太阳能辅助空气源热泵系统采暖能效实验分析

晋 浩,谭洪艳,崔晓月,张伟捷,吴金顺

(1.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114000；2.河北工程大学 城建学院，河北 邯郸 056038；3.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 101601)

太阳能辅助空气源热泵系统采暖能效实验分析

晋 浩1,谭洪艳1,崔晓月2,张伟捷2,吴金顺3

(1.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114000；2.河北工程大学 城建学院，河北 邯郸 056038；3.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 101601)

针对空气源热泵系统在北方冬季由于蒸发温度低而导致的制热效率低下的问题，本文采用了低温太阳能热水辅助空气源热泵采暖的解决方案，搭建了太阳能辅助空气源热泵系统试验台。本文对空气源热泵系统和太阳能辅助空气源热泵系统这两种运行模式下的制冷剂进出口温度、室内温度等参数进行了测试、对比，计算并且分析了系统的制热量和制热系数，得出太阳能热水辅助系统较空气源热泵系统，能够使室内温度提升4℃，COP提升1.3，热泵系统能够稳定、可靠、高效运行。与传统的空气源热泵系统相比，太阳能热水辅助空气源热泵系统具有较大的环保潜力、节能潜力。

空气源热泵；太阳能；制热系数；能效

0 引言

2014年，我国能源消耗总量为42.6亿吨标准煤，其中建筑能耗为12.7亿吨标准煤，占总能耗将近30%。我国建筑行业以其惊人的能源消耗已经成为制约我国经济社会可持续发展的一大顽疾，而采暖能耗更是以58%比例占据建筑能耗的首位。而空气源热泵系统能够以较低的能量消耗，从环境大气中无偿地吸取丰富的低品位热能，取之不尽、用之不竭，实现热量从低温位到高温位的转换，这些优点使其在世界范围内得到广泛的应用[1]。然而，在我国北方，冬季室外空气温度较低，热泵机组将会出现一系列的问题：如随着环境温度降低，机组的吸气压力降低，压缩机压缩比增大，导致热泵的压缩过程与额定压缩过程严重偏离，造成高品位电能的大量损耗[2]，并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会冻成霜，导致蒸发器的吸热量减少甚至热泵不能正常制热[3]，不能满足增加的热负荷的需要[4]等。

针对空气源热泵冬季效率低的问题，国内外专家学者纷纷提出了各自的解决方案：比如单极低温热泵系统，虽然解决了低温热源问题，但是由于中间冷却器是由循环热水进行冷却，造成冷却器的温度比较高，使得系统运行不能达到最佳COP[5]。为了使空气源热泵能在寒冷环境中高效运行，必须提高热泵系统的蒸发侧温度。太阳能一直以来被视为安全、无污染的清洁能源，是一种理想替代能源，若能将之加以利用将会带来显著收益。于是，本课题组采用低温太阳能水辅助空气源热泵系统采暖的解决方案。该系统利用低温太阳能水作为热泵的低位热源，通过水—制冷剂板式换热器提升热泵系统的蒸发温度，降低压缩比，进而提高空气源热泵系统的COP[6]。

1 系统构成

1.1 系统介绍

本研究已建立了低温太阳能水辅助空气源热泵采暖系统实验台，该试验台位于北京某地区实验楼顶楼，室内空调面积为22 m2。该试验系统是一个双热源装置系统，包括：太阳能集热系统和空气源热泵系统，系统实物如图1和图2所示，热泵机组的性能参数如表1所示。在本系统中，设备主要包括两类：运行设备和监控设备。运行设备有：空调器、太阳能集热器、水箱、循环水泵及板式换热器等；监控设备有：压力表、视液镜、铂电阻测温仪、室内温湿度测试仪、水流开关、电磁阀等。监控设备对系统的运行数据进行实时监测，所用温度传感器符号解释，如表2所示。

图1 太阳能集热管图

图2 热泵管路系统

序号名 称主要参数(功率、流量、面积、体积等)1集热器 真空管,蓄水量155L,10m22水箱 0.33m3,3铂电阻传感器 精度:±0.5℃,量程-20～100℃4集热水泵 0.198kg/s5循环水泵 Q=4.12L/min,H=14mH2O6换热器 3P空调铜套管换热器,设计压力:30/45bar,容积:0.028L,最大水流量:4m3/h,换热面积:0.030m2,重量:5.0+0.08kg7蒸发器 风量1600m3/h8冷凝器 循环风量550m3/h9辐射毛细管 10m210压缩机 制热最大允许压力2.6MPa,大1.5P(制冷功率1150W),制热功率1340W,EER/COP,2.78/2.95

表2 温度传感器符号解释表

1.2 系统运行介绍

太阳能辅助空气源热泵采暖系统由两个环路组成：太阳能水循环环路和制冷剂循环环路。系统流程图如图3所示。水循环环路的组成部分有：太阳能集热器、水箱、板式换热器、水泵；制冷剂循环环路的组成部分有：压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等。图4为太阳能水循环环路，由于水温不会太高，循环水直接采用自来水，太阳能循环环路采用了横排全玻璃真空管集热器，集热面积总计12 m2，集热水箱为0.33 m3。制冷剂循环环路，采用了R22作为制冷剂，压缩机蒸发器及冷凝器采用1.5匹标准家用空调，放置在室内的板式换热器与室外蒸发器并联，用于太阳能热水与制冷剂换热。冬季，水箱中的自来水通过循环水泵被输送至屋顶的太阳能集热器进行吸热，完成吸热过程后回到水箱，如此循环来获得低温热水。同时，水箱中的热水被泵送至水——制冷剂板式换热器，在换热器中进行制冷剂和低温热水的热量交换，制冷剂吸收低温太阳能热水的热量后，充分蒸发，经过压缩机压缩，进入室内冷凝器与空气进行热量交换，换热完成后，经过节流阀，又进入下一个蒸发过程。夜晚太阳落下，室外温度较低，为了避免进出太阳能集热器的水管冻裂，将关闭太阳能集热系统，水全部回到水箱，这样便解决了常见的水管冻裂问题。

图3 太阳能辅助空气源热泵采暖系统原理图1：太阳能集热器；2：水箱；3：压缩机；4：板式换热器(制冷剂和水换热)；5：蒸发器(制冷剂和空气换热)；6：节流阀；7：室内散热器；8：冷凝换热器

图4 太阳能水循环环路

2 性能指标

在太阳能辅助空气源热泵采暖系统中，太阳能集热器的瞬时集热效率为太阳能集热器获得的有用功与集热器参考面积上的总太阳辐照度的比值，用ηi表示，可由(1)式得到：

(1)

式中，mw—集热器的水的质量流量;cw—水的定压比热；Ac—集热器的采光面积,本实验取10 m2；It—采光面上瞬时太阳辐射强度；T1、T2同表2。

热泵机组的瞬时性能系数COP由(2)式得到：

(2)

式中，ca—空气的定压比热；ma—冷凝器的空气质量流量；P—热泵机组的电功率；T15、T14同上。

3 实验结果与分析

本次实验测试于2014年1月17日进行，该日平均气温-9℃，相对湿度31%，早上9点开机运行，对系统进行为期一个星期的测试。利用自控系统对数据进行实时监测，测试的数据有：集热器水进出口温度、换热器制冷剂进出口温度、换热器水进出口温度、室内空调器制冷剂进出口温度、空调器出口温度、室内温度等，然后对测得的数据(1月18日所测得的逐时数据)进行分析。

太阳能集热器进出水温度随时间的变化情况如下图5所示：

图5 集热器进出水温度随时间变化

从上图可以看出，集热器进水温度从26℃上升至52℃，系统运行稳定后，进出水温差始终保持在4℃左右，系统的蓄热量基本保持恒定，这完全可以满足空气源热泵机组蒸发侧温度的要求。

水箱和集热器中一共有220 kg的循环水，集热器进水管中水的质量流量为0.15 kg/s，根据实测的当地逐时太阳辐照及集热器的逐时进出口水温，利用(1)式，可以计算得到太阳能集热器的集热量、蓄热量和逐时集热效率，如下图6所示：

图6 太阳能集热器的集热量、蓄热量和集热效率随时间变化

从图6可以看出，随着太阳辐照度的增加，集热器的集热量和蓄热量也同时增加。但是太阳能集热器的集热效率从55%降到23%，这是因为太阳能集热效率除了受太阳能辐照度的影响外，也和循环水温度有直接关系，当循环水温度高时，集热效率就降低，反之就高。所以，随着集热器进水温度的上升，集热效率逐渐下降。

在纯空气源热泵中，蒸发器中制冷剂的蒸发温度偏低，因而制热效率比较低。而有了低温太阳能热水的辅助，如图7所示，热泵的蒸发温度有了明显提高，换热器中制冷剂进出口平均温差达到了6℃，在这种情况下，热泵能够稳定、可靠地运行。可见，太阳能辅助空气源热泵采暖系统是一个行之有效的解决冬季空气源热泵蒸发温度低下的解决方案。

图7 太阳能辅助空气源热泵模式换热器中制冷剂进出口温度随时间变化

纯空气源热泵和低温太阳能热水辅助空气源热泵室内空调器进出口制冷剂温度随时间的变化分别如图8、图9所示；

图8 单一空气源热泵室内空调器进出口制冷剂温度随时间变化

图9 太阳能辅助空气源热泵室内空调器进出口制冷剂温度随时间变化

对比图8和图9，可以清楚地看到，在太阳能辅助空气源热泵运行模式下，室内空调器进口制冷剂温度明显上升。在纯空气源运行模式下，制冷剂进出口平均温差只有13℃，而在太阳能辅助模式下，该温差达到33℃，提高了20℃。因为有了低温太阳能热水的辅助，使热泵蒸发温度大幅提高，制冷剂循环量增加，系统制热量也明显增大。

图10为两种工况下室内温度随时间变化折线图，在纯空气源热泵运行模式下，室内平均温度只有19℃。站在室内空调器的下面，会有一种吹凉风的感觉，严重影响人们的舒适感，降低正常的工作效率。而在太阳能辅助热泵运行模式下，室内空气品质有了明显改善，平均温度达到了23℃，人们对该温度表示满意，工作效率显著提高。

图10 两种模式下室内温度随时间变化

图11为纯空气源热泵与太阳能辅助运行模式下系统供热量随时间变化的折线图。可以注意到，在纯空气源热泵运行模式下，系统的供热量基本不能满足建筑物热负荷的需求，因此室内温度偏低，热舒适度不够。并且该模式下，系统的供热量也不很稳定，变化幅度比较大，系统不能稳定运行。而在太阳能辅助空气源热泵运行模式下，系统供热量稳定，基本不随时间的变化而变化。并且系统的供热量大于房间的热负荷(房间热负荷为2.4 kW，系统供热量平均为3.2 kW)，室内温度明显提升，室内热环境得到有效改善。

图11 两种模式下系统制热量随时间变化

图12为两种运行模式下，热泵机组COP随时间变化的折线图。从图中可以观察到，纯空气源热泵机组的COP随时间变化比较大，其平均值只有2.2左右，总体来说比较低(相较于热泵机组名义COP2.9)。这主要是由于室外气温比较低，导致机组蒸发温度较低，制冷剂蒸发困难，机组的的运行严重偏离额定工况。并且纯空气源热泵机组的COP值变化幅度相对较大，这是由于室外气温偏低，机组为了剪短除霜时间造成的。而对于有太阳能辅助的运行模式来说，热泵系统的COP达到了3.5，比纯空气源运行模式提高了1.3。并且有了低温太阳能热水的辅助，热泵机组的COP相对来说比较平稳，基本没有波动，且大于其额定工况下的COP,说明系统运行稳定、高效。

图12 两种模式下热泵机组COP随时间变化

根据两种运行模式下的COP的变化，可以计算出该类建筑在有太阳能热水辅助条件下的节能量，如下图13所示：

图13 两种模式下的耗电量随时间变化

从上图可以看出，在有太阳能热水辅助的运行模式下，系统耗电量明显减少，在该段时间内，系统相较于纯空气源热泵机组，节省电量1.8 kW·h，节能32%(单一空气源热泵模式在该时段耗电为5.625 kW·h，太阳能辅助模式耗电为3.825 kW·h)，所以，太阳能热水辅助空气源热泵系统节能效果明显。

4 结论

本文在传统空气源热泵的基础上，建立了低温太阳能热水辅助空气源热泵采暖系统，通过对两种运行模式下的实验数据进行比较、分析，得出了下列结论：

(1) 在本系统中，随着太阳能辐照度的增加和集热器进水温度的升高，太阳能集热器的集热效率逐渐降低，从最开始的55%降至后来的23%。

(2) 在纯空气源热泵系统运行模式下，室内平均温度只有19℃，热舒适性得不到保障。而有了低温太阳能热水的辅助，室内平均温度达到了23℃，比纯空气源热泵运行模式提高了4℃，热舒适性较好，室内人员普遍比较满意。

(3) 有了低温太阳能热水的辅助，热泵的蒸发温度明显提高，制冷剂循环量增加，机组的COP显著提升，达到了3.5。和纯空气源热泵运行模式下的2.2相比，增加了1.3，系统制热量也明显加强。

与传统的空气源热泵系统相比，太阳能辅助空气源热泵系统增加了制热量，提升了COP，室内温度明显提高。其能够高效、可靠、稳定地运行，且具有节能、环保的优点，有望为国家的节能减排贡献力量。

[1] G.Panaras，E.Mathioulakis ，V.Belessiotis.Investigation of the performance of a combined Solar thermal heat pump hot water system [J].Solar Energy,2013,93: 169-182.

[2] 俞丽华，马国远，徐荣宝.低温空气源热泵的现状与发展[J].建筑节能，2007，35：54-57.

[3] 张维亚，魏鋆.冷热源工程[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[4] Yin Liu,Jing Ma,Guanghui Zhou.The Coupling Performance of a Solar-Air Heat Pump.Engineering，2011(15):4058-4062.

[5] 王心如，潘嵩，许传奇，等.低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的节能研究[J].制冷与空调，2015，10(15)：16-19.

[6] 胡月波，吴金顺，张维亚.低温太阳能热水辅助空气源热泵系统制热系数实验分析[J].建设科技，2014.：29-33.

Experimental Analysis of Energy Efficiency of a Solar Assisted Air-source Heat Pump System for Space Heating

JIN Hao1，TAN Hong-yan1，CUI Xiao-yue2，ZHANG Wei-jie2,WU Jin-shun3

(1.Collegeofresourcesandcivil,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan,114000,China;2.Instituteofurbanconstruction,HebeiUniversityofEngineering,Handan,056038,China;3.CollegeofConstructionEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

The standard-alone air-source heat pump (ASHP) system usually has a very poor heating efficiency in the cold climate due to its inherent technical constrain of low evaporation temperature .This paper thus adopted a solution of a solar assisted air source heat pump (SASHP) system for heating and set up a SASHP system’s testing board .Parameters such as the temperature of import and export of refrigerant and indoor air temperature of the two operating modes of ASHP system and SASHP system were tested and compared ,then the heating capacity and the coefficient of performance (COP) were calculated and analyzed .Compared to the ASHP system,the proposed SASHP system could increase the indoor temperature by 4℃; the COP of 1.3 times and the system could operate stably,reliably and efficiently.Compared with the conventional ASHP system,SASHP system has great potential to environmental protection and energy saving.

ASHP；Solar；Heating performance；heating efficiency

2016-08-16

中央高校基本科研业务费资助项目(3142013095)

晋浩(1992-)，男，山西霍州人，辽宁科技大学在读硕士研究生，研究方向：可再生能源应用。 E-mail：764317634@qq.com

TU831

A

1672-7169(2016)05-0082-07