太阳能高温热泵系统在桂林地区应用模拟研究

吴国珊 陈洪杰 苏文博

桂林航天工业学院能源与建筑环境学院

0 引言

空气源高温热泵系统在冬季环境温度较低时其制热性能下降，在一定程度上制约了该技术的推广应用。本文把太阳能辅助集热系统作为空气源高温热泵循环的热源，编制计算机程序计算了广西北部某地最低太阳日辐射强度月份12月的太阳能集热系统的热水温度，推算了太阳能高温热泵系统的蒸发温度，进而推算得到了该月份每天系统的运行性能。

1 系统原理

本系统由空气源补气增焓高温热泵循环和太阳能集热系统组成（图1）。

图1 太阳能热泵系统原理图

补气增焓高温热泵系统，从压缩机出来的高温高压气体进入冷凝器，经冷凝器冷却冷凝为液体，液态制冷剂出冷凝器分为主辅两路，辅路制冷剂经过膨胀阀1节流后压力从冷凝压力降到中间压力成为气液混合物，在经济器中吸取主路制冷剂的热量使其过冷，而辅路制冷剂变为过热气体进入压缩机的补气口。被过冷的主路制冷剂再经过膨胀阀2节流后进入蒸发器。蒸发吸热后主路制冷剂变成过热气体进入压缩机吸气口，经过压缩后与从补气口进入的辅路制冷剂混合，再经过压缩机的压缩，完成补气增焓压缩循环。

太阳能集热系统将太阳能热能储存在水中，水泵把水送至辅助换热器。当系统的蒸发温度较高，运行性能较好时热泵系统通过蒸发器吸收空气中低品位能，提供烘干需要的热量，此时，辅助换热器和太阳能系统通常可以不启动。当系统的蒸发温度较低，系统的性能下降时，关闭电磁阀2，打开电磁阀1，辅助换热器成为蒸发器，水泵把吸收了太阳能热量的水送入辅助换热器，使循环的蒸发温度和蒸发压力提高。

2 模拟计算

2.1 模型假设

模型建立所做假设包括：1）水在集热器中被加热过程，定压比热可看做恒定。2）辅助换热器中水的热量完全被工质吸收。3）辅助换热器中水和制冷剂的传热温差为8℃。4）系统涡旋压缩机容积排气量为3.91 m3/hr。5）图2中点2、3的压力认为和点8的压力相等。

图2 系统循环压焓图

2.2 太阳能集热器

根据广西桂林冬季日平均太阳辐射强度的变化情况，12月的日均太阳能辐射强度为最小，如图3所示为测量得到数据。本文以该月为例计算太阳能采集系统热水温度的变化。则太阳能集热系统的日均集热量可由下式计算：

式中：Q为集热量，W；Ac为直接系统集热器总面积，m2；JT为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2；ηcd为集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；ηL为贮水箱和管路的热损失率，根据经验取值宜为0.20～0.30。

图3 太阳辐射最低月日平均太阳能辐射强度

设定太阳能集热器的集热时间为9:00到17:00，每天共8 h，则水在集热器中的温升可表述为

式中：Gm为太阳能热源系统的水流量；Cw为水的比热。

2.3 辅助换热器

从集热器过来的热水的热量在辅助换热器中被热泵循环的工质完全吸收，则集热器中的水流量为

2.4 热泵循环

蒸发器的制冷量可为

不考虑蒸发器的有害过热。

1）压缩过程耗功

前半段理论功率

后半段理论功率

2）指示功率

3）电功率

式中：g1、g2分别为蒸发器回路、中间补气回路的工质质量流量；h表示图1中循环压焓图各点的焓值；ηi1、ηi2分别表示压缩前半段、后半段的指示效率。

中间补气压缩过程电效率采用下式[1]

从蒸发器回气质量流量：

式中：Vs表示压缩机的实际输气量；v1表示压缩机在状态点1的吸气比容。

经济器的热平衡关系式：

补气和一次压缩排气混合的热平衡关系式

制热量

制热性能系数

2.5 模拟计算

根据上述分析，在考虑太阳能辅助的情况下，对系统进行理论循环模拟计算。编制Matlab程序，调用REFPROP的热物性程序，以R134a为工质在冷凝温度为70℃的情况下进行变蒸发温度的循环模拟计算，计算的流程图如图3所示。

图3 系统循环模拟计算流程图

3 数据分析

从图4可以看到，在该地区最低太阳辐射强度的12月太阳能集热系统水温在吸收了太阳辐射的热量后，温度得到了较显著提高，比地表水温平均提高了5.1℃，最高提高了6.0℃。系统的蒸发温度随之得到提高，最高为11.3℃，最低为6.4℃，该月平均蒸发温度为8.8℃，比无太阳能辅助热源时系统的平均蒸发温度-5.3℃提高了14.1℃。从系统蒸发温度的变化看来，蒸发温度与太阳能集热系统水温走势一致，受当地气温和太阳辐射的共同影响，由于地表水温的变化滞后于当地气温的变化，太阳辐射对集热系统的水温的影响更大些。

从图5看来，系统的制热COP月平均2.69，最低为2.58，最高2.82，比无太阳能辅助热源时的COP平均值2.08提高了22.7%，这表明在太阳能集热系统辅助时，热泵烘干系统的月平均COP得到较显著的提高。系统的制热量月平均值为4.15 kW，最低为4.04 kW，最高为4.26 kW，比无太阳能辅助热源时的制热量平均值3.43提高了15%。在太阳能集热系统辅助时，系统的制热量也得到较显著的提高。电功率月平均值为1.54 kW，最低为1.51 kW，最高为1.58 kW，比无太阳能辅助热源时的电功率平均值1.65减低了7.1%。从图6可以看出，排气温度月平均值为93.9℃，比无太阳能辅助热源时的平均值95.6℃降低了1.7℃。从该月的变化情况看来，系统的制热COP，制热量与太阳集热系统水温保持一致变化趋势，而电功率的变化随着集热水温有变化，但上升和下降不明显。

图4 太阳辐射最低月计算得到各温度变化图

图5 广西某地12月系统制热COP、电功率、制热量变化图

图6 广西某地12月系统排气温度变化图

4 结论

太阳能集热系统作为热源对提高空气源高温热泵烘干系统的蒸发温度具有较明显的作用。根据广西桂林的实测气象数据进行的计算表明，冬季最低太阳能辐射强度月系统平均蒸发温度为8.8℃，比无太阳能热源时系统的平均蒸发温度-5.3℃提高了14.1℃。

采用太阳能集热系统热源时，系统的制热量和制热COP得到较显著的提高。系统在最低太阳辐射月平均制热量比无太阳能热源时提高了15%，比无太阳能热源时的COP平均值2.08提高了22.7%，而电功率的变化不明显。

由于太阳能辐射热流密度小，太阳能集热及储存投资费用比较大，作为低温热源时究竟是作为主要热源还是作为辅助热源，还有待进一步探讨其经济性。