太阳能辅助空气源热泵夏季制冷性能的提升

李琦晟, 田 琦, 李 蓉, 李科宏

(太原理工大学土木工程学院，太原 030024)

目前，中国建筑运行能耗约占全国能源消费总量的21%，其中农村、城镇住宅，北方供暖及公共建筑能耗逐年上升[1]。太阳能热泵系统作为一种高效、节能的系统已经引起中外学者广泛关注，并开展了相关研究[2-3]，以减少建筑运行能耗和碳排放。太阳能辅助空气源热泵(SAHP)将太阳能集热器与空气源热泵耦合形成一个集成的系统，这种系统形式集合了太阳能清洁环保和热泵高效运行的特点,解决了低温环境下热泵系统效率低下的问题[4]，也提升了系统在供热模式下整体系统性能。学者研究的系统根据不同太阳能与热泵的耦合形式，可分为串联式系统和并联式系统[5-7]；根据末端形式不同，可分为直接膨胀式系统和间接膨胀式系统[8-10]。此外，部分学者还对蒸发器形式进行改造以提高系统冬季运行效率[11-12]。高雅洁[13]研究了一种适用于居住建筑的单排、正压通风的太阳能蒸发集热器，这种蒸发器具有吸收太阳辐射能力强、集成性高等特点，大大提高了系统制热性能，且避免了其他SAHP系统占地面积过大的缺点。

太阳能辅助空气源热泵系统，相较于常规太阳能热水系统和热泵系统，其制热性能有了很大提升，而且在较低环境温度时也具有良好性能，也基本满足了居住建筑制热需求[10]。然而，这种系统在夏季作为制冷设备运行时，由于室外换热器对太阳能的吸收，导致冷凝温度升高、系统压缩比增大、系统整体性能较低。这一缺点使得此系统多用作冬季供暖及热水制备，从而限制了这种系统的使用时长和场合。此外，研究人员对于SAHP系统的研究局限于基于制热性能提升下的系统形式、构件改造，而对在维持制热性能良好前提下提升制冷性能的研究较少。

在集成度较高、太阳能吸收效率高、适用于居住建筑的太阳能辅助空气源热泵系统研究[10,13]基础上，提出可用于夏季高效制冷的正压均流太阳能辅助空气源热泵系统，同时研究太阳辐射大小、不同气流组织形式对不同压缩机频率下系统制冷性能的影响。

1 系统组成及工作原理

正压均流太阳能辅助空气源热泵系统主要包括室外侧机组以及室内机组两大部分。如图1～图3 所示。

图1 室外侧机组及对照机Fig.1 Outdoor section and control group

图2 室内侧机组及对照机Fig.2 Indoor section and control group

1为风机;2为内部阻尼孔板;3为单排太阳能/空气能换热器;4为透明盖板;5为压缩机图3 室外侧机组结构Fig.3 Outdoor unit structure

(1)主要部件：包括室内侧换热器、单排室外侧太阳能/空气能换热器、压缩机、电子膨胀阀。室外侧机组主要构件包括：外部不均匀开孔透明板(图1)、内部阻尼孔板、室外侧太阳能/空气能换热器、钢化玻璃透明外壳、正压通风机(图2)。

(2)工作原理：机组运行时，制冷剂通过压缩机压缩，成为高温高压气体进入室外冷凝器换热，同时接收太阳辐射热量；换热后制冷剂依次通过电子膨胀阀及室内蒸发器，转换为低温低压蒸气后再次进入压缩机，完成一个制冷循环。

室外机气流从正压风机开始，先后经过内部阻尼孔板均流、太阳能/空气能换热器热交换、外部不均匀开孔透明板导流流出机组。

太阳光通过机组上部、侧面、正面三侧透明挡板辐射在涂有太阳能选择吸收膜的太阳能/空气能换热器翅片表面，经翅片表面涂层吸收、反射、再吸收转换为热能。在夏季可在上部、侧部设置绝热遮阳板减少冷凝器对太阳能的吸收。

2 实验研究

2.1 实验机系统描述

2.1.1 压缩机

正压均流太阳能辅助空气源热泵系统压缩机与对照机组均采用变频全封闭旋转式直流变频压缩机，压缩机电源要求为220 V，单相，50 Hz；压缩机气缸容积为10.8 cm3/rev，压缩机运转范围为 12～120 r/s，额定输入功率834 W。

2.1.2 太阳能选择吸收膜

正压均流太阳能辅助空气源热泵在室外换热器翅片侧涂有铬原子层积吸热采暖膜，采用强磁凝聚的方法附着在翅片表面，目的是在冬季时吸收太阳能辐射转化为热量，以提高冬季机组蒸发温度，提高整个机组性能系数(coefficient of performance，COP)。采暖膜太阳能光谱吸收率0.95，红外发射率0.10。

这种太阳能选择吸收膜在冬季很大程度上提高了机组室外侧蒸发器的蒸发温度，从而使机组性能大幅提高，但是在夏季时太阳能吸收会使室外冷凝温度升高，系统COP降低，所以在夏季采用遮阳的方式减少太阳能吸收量，在不影响冬季供热性能的同时提升夏季制冷性能。

2.1.3 室外侧换热器

实验机与对照机室外侧换热器分别为单排加宽型太阳能集热换热器，与常规双排换热器，换热管材料均为紫铜管，管外径9.52 mm、管壁厚0.35 mm、管间距25 mm；翅片均采用铝翅片，翅片厚度0.3 mm、翅片间距2 mm。实验机换热器长1 200 mm、宽830 mm。

2.1.4 风机及气流组织构件

传统的空气源热泵室外侧换热器部分风机处于换热器前端(换热器处于风机负压侧)，这种气流组织方式换热器表面气流相对均匀，换热器换热性能较好。但是，在此种气流组织中，风机处于换热器前端，阻挡了冬季时涂有太阳能选择吸收膜的换热器对太阳能的吸收，因此研究人员为了提升室外侧换热器冬季的太阳能吸收效率，将风机置于换热器后端(换热器处于风机正压侧)，以减小风机对太阳辐射的遮挡。但是，这种风机的布置形式造成了换热器表面气流组织分布不均匀。

正压均流太阳能辅助空气源热泵系统，通过设置均流装置实现室外侧换热器气流组织均匀的目的，如图3中部件2,在风机气流出口设置内部阻尼孔板，增大风机直吹处的阻力，将部分空气倒流至内部阻尼孔板两侧，减小风机直吹处风速、增大两侧风速。

设置外部不均匀开孔透明板(图1)，在出口处对气流进行二次均流，透明板开孔中部稀疏、两侧密集，可以有效地将气流向外部换热器两侧引导，实现气流组织均匀。

2.1.5 其他主要材料、构件

制冷剂为R410A，环保性能良好，热力学性质与物理特性均接近于共沸制冷剂，而且传热系数较高[14-15]。

室外机上、正、侧三面透明盖板采用4 mm厚钢化玻璃，太阳辐射透过率90%。

2.2 对照机系统描述

为探究正压均流太阳能辅助空气源热泵夏季性能提升效果，设置对照机组与实验机进行比较，分析实验机夏季性能提升潜力。对照机与实验机具有相同的压缩机、室内换热器且使用相同制冷剂。对照机组与实验机组只有室外侧换热器部分不同。在气流组织上，如图1右侧机组所示，风机在室外侧换热器前方(换热器处于风机负压侧)；对照机室外侧换热器正向截面长为800 mm，宽830 mm，盘管双排设置，翅片宽度为实验机1.5倍，保证与试验机具有相同的换热面积；对照机翅片表面不涂太阳能选择吸收膜。

在进行遮阳实验与不同气流组织的实验时实验机可与自身进行对照实验。

2.3 实验方法

以太原地区为实验地点，主要通过制冷量与输入功率的测量与计算，分析在不同气流组织、不同太阳辐射、不同压缩机频率下太阳辐射下正压均流太阳能辅助空气源热泵在夏季制冷工况下的性能，并与对照机比较，分析不同优化方案对机组夏季性能提升效果。

主要测量参数有：温度、湿度、太阳能辐射照度、电功率、风速。温度测量仪器为Pt100热电偶温度传感器，分别测量室外温度、室内实验机及对照机进风温度、室内实验机及对照机出风温度；湿度测量仪器为湿度传感器，分别测量室内实验机及对照机组进出风相对湿度；太阳能总辐射量测量仪器为太阳能辐射总表，测量室外换热器接收太阳能总辐射量；实验机与对照机总功率及耗电量数据使用交流数显电力检测仪读取。风速测量仪器为热线风速仪，用于测量实验机、对照机进风口风速。

2019年7月15日—8月30日在晴天的10:00—17:00，每隔10 min进行一次数据采集，分别进行气流组织实验、不同太阳辐射照度下机组性能实验、遮阳实验，其中不同辐射照度下机组性能实验与遮阳实验在不同压缩机频率下进行。记录实验数据，分析整理后得出不同设定条件下机组COP，评价运行效果。

3 实验测试结果与分析

不同工况下的系统性能用COP表示:

(1)

3.1 不同气流组织下机组性能实验

选取太阳辐射强度为(550±50) W/m2，室外温度(30±1) ℃气候条件下气流组织数据；压缩机频率分别为50、60 Hz下四种气流组织的测试数据，绘制实验机组制冷性能柱状图，如图4所示。

图4 不同气流组织下系统性能Fig.4 System performance at different air distribution

由柱状图4可知，四种气流组织方式中，设置外部不均匀开孔板且不设置内部阻尼孔板的气流组织方式室外侧换热器气流组织形式最好，系统COP最大，60 Hz时系统COP可达2.57；只设置内部阻尼孔板不设置外部不均匀开孔板的气流组织系统COP次之，60 Hz下COP为2.41；内外同时设置孔板的气流组织系统阻力最大，导致室外风机能耗增加从而使COP最小，60 Hz下的数值为2.27。在50 Hz 下，各个系统COP均小于60 Hz下的值，同时不同气流组织下系统COP的大小关系也呈现了与60 Hz相同的趋势。因此，设置外部不均匀开孔板且不设置内部阻尼孔板的气流组织方式换热器换热性能最佳，为最佳气流组织方式。

3.2 不同太阳辐射强度下机组性能实验

实验机最佳气流组织优化下是否遮阳与对照机不遮阳在(30±1) ℃下，压缩机频率为60 Hz的系统COP随太阳辐射强度变化对比,如图5所示。选取测量日中太阳辐射强度较高的时刻测量室外侧换热器接收太阳辐射量及此时采取遮阳板遮阳后的太阳能辐射量，如图6所示。

图5 机组性能随不同太阳辐射强度变化Fig.5 System performance in different solar radiation intensity

图6 遮阳效果Fig.6 Effects of shading

根据图5可知，实验机对照机COP均随太阳辐射强度增强而增大。不论遮阳与否、翅片上是否涂有太阳能选择吸收涂料，翅片均可以吸收一定量的太阳能，且太阳能吸收量随太阳辐射增强而增大，导致系统冷凝压力提升，压缩比增大系统COP下降；实验机在不遮阳时吸收太阳辐射能力最强，因此系统COP下降速率最快；遮阳能有效提升机组COP，且提升效果随太阳辐射强度增加而增加。在室外太阳辐射总强度为600 W/m2时，通过遮阳实验机COP达到2.72，比不加遮阳COP提升17.0%，且与对照机COP相近，性能提升显著。

由图6可知，遮阳是减小室外侧换热器接收太阳辐射的有效手段。在太阳辐射总量在550～800 W/m2，通过遮阳的方式均可将室外侧换热器接收太阳辐射总量降低至100 W/m2以下。

3.3 压缩机变频下机组性能实验

控制压缩机频率在40～90 Hz，选取太阳辐射强度(550±50) W/m2，室外温度(30±1) ℃的测试数据，绘制不同实验变量下的机组制冷性能曲线，如图7所示。

图7 变频变工况制冷性能Fig.7 System performance at different compressor frequencies

由图7可知，不同的系统形式均在压缩机频率为50～60 Hz时系统COP出现峰值，且在压缩机频率较大或较小时系统COP均较为低下。在压缩机频率在50 Hz之前，压缩机功率不足导致蒸发压力较高，蒸发温度较高，处理空气温差较小，系统制冷量较少，系统COP较低；而在60 Hz之后系统压缩功率提升较快，而蒸发压力下降较慢，导致空气处理温差增加较慢，系统制冷量提升较慢，使系统COP下降加快。

系统在60 Hz运行时，在无气流组织优化且不遮阳时，系统整体性能较低，最高COP仅为2.30；而对照机组运行时，50 Hz下系统COP最高，为2.76，60 Hz下COP也达到了2.70，比实验机组无气流组织且不遮阳的最大COP高出17.4%。

通过气流组织改进，即采用只设置外部不均匀孔板的气流组织方式时，系统平均COP有了明显提高，比无气流组织优化时平均COP提升7.4%。此外，在气流组织优化后再进行遮阳，系统比不进行任何优化平均COP提升14.1%，此时比对照机平均 COP仅低3.0%。

4 结论

通过不同气流组织形式与不同太阳辐射强度，在不同压缩机频率下进行太阳能辅助空气源热泵系统性能影响实验研究，得出如下结论。

(1)通过气流组织形式优化可以有效提升正压均流太阳能辅助空气源热泵夏季运行性能。其中，设置外部不均匀开孔板且不设置内部阻尼孔板的气流组织方式室外侧换热器气流组织形式最好，系统COP最高。

(2)遮阳是有效提升正压均流太阳能辅助空气源热泵夏季制冷的方式，遮阳对系统性能提升效果随太阳辐射增加而增加。遮阳和气流组织优化同时进行，可基本规避太阳能吸收对系统夏季产生的不利影响，使系统在夏季制冷时仅比常规机COP低3%。

(3)在具有同一负荷特性的建筑中，不同系统形式在不同压缩机频率下的COP变化趋势大致相同，且在50～60 Hz时出现最大值。根据此特性可为不同负荷特性建筑匹配不同压缩机频率提供运行策略，对建筑节能具有一定意义。