COP是其1.2倍。同时太阳能辅助空气源热泵的运行费用与碳排放与传统区域供暖方式也有所降低，因此是一种节能减排的供暖方式。

空气源热泵；太阳能；节能

0 引言

我国北方采暖一直以来多采取消耗高品位能源的方式，造成了其高能耗、低效率、重污染的特点。空气源热泵采暖以其清洁性，目前具有广泛应用。

空气源热泵作为一种以空气为低温热源，通过少量高位电能驱动，将空气中的低位热能提升成高位热能加以利用的装置,具有高效节能、环保无污染等特点。空气源热泵在环境温度相对较高时，具有良好的运行性能，但当冬季室外温度低于空气露点温度，并低于0℃时，室外蒸发器会出现结霜现象[1]。当霜层累积一定厚度时，会造成蒸发器传热性能减弱，并阻碍室外盘管间的气体流动[2]，造成机组制热量减少、供热性能系数降低。因此，在寒冷天气一般通过给热泵加设辅助设备来维持稳定足够的热量。而通过可再生能源代替传统能源是实现节能减排的重要手段之一。通过我国能源利用结构进行了分析，指出太阳能建筑一体化的热泵技术将会是今后发展的趋势[3]。而采用太阳能辅助热泵为最佳经济的运行方式，具有广阔的市场潜力与应用前景[4]。太阳能辅助热泵将热泵与太阳能联合，Jordan和Threlkeld最早提出该方式同时提高热泵的供热性能与太阳能集热器的热效率的观点[5]。该系统将两者结合起来，使其具有高效、节能、环保的特点，避免了空气源热泵在低温条件下运行存在的问题，提高了系统供暖可靠性。

低温太阳能辅助空气源热泵采暖系统的能效比是评价系统节能环保的重要指标和评价参数。本文以华北科技学院太阳能辅助空气源热泵系统为例，对其冬日供暖实验测试数据进行分析对比，计算该系统不同工况下的能效比，探讨该系统的实际节能性。

1 太阳能辅助空气源热泵系统组成与分析

1.1 系统介绍

该系统位于华北科技学院实验楼顶层，由空气源热泵系统改造而来，将原有电辅助改成太阳能辅助，由低温水循环环路和制冷剂循环环路组成。低温水循环环路即为太阳能辅助系统，其通过集热器获取太阳能热量，在通过板式换热器将热量交换出去，同时该系统还具有水箱，可以蓄热。制冷剂环路可以根据阀门的开关进行改变，可以实现单一空气源热泵和太阳能辅助空气源热泵两种模式。冬天时，室外空气温度较低，制冷剂通过板式换热器得到太阳能低温水中的热量，依次流经四通换向阀及压缩机到达室内机进行冷凝放热，放热后再次流入板式换热器构成制冷剂循环环路。在此模式下，板式换热器作为热泵的蒸发器，相比于空气源热泵其可以提高冬季热泵的蒸发温度，此次提高性能。图1为系统原理图，具体参数见表1。

图1 系统原理图

序 号名 称主要参数(功率、流量、面积、体积等)1太阳能集热器 真空管，蓄水量155L，10m22水箱 033m3，4集热水泵 0198kg/s5循环水泵 Q=412L/min，H=14mH2O6板式换热器 设计温度：-160/225℃；设计压力：30/45bar，容积：0028L，最大水流量：4m3/h，最大片数：N=100，换热面积：0020m2，重量：10+008kg7室外换热器 风量1600m3/h8室内空调器 循环风量550m3/h10压缩机 制热最大允许压力26MPa，大15P(制冷功率1150W)，制热功率1340W，EER/COP，278/295

1.2 运行过程分析

该系统可以通过调节阀门开关进行运行模式的转换。当阀门A、D关闭，B、C开启时，系统为单一空气源热泵模式，制冷剂通过室外蒸发器取热，太阳能制造的热水储蓄在水箱中。当日照充足时，可以打开阀门A、D,关闭B、C进行太阳能辅助，即将板式换热器作为系统蒸发器，制冷剂通过板式换热器得到太阳能低温水中的热量。

1.3 理论分析

对于热泵机组，制热性能系数COP 是代表其节能水平的关键技术性能指标。可以根据COP来评价空气源热泵的性能，COP高，机组效率高，反之，机组效率就低。

(1)

式中： qk——单位质量制冷剂制热能力，kJ/kg；

W0——单位质量制冷剂制热能力，kJ/kg；

Tk——高温热源温度，K;

T0——低温热源温度，K。

由式(1)可知系统的制热系数只和高低温热源的温度有关。然而，高低温热源对系统的制热系数的影响大小关系尚不能确定。因此，对于空气源热泵系统，应明确参数对系统的制热性能影响大小。为了找到高低温热源对制热系数的影响权重，下面对式(1)中的温度进行求偏导：

(2)

得：

(3)

从式(4)可以清楚的看出，当低温热源的温度变化时，对制热系数的影响较大，高温热源的温度变化对制热系数的影响相对不大。作为低温热源的室外空气换热器，冬季空气温度较低时会严重影响系统的制热系数，并且冬季室外盘管结霜严重，增大了换热热阻，降低了系统的制热系数。因此，在本系统中采用了太阳能集热器加热热水，作为低温热源。当室外空气温度低时，采用太阳能辅助系统，可以有效提高低温热源的温度，从而提高了系统的制热系数。

2 实测结果分析

为了对该系统的热力性能、节能效果进行分析，本次测试于2014年1月12日上午8:30开始，对太阳能集热器进出口循环水温度、冷凝器(即室内空调器)进出口制冷剂温度及室内温度等参数进行实时监测记录。太阳能蓄热模式的测试运行时段为10:00～17:00，空气源热泵为全天运行，太阳能辅助空气源热泵对两种不同模式白天实时蓄放热，白天蓄热晚上辅助各自运行时段10:00～20:00,20:00～8：00，对其进行详细分析与总结。

2.1 太阳能蓄热模式

在典型测试日中，太阳能集热器进出口循环水及水箱温度随时间变化如图2所示。

图2 太阳能集热器进出口循环水及水箱温度随时间变化

由图2可知，太阳能集热器进水温度(T2)变化范围约在35～68℃，出水温度(T1)约为42～77℃之间，进出水温度先后于14:40，15:05左右到达峰值，并保持该峰值温度约1小时。在测试期间内，集热器进出水温度基本具有相同的变化趋势，温度差保持约9℃。水箱温度(T3)变化范围为32～58℃，到达峰值时间约在15:43。在天气情况良好，日照充足的情况下，进水温度可达到77℃，出水温度85℃，进出水温差为14℃，水箱温度64℃。同时根据上图还可以看出，在11:00～14:30期间太阳能集热器每分钟提供的蓄热量基本持稳定，可以稳定的向外界提供大量热量，应在储热的同时加以利用。而水箱温度一直处于25℃以上，若与空气源热泵结合，该热量可以用来提高制冷剂的蒸发温度，提高寒冷天气空气源热泵的性能。

2.2 单一空气源热泵运行模式

图3所示为单一空气源热泵全天运行时冷凝器进出口制冷剂温度及室内温度随时间的变化。由图可知，在运行一段时间后，系统稳定，冷凝器进口温度(T12)最低温度在早上8：00左右出现，约为40℃，随后逐渐升温，下午15:00左右达到峰值，约48℃，之后逐渐降低。出口温度(T13)较为稳定，约31℃。进出口温差在10～16℃之间，白天温差大，夜晚小。室内温度(T14)维持在20℃左右，比人体最适温度稍低。

图3 空气源热泵冷凝器进出口制冷剂温度及室内温度随时间的变化

图4为单一空气源热泵运行时COP、制热量、耗电量随时间变化趋势。由图可知，空气源热泵在此期间制热量随时间而变化，一般在下午15：00左右达到峰值，每分钟制热量在120～150kJ之间。每小时耗电量随时间变化不大,但总体白天耗电比晚上稍大。机组的COP总体较低，平均为2.2。由此可以看出，单一空气源热泵可以稳定提供热量，但室内温度和COP都较低，若能与太阳能系统结合，可以进一步改善其性能。

2.3 太阳能辅助空气源热泵运行模式

太阳能辅助空气源热泵系统分析分为两种模式，一种为白天实时蓄放热采用太阳能辅助空气源热泵，一种为白天蓄热晚上太阳能辅助放热。对于两种模式下太阳能辅助的时段进行具体分析，以便与空气源热泵进行对比。

白天实时蓄放热模式，白天太阳能辅助热泵，晚上空气源热泵，其辅助运行时段为10：00～20：00，图5、6为其各项随时间变化趋势。

图4 空气源热泵运行时COP、制热量、耗电量随时间变化

图5 太阳能辅助空气源热泵冷凝器进出口制冷剂温度及室内温度随时间的变化

由图5可知，冷凝器制冷剂进口温度在55～86℃，由于热泵处于制热工况，且热源为太阳能热水，在极端条件下，制冷剂温度可能会短暂超过80℃。制冷剂出口温度在34～40℃之间，温差变化在21～47℃左右。与单一空气源热泵相比，冷凝器进出口温度和进出口温差均有明显提高。室内温度在此期间一直维持在20℃以上，最高温度为26℃，傍晚室内温度维持在23℃左右，高出单一空气源热泵系统室内温度3℃。

图6所示为制热量，耗电量及COP随时间的变化关系。太阳能辅助空气源热泵白天制热量较稳定，下午17：30开始制热量开始下降，此时系统主要应用水箱中的白天的太阳能储蓄能。该系统COP有所变化，趋势同制热量，在17：30以后开始降低，但维持在3以上 。

图6 太阳能辅助空气源热泵制热量，耗电量及COP随时间的变化

白天蓄热晚上辅助放热模式，即白天使用空气源热泵，晚上太阳能辅助热泵，其辅助运行时段为20：00～8：00，图7、8为其各项随时间变化趋势。

图7 太阳能辅助空气源热泵冷凝器进出口制冷剂温度及室内温度随时间的变化

由图7可知，夜间供暖期间冷凝器进口温度在40～66℃之间。冷凝器出口温度随时间变化不大，进出口温差约为27℃。室内温度维持在21℃以上。

图8所示为制热量，耗电量及COP随时间的变化关系。太阳能辅助空气源热泵制热量开始较为稳定，约为164 kJ/min，凌晨4：00左右出现降低趋势，最低下降到115 kJ/min。但是其总体来说明显高于空气源热泵。耗电量随着时间变化有所波动，因此COP也有所变化，平均值为2.6。

图8 太阳能辅助空气源热泵制热量，耗电量及COP随时间的变化

3 节能分析

3.1 空气源热泵与太阳能辅助空气源热泵热力性能对比

将空气源热泵和太阳能辅助空气源热泵的耗电量，制热量及COP平均值进行对比，其结果如图9所示。

图9 三种方式制热量、耗电量及COP对比

从图9可知，在耗电量基本相同的条件下，太阳能辅助空气源热泵相比于空气源热泵的制热量和COP都有所增加。太阳能辅助空气源热泵系统白天，晚上运行模式耗电量与空气源基本持平，制热量分别是其1.4，1.2倍，COP高出其0.5，0.2倍。

图10对制热量的来源也进行了比较，可以看出太阳能辅助空气源热泵大部分热量来自于太阳能，只有少部分来自于电耗，而空气源热泵接近空气中的热能与耗电各自一半。因此以太阳能为辅助能的空气源热泵，其可获得更多的热量，具有更高的效率，达到节能的效果。

图10 三种模式制热量来源对比

3.2 太阳能辅助空气源热泵系统的一次能耗分析

采暖模式分为集中和分散，目前北方大部分地区采取的是集中式供暖。但是集中供暖有着管路长，热损大，不能调节等缺点，因此在供暖模式选取上还是存在一些争议。笔者对集中供暖和分散供暖的优缺点进行了分析对比，具体内容见表2[6]，通过表中的公式计算出各采暖方式下的费用、一次能源消耗量及CO2排放量。

表2 集中供暖与分散供暖对比

续表

太阳能辅助空气源热泵以太阳能和空气中的热量为能源，不存在燃烧产生的烟气处理问题以及安全问题。太阳能辅助空气源热泵运行时室内平均温度为24℃，运行时间为10个小时，供热量共为141732 kJ。根据已有数据对常用冬季供暖系统进行比较，计算在提高相同供热量条件下，各系统的一次能耗(即折算为标准煤)，折算后CO2排放量及各系统运行费用。

计算结果如图11所示。由图可以明显看出，在提供相同供热量的条件下，电锅炉虽然热效率最高，但是其一次能耗，CO2排放及费用明显高于其他四种。而天然气锅炉其一次能耗比空气源热泵低，与太阳能辅助空气源热泵基本相同，但是其价格高，导致费用增加。而太阳能辅助空气源热泵在五者中，是一次能耗最低，CO2排放最少，费用最小的系统。

图11 不同采暖形式能耗，CO2排放量及费用对比

4 结论

本文根据实测数据对华北科技学院太阳能辅助空气源热泵进行分析比较。对热泵与太阳能结合的可行性，热力性进行数据分析，与单一空气源热泵进行对比。并对现有主要供暖系统的节能经济性进行比较。得出以下结论：

(1) 太阳能集热器在白天可以提供大量热量，其可以与空气源热泵结合，提高制冷剂的蒸发温度，提高寒冷天气空气源热泵的性能。通过分析得出，太阳能辅助空气源热泵相比空气源热泵室内温度得到提高。

(2) 太阳能辅助空气源热泵的制热量，COP较空气源热泵均有明显提高。其白天，晚上运行模式耗电量与空气源基本持平，制热量分别是其1.4，1.2倍，COP则为1.5，1.2倍。因此太阳能辅助空气源热泵较好的解决了寒冷天气空气源热泵性能低的问题，为空气源热泵在北方等地区的应用提供了可行性。

(3) 在目前5种常见的供暖系统中，电锅炉的一次能耗，CO2排放及费用最高。天然气锅炉虽然一次能耗偏低，但是价格较高，相反集中供暖价格最低，但因为输运热损，其一次能源能耗偏高。太阳能辅助空气源热泵其能耗、排放、价格都较低，以太阳能为辅助能的空气源热泵不但将两种非同态可再生热源复合利用，并且可获得更多的热量，具有更高的效率，达到节能的效果。

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[4] 刘晓静,许超,施娟,等. 太阳能一热泵辅助加热热水系统运行的经济性分析[J].节能科技,2015(1):38-40.

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Performanceofsolarassistedair-sourceheatpumpinwinter

CUI Xiao-yue1，ZHANG Wei-jie1,JIN Hao2,TAN Hong-yan2,ZHANG Yu-han1,WU Jin-shun3

(1.SchoolofUrbanConstruction,HebeiUniversityofEngineering,Handan,056038,China; 2.SchoolofCivilEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan,114000,China; 3.CollegeofConstructionEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

The solar assisted air-source heat pump (SASHP) system uses two kinds of renewable energy sources that solar and air energy,thus it will be better play their respective strengths. This paper primarily introduces the system composition,operation mode and principle of SASHP.A dedicated experimental rig was then fabricated and tested in a pilot building under the real-climate conditions in North China Institute Of Science And Technology.The essential parameters,i.e. inlet/outlet temperatures of heat-pump condenser,indoor temperature,power consumption of heat-pump compressor,were measured for characterization of the SASHP system’s performance under different operation strategies. A feasibility study was further conducted through the comparison of such system against the conventional ASHP as well as other typical space-heating systems in that area,especially for energy saving property.Comparing to the ASHP,the delivered heat capacity of SASHP was almost 1.4 times and 1.2 times under the day-and-night operation modes,leading to the COP of 1.5 times and 1.2 times respectively. Meanwhile,the SASHP has the least operation cost and carbon emission among the conventional space-heating solutions. In addition,the SASHP has high benefits to energy conservation and environmental protection.

SASHP;olar energy;energy conservation

2017-06-13

崔晓月(1993-)，女，北京，本科，河北工程大学能源与环境工程学院在读硕士研究生，研究方向：太阳能。E-mail：1695313931@qq.com

TU831

A

1672-7169(2017)04-0062-07