不同气候区太阳能-空气源热泵热水系统运行性能评价

(1 天津城建大学能源与安全工程学院 天津300384； 2 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300074； 3 广东万和新电气股份有限公司 佛山528305)

随着生活水平的提高，人们对生活热水的品质要求也逐渐提高。作为新能源热水器的两大主力，太阳能与空气源热泵行业各具优势。作为家庭用热水解决方案，空气源热泵与太阳能复合热水系统将大大拓展应用空间[1]。夏热冬暖地区具备较好的太阳辐照条件，但阴雨天气相对太阳能资源较丰富的华北、西北地区较多，对太阳能集热装置的全年运行效果具有显著影响；而该地区全年气温多分布于空气源热泵热水器的名义工况及高温工况，因而具有较高的运行能效系数[2-3]。通过分析人们生活热水的用水习惯，发现使用时段多集中在晚上。太阳能集热器供热能力受日辐照强度影响明显，且供热峰值出现在中午时段，而空气源热泵可以全天持续提供稳定的热量。两者组合可以高效、稳定地提供满足需求的热水量，在满足热水负荷下能达到可观的节能环保效果。

环境温度或供热负荷的变化，可能会导致热泵瞬时特性的变化，分析其季节性能系数有重要的理论意义和实用价值[4]。本文通过分析太阳能-空气源热泵热水系统在不同地区的运行性能，得出系统的全年综合能效系数和太阳能贡献率。为不同气候区下太阳能-空气源热泵热水系统的优化设计和区域适用性评价提供依据。

1 热水系统布局及生活热水分析

1.1 生活热水系统布局

太阳能-空气源热泵热水系统在不同地区搭建需结合当地建筑形式，灵活安装。太阳能集热器一般安装在南向屋顶或阳台外侧，根据当地太阳高度角确定安装倾角；空气源热泵外机安装在室外通风较好的位置；储水箱安装在空间较大的房间角落即可。图1所示为太阳能-空气源热泵热水系统简图。

1储水箱；2空气源热泵热水器；3太阳能集热器。图1 太阳能-空气源热泵热水系统简图Fig.1 Schematic diagram of solar-air source heat pump hot water system

图2 实验测试系统原理Fig.2 The principle of experimental test system

1.2 热水使用习惯分析

1)我国生活热水主要用于洗浴，对于典型家庭来说，洗浴用水的温度(热水与冷水混合后的水温)一般为40 ℃，用水情况较为稳定[5]。

2)早上洗漱会有部分热水消耗，人们的洗浴习惯主要集中在晚上(洗澡和洗脚)，其他时间段使用热水较少。

1.3 生活热水模型

供热系统中生活热水热负荷取决于冷水温度、热水温度和热水用量。日均热水负荷为：

Qd=mqrρcp(tr-tL)

(1)

式中：Qd为日耗热量，kJ；m为用水计算单位数；qr为热水用水定额，取值75 L；cp为水的比热容，kJ/(kg·℃);tr为规范[6]中选取的热水计算温度，60 ℃；tL为规范[7]中选取的冷水计算温度，℃。

结合国人热水使用习惯，参考日用水负荷分布中用水时间表及热量消耗比例[8]，生活热水逐时使用热水量为：

Qw1=QdKh

(2)

式中：Qw1为生活热水逐时放热水量，kJ；Kh为本小时内用热量占总热量的比例，%。

表1 生活热水日用热量时间表Tab.1 Domestic hot water daily heat schedule

2 测试系统及方法

2.1 实验装置

图2所示为实验测试系统原理。系统按照3～5人日用水量进行主要单元设备的选配，太阳能集热单元选用2块面积为1.79 m2的平板型集热器，热泵机组额定制热量为5.2 kW，蓄热水箱容量为300 L。该系统有3个循环回路：1)太阳能集热器系统，工质在集热板吸收太阳能，温度升高，经管路流入水箱下部盘管，与水箱中的水进行换热，后流回太阳能集热器再次加热；2)空气源热泵系统，系统运行时，冷水在循环水泵的作用下从水箱流入热泵系统的冷凝器中加热，然后热水流回水箱；3)热水供应系统，自来水从水箱底部进入，热水从上部流出供用户使用，如此循环。系统设备规格型号如表2所示。

表2 实验系统设备规格Tab.2 Equipment specifications of experimental system

2.2 试验工况确定

1)热泵进水侧温度界定

依据用户侧热水需求温度约为40 ℃，考虑空气源热泵的COP随热水进口侧温度升高而降低，设定储水箱水温达到45 ℃时，空气源热泵停止工作，当水温低于40 ℃时，机组运行。在满足用户热水温度需求的情况下，使空气源热泵机组在较高的机组性能下运行。

参考表1全天时刻用热量，最大用热量占总热量的25%。当自来水温度为10 ℃，水箱温度为45 ℃，单次取热量为总热量的25%时，水箱水温下降8.75 ℃。在热泵机组工作情况下，水箱温度可维持约为40 ℃。

综上可得系统在稳定运行的情况下，储水箱水温不会发生陡降陡升式波动，热水系统全年运行的大部分时间储水箱温度约为40 ℃。由此确定空气源热泵机组试验工况的进水侧温度为40～45 ℃。

2)热泵空气侧温度界定

参考标准[9]中空气源热泵热水器的试验工况空气侧温度为-7、2、7、20、43 ℃。结合我国大部分地区气温分布区间，工况点的选择应在室外干球温度区间中均匀分布，则确定试验工况空气侧温度为-7、2、7、20、30 ℃，下文称为空气源热泵试验工况。

3)太阳能集热器试验工况

太阳能集热器热效率η定义为在测试日内集热器供给储水箱的热量与太阳能日辐照量的比值:

(3)

式中：η为太阳能集热器热效率；Qs为集热器为储水箱提供的热量，kJ；φ为太阳能日辐照量， MJ/(m2·d)。

考虑热水系统全天运行时，储水箱水温大部分时间在40～45 ℃，即太阳能集热器蓄热初始水温约为40 ℃，设定试验工况储水箱水温为40 ℃。η受太阳能辐照强度影响明显，则将太阳能日辐照量按照φ<8 MJ/(m2·d)、8 MJ/(m2·d)≤φ<13 MJ/(m2·d)、13 MJ/(m2·d)≤φ<18 MJ/(m2·d)、φ≥18 MJ/(m2·d)4个分区[10]进行热效率测试，实验确定不同辐照强度下的η，4个不同分区为太阳能试验工况。

2.3 实验步骤及计算方法

运用非稳态制热实验方法在选定的5个空气源热泵试验工况下运行机组，待热泵机组运行平稳后，记录一定时间段功率，计算对应时间段制热量，进而得出热泵机组在不同工况下的性能系数。

(4)

(5)

(6)

在选定的4个太阳能试验工况下运行太阳能制热单元，根据式(7)～式(9)计算测试日太阳能集热单元供给储水箱的热量和集热器热效率。

(7)

Qs=∑Qsi

(8)

式中：Qsi为Δτ时间内集热器提供的热量，kJ；q2为太阳能集热器系统质量流量，m3/h；ρ2为循环工质密度，kg/m3；cp2为循环工质比热容，3.7 kJ/(kg·℃)；Δτ为读数时间间隔，Δτ=15 s。

(9)

式中：S为集热器的采光面积，3.58 m2；φ为日辐照量，MJ/(m2·d)。

3 实验结果处理

3.1 空气源热泵机组实验结果

按照上文测试步骤及方法对空气源热泵机组进行变工况实验，控制热泵机组进水温度在40～45 ℃。

图3所示为5个空气源热泵试验工况下热泵机组压缩机功率随进水温度的变化。由图3可知，当空气侧温度一定时，热泵压缩机功率随进水温度升高而增加；当进水温度一定时，压缩机功率随空气侧干球温度升高而增加。

图3 热泵压缩机功率随进水温度的变化Fig.3 The power of heat pump compressor changes with inlet temperature

图4所示为5个空气源热泵试验工况下热泵机组COP随进水温度的变化。由图4可知，当空气侧温度一定时，热泵COP随着进水温度升高而降低；当进水温度一定时，热泵COP随着空气侧干球温度升高而升高。

图4 热泵COP随进水温度的变化Fig.4 COP of heat pump changes with inlet temperature

当空气侧温度一定时，较高的进水温度会增加压缩机功率，降低机组COP，应尽量降低热泵机组的进水温度，减少高进水温度下热泵运行时间，提高热泵运行性能；当进水温度一定时，空气侧干球温度与热泵机组COP呈正相关变化。

图5 热泵随空气侧干球温度的变化Fig.5 of heat pump changes with dry bulb temperature of air side

3.2 太阳能集热器实验结果

按照测试工况对太阳能集热器进行测试，图6所示为表3中太阳能试验工况3中日辐照总量为14.63 MJ/m2时集热器单位面积制热量(供给储水箱的热量)与太阳能瞬时辐照量关系。太阳能集热单元日运行时间受日辐照强度影响，通过测试，日平均运行时间取5 h，系统耗电功率为0.1 kW。

图6 集热器单位面积制热量与太阳能瞬时辐照量关系Fig.6 Relationship between solar collector heating capacity per unit area and instantaneous solar radiation

按日辐照量选取日辐照量分区中对应单位日进行测试，计算太阳能集热器热效率，结果如表3所示。

结合太阳能热效率与日照强度实际关系得到拟合式，如图7所示，为下文评价太阳能在不同气候区贡献率提供计算依据。

表3 不同日照强度下太阳能集热器热效率Tab.3 Thermal efficiency of solar collectors under different sunshine intensities

图7 太阳能集热器热效率与日照强度关系Fig.7 Relationship between thermal efficiency of solar collectors and sunshine intensity

4 不同气候区系统运行性能分析

分别分析太阳能-空气源热泵热水系统在寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区的运行性能，选取不同气候区代表城市依次为天津、上海、广州和昆明。对比系统在不同气候区的综合能效系数，评价该系统在不同气候下的适用性及优越性。

4.1 不同地区代表城市典型年气象数据分析

分析上述4个城市典型年气象数据[11]，统计日平均温度频数分布(如图8所示)和太阳能日辐照量。结合前文实验得到的拟合式，以日平均温度为热泵空气侧温度，确定热泵日COP，计算热泵单元和太阳能集热器单元的日制热量，将系统日运行能效作为权重，加权计算得到系统年综合能效系数(APF)。

图8 不同地区日平均气温天数统计Fig.8 Statistics of daily average temperature days in different areas

4.2 日热水负荷计算

实验热水系统中设备容量拟承担3～5人生活热水需求，用水单位数m取4，参考规范中不同城市冷水计算温度,如表4所示。按照冷水计算温度的最低值取值，代入式(1)计算不同地区日均热水负荷Qd。

热水系统运行期间有一定热量损失，其大小与热水温度、系统保温性能、周围环境温度有关。文献[12]中热水系统日热量损失，按日均热水负荷的5%计算，则日热水负荷Q计算式为：

Q=Qd(1+5%)

(10)

4.3 不同地区空气源热泵热水系统年综合能效系数

热水负荷由空气源热泵机组单独承担，根据式(11)计算得出系统年综合能效系数APFh。由表4可知，夏热冬暖地区较其他3个地区高温天数偏多，空气源热泵运行COP高，则夏热冬暖地区是其应用的最佳地区，其它地区有很大的推广应用潜力。

(11)

式中：Qj为不同工况下日热水负荷，kJ。

4.4 不同地区组合系统年综合能效系数

1)热水系统太阳能贡献率

根据前文的测试结果和不同地区日辐照情况，分析不同城市在满足年生活热水负荷下的太阳能贡献率。如图9所示，天津地区集热器年制热量较大，此地区太阳能资源丰富，太阳能利用可有效提高热水系统能效；昆明地区太阳能贡献率最高，可达38.62%。

图9 不同地区太阳能年贡献率Fig.9 Annual contribution rate of solar energy in different areas

2)不同地区组合系统年综合能效系数

热负荷由太阳能集热器和空气源热泵机组共同承担，由式(12)可得组合系统年综合能效系数APFs。

(12)

式中：Ws为太阳能集热器日耗电量，kW·h。

4.5 结果分析

图10所示为不同地区组合系统与单空气源热泵APF对比。由图10可知，单热泵热水器承担热水负荷时，夏热冬暖地区APF最高，可达3.79，寒冷地区最低；组合系统共同承担热水负荷时，组合系统APF较单空气源热泵运行均有较高的提升，其中温和地区太阳能使系统能效提高35.67%。

表4 不同地区组合系统年综合能效系数APFTab.4 System annual performance factor in different areas

图10 不同地区组合系统与单空气源热泵APF对比Fig.10 Comparison of APF between combined system and single air source heat pump system in different areas

5 结论

通过实验测试空气源热泵机组和太阳能集热器单元在典型工况下的运行性能及能效系数，寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区中，分别选取天津、上海、广州和昆明4个城市，结合国人生活用水习惯，分析该系统在不同地区3～5人典型住宅用户生活用水负荷下的运行性能，根据不同城市典型年气象数据加权计算得出该热水系统在不同气候区年综合能效系数，得到如下结论：

1)环境温度和水箱温度是影响热泵机组性能的重要因素，当空气源热泵进水温度一定时，随室外环境温度升高，热泵COP有较好的正相关性；当室外环境温度一定时，热泵耗电量随进水温度的升高而增大。建议热泵机组以储水箱水温低于40 ℃启动，高于45 ℃停止，在满足热水温度要求的情况下提升热泵机组性能，达到节能效果。

2)当太阳能-空气源热泵热水系统中空气源热泵作为独立热源时，室外环境温度是影响系统能效的主要因素，对比4个典型地区太阳能-空气源热泵热水系统年能效系数，其中夏热冬暖地区APF最高，系统优势突出；寒冷地区APF虽然偏低，但相比于电热水器系统具有明显的节能优势，具有推广意义。

3)当太阳能-空气源热泵组合热水系统组合供热水时，系统在热泵的运行优势上充分利用太阳能，进一步提高系统能效。计算分析太阳能-空气源热泵组合热水系统年综合能效系数，较热泵单独运行均有明显的提升。

4)本文分析评价了相同形式的热水系统在4个典型气候区的运行性能，若使系统在不同地区达到更佳运行性能，提高能源利用效率，需根据不同地区气象条件对关键设备进行优化匹配，系统的优化匹配可进行进一步分析研究。