空气源热泵热水系统运行性能研究

孔琳琳

郑州轻工业学院

空气源热泵热水系统运行性能研究

孔琳琳

郑州轻工业学院

在只考虑环境因素和天气的情况下提出了太阳能热泵热水系统调度策略，以提高对太阳能的利用。首先在空气源热泵加热系统动态方程的基础上，给出了空气源热泵制热量的预测方法，然后从能量的角度给出调度策略的运行步骤，在求得热泵制热量的基础上，对当前热水所含的热量与目标热水所含热量进行比较，求取热泵开启的时间，实现对热泵的控制。通过在实际工程中的应用比较，证明该节能运行策略能够推迟热泵的开启，进而缩短热泵的运行时间，太阳能利用率得到了一定的提高。

空气源热泵；热水系统；直热式；COP

导言

随着社会经济的快速发展，传统能源枯竭和环境污染严重的问题日益凸显，太阳能作为无污染的绿色能源受到了社会的普遍关注。利用太阳能系统产生热水的技术应运而生并得到了快速的发展。目前太阳能热泵热水系统技术相对成熟。在实际的工程应用中，太阳能的热利用为系统节约了能量，但由于其不稳定特性和目前太阳能热泵系统的调度策略不完善，还不能有效地推算热泵的开启时间。因此，在太阳能热泵热水系统中太阳能利用还有很大的开发潜力。本文在已有研究成果的基础上，考虑太阳辐照度的难预测性和实际工程中对用水的定时定量定温度的限制条件，从能量的角度，结合实际工程，在光照不足的情况下，给出一种调度策略，以提高系统的太阳能利用率。

1 系统工作原理

本文中系统为并联式太阳能空气源热泵热水系统，此系统主要包括太阳能子系统和热泵子系统。太阳能子系统由集热器、集热循环泵、管路系统、控制器等组成;热泵子系统主要由热泵循环泵、压缩机、套管式换热器、膨胀阀及复合蒸发器组成。其工作原理如图1所示，太阳能和空气源热泵并行提供热量，二者之间相对独立，又能够实现优势互补。在光照充足的情况下可以运行太阳能子系统加热水箱中的水，热泵系统关闭;在阴雨天气的情况下，开启热泵子系统产生热量加热;在光照不足的情况下，需要太阳能子系统和热泵子系统联合加热，弥补因天气情况由太阳能作为单一热源无法连续提供热量的不足。

2 数据分析

57%本次测验时间为2015年4月21日16：00至22日16：00。测验期间环境均匀温度23.27℃、进水均匀温度24.83℃，敞开4台空气源热泵热水机组，并选用直热运行形式，2台冷水供水泵和1台热水供水泵处于运用状况。其中，热水体系每日23：30至次日9：30断电，宿舍用水时间为11：30～13：30和16：30～23：00。热水体系供电形式和用水规律以及测验时期室外环境温度改变曲线。

2.1 温度参数

水箱及空气源热泵热水机组进出水温度的改变曲线。能够看出，实验测验时期，空气源热泵热水机组于21日16：40至18：00和22日9：30至15：十发动2次，发动时间分别为80min和340min。在热泵运行时期，机组处于较为安稳的作业状况，热泵机组进出水温差保持在21.53℃，水箱温度随空气源热泵机组继续运行而呈上升趋势，但是因为热泵运行前保温水箱内水量不一样，致使两次热泵运行过程中水箱温度增加速率有所区别。21日时由于水箱存水量较多、热容较大，致使热泵机组出水温度一向高于水箱温度，而在22日时，因为水箱中绝大部分热水已于前一日被耗费殆尽，致使热泵运行后水箱温度快速增加，并终究与热泵出水温度到达一致。

在热水提供时期(即11：30～13：30和16：30～23：00)，因为热水不断被用户所运用，水箱内水量逐渐减小，水箱中外部空气不断进入以及水箱的热丢失，形成水箱温度缓慢下降。此外，受到间歇式热水提供形式的影响，加之热水管网杂乱、水容量较大等要素，非热水提供时期管道中热水冷却散热明显，致使热水供水泵再次发动刹那间很多管道冷水与水箱热水混合，导致水箱温度突变的景象呈现。以22日11：30为例，管道中的高温热水经过一晚约十h的冷却过程后，再次回到水箱时，水箱温度从47℃骤变至44.3℃，温降达2.7℃以上。在热水体系断电时期(即23：30至次日9：30)，受到水箱保温和水箱水量等要素的影响，水箱温度呈下降趋势，热量流失疑问突出，水箱温度从35.1℃下降至27.6℃，温度减低7.5℃。

2.2 功率参数

空气源热泵热水体系中单台热泵机组、补水泵以及热水泵的逐时功率和电量耗费分布状况。在设备功率上，空气源热泵功率最高，约十.68kW，其次为热水泵，约4.28kW，冷水补水泵最低，约1.49kW。为确保体系最不使用水点的热水需要，热水泵选型较大，水泵功率已到达空气源热泵机组功率的39.3%。从电量耗费来看，受到运行时间和设备功率等要素的影响，热泵机组、热水泵和冷水补水泵的电量耗费顺次为246.2kWh、36.36kWh和17.44kWh，分别占到总体系电耗的82.07%、12.12%和5.81%。

3 结语

本文中分析了太阳能热泵热水系统的运行原理和目前太阳能热泵热水工程中存在的问题，提出了节能控制策略的方案。解决了传统控制策略的弊端。在用户的用水时间、用水温度、用水量确定的情况下，系统可以推算热泵启停的时间。通过在实际工程中的应用，发现该调度策略在天气良好的情况下能够有效地推迟空气源热泵的开启时间和减少空气源热泵的运行时间，提高系统的太阳能利用率，有效提高了系统的节能效果。此调度策略对太阳能热泵热水系统的优化和发展具有一定的意义。

[1]卜萃文.重庆地区学生公寓空气源热泵热水系统的优化运行研究.重庆大学，2014(1)：23.

[2]黄虎，李奇贺，袁冬雪.空气源热泵热水机组变工况运行的实验研究.建筑科学，2015.12，23(12)：68-71.