低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的节能研究

李国华

摘 要：由于寒冷地区冬季空气源热泵因为外界温度环境大幅降低而出现的制热效率变低的现象时常出现，为了解决这一问题，把太阳能热水系统以及空气源的热泵系统进行有机的结合，将原有的系统改变为低温太阳能热水辅助空气源热泵系统，本文首先介绍了经过改造之后的系统原理，然后对将前后进行对比得知，低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的制热量是改造前系统的大概2.1倍，能够有效的实现节能要求。

关键词：空气源热泵；太阳能；制热效率；节能

引言

在空气热源泵在寒冷地区冬季使用的过程中，机组运行的环境相对比较恶劣，随着外界环境温度不断的降低很容易造成室外盘管结霜现象的出现，这样造成机组的实际运行效率不断的降低，严重的会影响正常的启动。为了解决原有空气源热泵在寒冷地区冬季制热效率较小的现象，需要对其进行改造，在改造方案的制定过程中主要是对于太阳能集热器的加入，将太阳能热水为低位提供热量，有效的提升制冷剂的温度，这样就能够有效的改善外界环境盘管的结霜现象，进一步的提升机组的制热效率。

1、理论分析

COP（制热系数）作为衡量热泵机组工作效率高低的主要指标，只跟机组工作的高低温热源的实际温度有着联系。根据下式得知，在高温热源的实际温度没有变化时，COP只和低温热源的实际温度有关系，而在低温太阳能辅助空气源热泵系统中，对于太阳能的加入能够有效的提升制冷剂的温度，进一步的提升热泵机组的实际制热效率。

其中，q0：单位质量制冷剂制热能力

T0：低温热源的温度

T∞：高温热源的温度

W：单位质量制冷剂耗功量

2、实测分析

2.1 改进系统图

太阳能集热器流出的水以及制冷剂实际换热的位置在板式换热器中进行，主要四通换向阀以及压缩机，最终达到室内机来实现冷凝放热工作，冷凝放热就会进入板式换热器，这样一来就形成了制冷剂循环环路。在这样的系统中，热泵机组的蒸发器就是板式换热器，实际实现制冷剂以及热水来进行换热，热水是太阳能而吸收的热量，这样一来能够有效的提升制冷剂的实际蒸发的温度。改造后的系统原理见图1。

2.2 实测结果分析

2.2.1 太阳能集热分析

衡量改造后的系统的主要参数就是太阳能集热器的集热量。图2 是太阳能集热器进出口循环水的温度的变化曲线。

改造后的系统的太阳能集热器的出口循环水的温度基本恒定在41摄氏度左右，而进水口的循环水的温度相对基本稳定在22摄氏度左右，进水口以及出水口的循环水的温度相差基本在19摄氏度左右，因此，太阳能集热器的蓄热能力是非常稳定的，这样能够有效的保障制冷剂蒸发的实际温度。

2.2.2 空气源热泵系统分析

因为寒冷地区冬季的外界温度是非常低的，这样就很容易造成蒸发温度也变得非常低，对于热泵机组的制热效率产生直接影响，图3是室内温度以及空气源热本系统在正常运用的过程中冷凝器进出口的制冷剂的实际温度和时间的变化曲线。

当系统在正常的运行过程中，冷凝器的进出口的制冷剂的温度是相对比较稳定的，其中进口的温度基本保持在60摄氏度，出口温度基本保持在35摄氏度，两者之间的温度差也就相对比较稳定在25摄氏度，这种情况下的室内温度相对比较低，人们的舒适度相对较低。

2.2.3 太阳能辅助空气源热泵系统分析

在改造后的系统中，系统的蒸发器就是制冷剂的换热器，在改造的系统正常运行三个小时之后，蒸发器的进出口制冷剂的温度也就比较恒定的，其中进口的温度保持在24摄氏度左右，出口的温度基本保持在12摄氏度左右，两者之间的温度差为12摄氏度。

在改造系统正常运行三个小时之后，冷凝器进出口的温度是相对比较恒定的，其中进口的其中室内的温度大致恒定在23摄氏度，相对于改造之前的温度提升了3摄氏度左右。

2.2.4 空气源热泵系统与低温太阳能辅助空气源热泵系统对比分析

在实际试验过程中对于冷凝器进出口制冷剂温度以及耗电量的相关数据进行记录，基本频率保障在每十分钟一次。通过相关的计算来得出COP。

改造之前的系統的COP基本在1.6左右，造成之后的系统的COP有了大幅度的提升至3.5左右，大约提升了2.2倍。所以，改造之后的低温太阳能热水辅助空气源系统能够有效的提升机组的制热性能。

改造之前的耗电量基本在0.16Kw左右，而低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的耗电量在0.14kw左右 ，实现了更加节能的效果。

改造之前的制热量基本在1.6Kw左右，而低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的制热量在3.3kw左右 ，因此低温太阳能热水辅助空气源热泵系统能够达到制热效率高以及节点节能的预期效果。

3、结论

综上所述，对于原有系统进行改造，在原来的基础上加入太阳能集热器，能够有效的对于太阳能进行利用，使得蒸发器内的制冷剂的温度得到有效的改善，最终保障热泵机组的制热效率的变高。

参考文献

[1]董旭，田琦，武斌.太阳能光热空气源热泵制热技术研究综述[J].太原理工大学学报，2017（3）：443-452.

[2]王晓丹，饶政华，孙炜，等.太阳能与空气源热泵联合供热水系统控制策略的研究[J].太阳能，2016（4）：54-59.

[3]王文周.太阳能结合空气源热泵系统应用研究[J].城市建筑，2014（6）：311-311.

[4]王伟，南晓红，马俊，等.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨[J].制冷与空调：四川，2011，25（5）：438-442.

[5]钱金龙.太阳能空气源热泵采暖效率的研究[J].洁净与空调技术，2015（3）：79-81.endprint