太阳能辅助闭式热源塔热泵系统冬季制热性能

冯 荣，刘 晔，方俊飞，孟 欣

（1. 陕西理工大学机械工程学院，汉中 723001；2. 西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049；3. 陕西省工业自动化重点实验室，汉中 723001）

0 引 言

近年来随着农村居民生活水平的不断提高，农村建筑冬季供暖需求日益增加，利用清洁的可再生能源满足其供暖需求是应对当前能源与环境问题的必然途径[1-3]。陕南地处中国夏热冬冷地区北端，冬季太阳辐射较弱，阴雨天易发，但空气热能丰富，如何高效利用太阳能和空气热能满足当地农村建筑冬季供暖需求对促进其可持续发展有重要意义。

热源塔热泵是近年来发展起来的一项新型热泵技术，已在中国部分地区示范应用[4-5]，冬季时利用低冰点的防冻工质在热源塔中萃取蕴藏在空气中的低温热能，然后在热泵机组蒸发器中释放并经热泵循环后产生高温热能供用户使用，从冷热源角度来讲，热源塔热泵依然属于空气源热泵。现有研究主要集中在热源塔内传热传质规律和热泵系统供热性能方面，Song 等[6]得到了闭式热源塔采用甘油溶液为工质时与空气之间的传热传质系数关联式，Tan 等[7]在标准冷却塔的Merkel方程的基础上，建立了开式逆流热泵塔内热质交换的基本数学模型，Zhang 等[8]以温度和含湿量差作为传热和传质的驱动力，建立了热质传递过程的简化分析模型，文先太等[9]基于POPPE 理论建立并用试验验证了叉流开式热源塔的传热传质模型，贺志明等[10]研究了逆流闭式热源塔内空气焓值的分布特性，针对开式热源塔冬季运行时存在的吸湿问题，文先太等[11-12]提出并研究了一种基于真空沸腾的新型热源塔溶液再生系统，孟庆山等[13]实测了南京地区开式能源塔热泵机组主机的冬季性能，Huang 等[14]对比了将热源塔热泵和空气源热泵系统应用于南京一办公建筑时的性能，贾雪迎等[15]提出了热源塔与自复叠制冷循环耦合的热泵系统，Huang 等[16]分析了全球不同地区应用热源塔热泵系统时的性能。

由于热源塔热泵系统从本质上讲是空气源热泵，其性能依然受空气温度变化严重影响，而利用太阳能辅助空气源热泵已被证明是解决该问题的一种有效方法[17-18]，Charters 等[19]使用平板太阳能集热器作为热泵机组的蒸发器，Deng 等[20]将改良直膨式太阳能热泵热水器与与传统直膨式太阳能热泵热水器的加热性能与COP 进行对比研究，兰青等[21]设计了一种圆台型太阳能热泵，此外还有太阳能集热器与空气源热泵蒸发器并联[22-25]、与空气源热泵冷凝器并联[26]等形式，相关的控制与系统优化研究也已开展[27]。

但对太阳能热利用技术如何与热源塔热泵互补以提高其稳定性，仅有学者进行了理论探索[28-30]。基于此，本文研制了一套可应用陕南地区农村建筑的小型太阳能辅助闭式热源塔热泵系统，并对其制热性能进行了试验研究，初步分析了太阳热能与空气热能的互补机理，以为当地高效利用空气热能和太阳热能互补供暖的实际应用提供指导。

1 太阳能辅助闭式热源塔热泵系统

如图1 所示为自主研制的小型太阳能辅助闭式热源塔热泵系统的实物图。系统主要有由太阳能集热器、集热水箱、闭式热源塔、热泵机组以及管道阀门等组成。太阳能集热器由90 支全玻璃真空集热管组成，并通过集热循环泵和管道与集热水箱连接，集热水箱内放置有沉浸式盘管换热器。闭式热源塔从上到下依次为轴流风机、喷淋装置、翅片管换热器、出风口、喷淋池和喷淋泵，考虑到冬季空气经翅片管换热器吸热后温度降低密度增大，故轴流风机安装时风向设置为由上至下，同时为使防冻溶液与空气之间的形成逆流换热，在闭式热源塔中防冻溶液在垂直方向的流向为由下而上。热泵机组由压缩机、用作蒸发器的板式换热器、用作冷凝器的壳管式换热器、四通换向阀、节流阀、储液罐和气液分离器等组成，制冷剂为R22。选用体积分数为30%的乙二醇溶液作为热源塔防冻工质，为保证循环通畅，在防冻液循环泵的入口前安装有膨胀水箱，由于热源塔为闭式结构，故防冻溶液浓度不会受空气湿度影响，无需再生。热源塔风机和防冻溶液循环泵装配有变频装置，以改变其运行参数。

图1 闭式热源塔热泵系统实物图 Fig.1 Closed-type heating tower heat pump system

图2 给出了系统的工作原理，以及试验中温度、相对湿度和工质流量等参数测点的安装位置。系统中主要设备的型号与参数见表1。由于系统制热量与环境条件密切相关，同时太阳能能流密度低且实时变化，并且受建筑布局影响，实际应用时可供安装太阳能集热器的空间因地而异，导致储热水箱水温和储热量连续变化，因此本系统中热泵机组匹配、太阳能集热器面积、沉浸式盘管换热器面积和储热水箱容积根据工程经验和试验现场条件确定，研究结果可为后期系统优化提供基础数据。如图所示系统有2 种工作模式，并对应3 种典型应用工况。第一种模式为单独热源塔热泵模式，对应无太阳热能可利用的工况，该模式下阀门V1 打开而V2 关闭，防冻溶液从热泵机组蒸发器流出后进闭式热源中从空气吸热，然后直接返回蒸发器。第二种模式为太阳能辅助闭式热源塔热泵模式（简称太阳能辅助模式），此时阀门V1 关闭而V2 打开，防冻溶液从热泵机组蒸发器流出后先进闭式热源塔中从空气吸热，之后再流入集热水箱中的沉浸式盘管换热器吸收由太阳能集热器收集的太阳热能，最后返回蒸发器，该模式可对应2 种应用工况，其一为用户用热主要在夜间的工况，主要为住宅，该工况下利用日间太阳能集热器收集热能并储存，而在夜间释放热量再热从热源塔中流出的防冻溶液，其二为用户用热主要在白天的工况，如学校、办公场所等，该工况下太阳能集热与再热防冻溶液同时进行。

图2 系统结构及测点布置 Fig.2 System structure and measuring point

表1 系统中主要设备参数 Table 1 Parameters of the main equipment in system

2 试验原理与方法

防冰溶液在闭式热源塔中吸收空气热能记为Q1，在集热水箱中吸收的太阳热能为记Q2，可由下式计算

式中c1为防冻溶液的比热容，取3.589 kJ/(kg·℃)[31]；L1为防冻溶液的体积流量，m3/s；ρ1为防冻溶液的密度，取1 050 kg/m3[31]；T1为防冻溶液流出蒸发器即流进热源塔时的温度，℃；T2为防冻溶液流出热源塔时的温度，℃；T3为防冻溶液流进蒸发器温度，℃。

防冻溶液的总吸热量与机组蒸发器的吸热量相等，并等于Q1和Q2之和，记为Qe。系统制热量以及太阳能集热器向集热水箱输送的热量记为Qc和Qh，分别由下式计算

式中c2为工质水的比热容，取4.187 kJ/(kg·℃)；L2为冷却水的体积流量，m3/s；L3为集热水的体积流量，m3/s；ρ2为水的密度，取1 000 kg/m3；T4、T5、T6和T7分别为冷却水流进和流出冷凝器、集热水流进和流出集热器时的温度，℃。

采用性能系数（Coefficient of Performance，COP）和系统能效比（System Energy Efficiency Ratio，SEER）分别对热源塔热泵机组和热泵系统的经济性进行评价。机组COP 和系统SEER 由式（5）和式（6）求出

式中Ec、Ef、Ep和Es分别为压缩机、轴流风机、防冻液循环泵和集热循环泵的耗电量，kW。

如图2 所示，在蒸发器防冻溶液侧出口与热源塔进口间的管道，热源塔出口与沉浸式盘管换热器之间的管道，沉浸式盘管换热器与蒸发器防冻溶液侧进口间的管道，以及冷凝器工质侧进出口的管道上安装有测量防冻溶液和水温度的传感器；在沉浸式盘管换热器与蒸发器防冻溶液侧进口间的管道和冷凝器工质侧出口的管道上安装有测量防冻溶液和水体积流量的传感器；在太阳能集热器与集热水箱连接的管道上安装有测量集热水温度和流量的传感器，在闭式热源塔上部进风口处安装有测量环境空气温度的传感器，集热水箱中还放置有测量集热水箱水温的传感器；同时用太阳能总辐射表测量与集热器采光面的太阳辐射强度；采用三相功率变送器测量压缩机的实时功率。所用测量仪器的规格参数见表2。所有数据由Agilent349702 数据采集仪自动采集并记录，扫描间隔为10 s。

为简化计算和分析过程，作如下假设：1）整个系统管路热损失损失忽略不计；2）水的比热和密度变化忽略不计；3）轴流风机和防冻溶液循环泵工作时的耗电量在频率调定后不变且为实际频率与50Hz之比与额定功率的乘积。

表2 测量参数及仪器 Table 2 Measured parameters and measurement instruments

3 试验结果与讨论

3.1 试验过程

系统调试完成后于2020 年1 月20 日20 时至1月22 日20 时进行了共计48 h 的测试。如图3 所示为测试期间环境温湿度和太阳能集热器采光面太阳辐射强度曲线。测试期间前26 h 为单独热源塔热泵模式，该模式下防冻溶液循环泵和热源塔风机的运行频率分别为25 和45 Hz，之后22 h 为太阳能辅助模式，防冻溶液循环泵的运行频率依然保持25 Hz，热源塔风机频率自26 h 开始减小至30 Hz，自36 h 再次减小至15 Hz。

图3 试验期间气象参数 Fig.3 Meteorological parameters during the experiment

测试期间防冻溶液、末端冷却水、太阳能集热器进出水、集热水箱中水的温度和流量变化分别如图4a、4b和4c 所示。虽然防冻溶液循环泵工作频率固定，但受温度变化、溶液中溶解气体等因素的影响，防冻溶液流量在1.95 m3/h 上下轻微波动。对比图3 可以看出，在单独热源塔热泵模式下，防冻溶液进出蒸发器的温度与环境温度的变化趋势一致，而当改变为太阳能辅助模式后，防冻溶液进出蒸发器的温度均有突然提高，但其后的变化趋势依然与环境温度的变化趋势一致。而末端冷却水流量同样基本在2.85～2.90 m3/h 范围内轻微波动，而冷却水温度受用户用热和机组运行综合影响有较大幅度的波动，最低供热温度高于41.0 ℃，最高供热温度为53.3 ℃，表明系统可满足陕南农村地区建筑对冬季供暖温度的要求。

太阳能集热循环泵在分别在第12 小时30 分至第21小时47 分和第35 小时至第46 小时运行，集热水循环流量在1.90 m3/h 左右，前一时段系统只集热而未向防冻溶液补热，所以水温上升速度快且终温较高，后一时段在集热的同时给防冻溶液补热，尽管太阳辐射强度较高，但水温上升速度较缓。此外，后一时段集热泵开始运行后的1 h 内虽尚无太阳辐射，但太阳能集热器进出水和集热水箱水温均有上升，这一方面是由于前一时段集热泵关停后真管集热管内的水温依然较高，当水箱中的低温水被再次输送至集热器后吸收了集热管中的热量，另一方面则是由于集热水箱静置10 余小时后水箱内出现水温分层，水流循环后打破分层所致。·

图4 工质的流量与温度 Fig.4 Flow rate and temperature of working medium

3.2 制热量、吸收量及压缩机耗电量

系统制热量、热源塔吸热量、防冻溶液吸收的太阳热能、总吸热量以及压缩机耗电量如图5 所示。可以看到，在单独热源塔热泵模式下，热源塔吸热量即为总吸热量，二者曲线重合。当切换到太阳能辅助模式后，由于风机频率降低和防冻溶液温度均发生变化，热源塔吸热量迅速降低，然后在集热泵重新开启前持续升高，尽管此时空气温度持续下降。同时随着太阳能辅助模式的持续运行，防冻溶液不断从集热水箱中吸热导致集热水箱水温下降，防冻溶液吸收的太阳热能持续下降；当集热泵重新开启后，防冻溶液吸收的太阳热能首先升高，至集热水箱水温下降后下降，而热源塔吸热量先减小后增大。对比图3 和图4c 可以看出，在单独热源塔热泵模式下，热源塔吸热量的变化与环境温度的变化趋热一致，在太阳能辅助模式下，防冻溶液吸收的太阳热能与集热水箱水温的变化趋势一致，同时热源塔吸热量的变化与环境温度的变化趋热相反，但防冻溶液总吸热量依然保持与环境温度一致的变化趋势。

对比图3 和图4b 可以看出，从试验开始到第13 小时，环境温度降低导致热源塔吸热量减小，同时由于冷却水温度升高压缩机耗电量明显增加，但系统供热量逐渐降低，最低为12.3 kW，之后随着环境温度的升高和冷却水温度降低，热源塔吸热量增加，压缩机耗电量下降，系统制热量逐渐升高，最高为15.0 kW。切换到太阳能辅助模式后系统制热量的波动范围与单独热源塔热泵模式相比略有增加，最高与最低值分别为15.2 和12.1 kW。

图5 热量与耗电量 Fig.5 Heat energy and power consumption

热泵机组中压缩机以耗功实现从防冰溶液中吸热和向冷却水排热，在防冻溶液和冷却水流量变化不大的情况下其耗电量主要取决于防冻溶液和冷却水温度。为定量分析系统中防溶液溶液和冷却水温度对压缩机耗电量的影响，分别将冷却水进出冷凝器和防冻溶液进出蒸发器的平均温度作为自变量，将压缩机耗电量作为因变量，采用多元线性回归模型分析因变量与自变量之间的关系，得到多元线性回归方程如下

样本数量为17 281，R2为0.990 9，说明因变量的变异性有99.09 %可由回归方程解释，变量间具有线性相关性强。可以看出，冷却水平均温度每升高1℃，压缩要耗电量增加98.1 W，而防冻溶液平均温度每升高1℃，压缩机耗电量减小9.5 W，表明冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度，因此为减小压缩机耗电，在实际应用中应在保证热舒适度要求的情况下避免供热温度过高。

3.3 热泵机组COP 和系统SEER

为合理反应集热泵在第二天日间9 小时17 分钟工作耗电对SEER 的影响，将该时段集热泵总耗电量平均分配到切换至太阳能辅助模式开始至集热泵重新开启的9 h内，如图6 所示为热泵机组COP 和系统SEER 实时曲线，在单独热源塔热泵模式时，COP 和SEER 的范围分别在2.3～3.5 和1.5～2.1 之间，可以看到，试验前13 h，由于制热量小但压缩机耗电量大，导致COP 和SEER 较低，随着冷却水温度的降低，压缩机耗电量下降，同时制热量增加，COP 和SEER 均上升。

切换到太阳能辅助模式后，COP 和SEER 的范围分别在2.7～3.3 和1.8～2.4 之间，在集热泵重新启动之前，尽管增加了太阳能补热，但系统制热量缓慢下降而压缩机耗电有所上升，使得机组COP 下降幅度较大，但由于热源塔风机耗电量的减幅大于增加的集热泵耗电量，系统SEER 虽然也在下降，但降幅减小。在集热泵重新启动之后，尽管压缩机耗电量因冷却水温度上升而有所增加，但系统制热量增幅更大，使得机组COP 迅速上升，直至蒸发器吸热量和系统制热量下降时减小；同时由于热源塔风机耗电量再次减小和系统制热量的升高，系统SEER同样迅速上升而获得最大值，并随蒸发器吸热量和系统制热量下降而降低。

图6 机组COP 和系统SEER Fig.6 Unit COP (Coefficient of Performance) and system SEER (System Energy Efficiency Ratio)

4 太阳热能与空气热能互补机理初步分析

如图7 所示为太阳能辅助模式下防冻溶液吸收的太阳热能与空气热能占总吸热量的比例。防冻溶液流进热源塔的温度与环境空气温度的差值，以及防冻溶液流进集热水箱的温度与集热水箱水温的差值如图8 所示。同时对比图3、图4c 和图5 可以看到在集热泵重新启动之前，随着集热水箱水温的降低，防冻溶液流进集热水箱的温度与集热水箱水温的差值持续降低，使得防冻溶液吸收的太阳热能及其在总吸热量中的占比下降，而尽管这一时段空气温度持续下降，但防冻溶液流进热源塔的温度与环境空气温度的差值上升，使防冻溶液吸收的空气热能及其在总吸热量中的明显上升，这表明在热源塔风机频率固定和太阳能补热量下降的情况下，热泵机组可通过降低防冻溶液温度，增大防冻溶液与空气换热温差的方法提高热源塔从空气中的吸热量。当集热泵重新启动之后，由于集热水箱水温升高，防冻溶液液流进集热水箱的温度与集热水箱水温的差值增大，使得防冻溶液吸收的太阳热能及其在总吸热量中的占比上升，同时流入热源塔的防冻溶液温度升高，导致防冻溶液与空气的温差降低，防冻溶液在热源塔中的吸热量下降。而当将热源塔风机频率再次调低后，尽管空气温度较之前升高，防冻溶液流进热源塔温度与空气温度差值依然增大，但防冻溶液在热源塔中的吸热量总体呈下降趋势，直至集热水箱水温开始降低后，防冻溶液吸收的太阳热能及其在总吸热量中的占比下降，而从热源塔中吸收的空气热能及其在总吸热量中的占比再次上升。总体来看，太阳能辅助模式下防冻溶液的总吸热量范围为 8.7～11.0 kW，并未出现大幅度变化。当集热水箱水温较高时，防冻溶液吸收的太阳热能及其占比上升，而当水温降低时则下降，热泵机组通过增大防冻溶液与空气的换热温差来增加防冻溶液从空气中的吸热量以及占比，总之在风机频率固定时，热泵机组通过改变防冻溶液与集热水和空气换热温差的方法来改变防冻溶液从集热水箱和空气中的吸热量，实现空气热能与太阳热能的互补，

图7 太阳热能和空气热能占比 Fig.7 Percentage of solar thermal energy and air thermal energy

图8 防冻溶液吸热温差 Fig.8 Endothermic temperature differences for antifreezing solution

此外，根据式（8）可以看出，防冻溶液温度提升对减小由压缩机耗电量作用有限，因此利用太阳热能再热流出热源塔的防冻溶液对提升热泵机组COP 的作用同样微弱。但对提高系统SEER 作用显著，这是由于补充太阳热能后热源塔吸热负荷有所降低，风机在低频工作降低了耗电量，因此，实际工况下在集热水箱温度较高时可通过降低风机频率减小系统电能消耗。但需注意，尽管风机在低频率下工作时，热泵机组依靠增加防冻溶液与空气的换热温差来吸热，对比风机频率改变前后可以发现，随着风机频率的降低该温差升高，而这必然会导致热泵机组在低温工况下的蒸发温度和蒸发压力降低，如果冷凝压力保持不变，则机组压缩比上升，进而给机组的安全运行带来隐患。

5 结 论

本文对一套可应用陕南地区农村建筑的小型太阳能辅助闭式热源塔热泵系统的的供制热性能进行了试验研究，得出如下结论：

1）单独热源塔热泵制热模式下，系统制热量范围为12.3～15 kW，热泵机组COP 范围为2.3～3.5，系统SEER范围为1.5～2.1；太阳能辅助热源塔热泵模式下，系统制热量范围为12.1～15.2 kW，热泵机组COP 范围为2.7～3.3，系统SEER 范围为1.8～2.4；2 种模式下系统供热温度均高于41 ℃，满足陕南地区农村建筑供暖要求；

2）冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度，冷却水平均温度每升高1 ℃，压缩要耗电量增加98.1 W，而防冻溶液平均温度每升高1 ℃，压缩机耗电量减小9.5 W；

3）太阳能辅助热源塔热泵制热模式下，防冻溶液吸收的太阳热能随集热水箱温度的升高而增加，反之下降，在风机频率固定时，热泵机组通过改变防冻溶液与空气和集热水换热温差的方法来改变防冻溶液空气和集热水箱中的吸热量，实现空气热能与太阳热能的互补。

此外，建议实际应用中应在保证热舒适要求的情况下避免供热温度过高以减小压缩机耗电；同时在集热水箱温度较高时可通过降低风机频率减小风机耗电以提高系统SEER，但应避免风机低频工作可能给机组安全运行带来的隐患。