太阳能-空气源复合热泵热水器的性能分析

◎ 张 玺，张瑞杰

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

随着经济的快速发展，高耗能带来的能源和环境问题日益突出，建筑能耗中供暖和空调系统能耗占比高达60%。热泵技术可以将环境中低品位能提升为可利用的高品位能，具有方便高效、节能环保等优点。李正[1]对不同环境温度工况下跨临界CO2空气源热泵进行模拟与试验数据对比分析，结果表明，当气冷器出口温度一定时，环境温度越高，系统COP越大；当环境温度一定时，气冷器出口温度越低，系统COP越大。对于以上海为代表的夏热冬冷地区，使用CO2热泵供热年度运行成本将比燃煤锅炉节省18.8%，比壁挂燃气炉节省20.1%。俞庆等[2]对二氧化碳空气源热泵系统混合工质进行研究，结果表明，CO2/R41混合制冷剂系统的COP比纯CO2系统提高7%；在蒸发温度为-5 ℃，气冷器出口温度为45 ℃时，CO2/R41系统的单位制冷量增加26.1%，制热量增加18.3%。DENG等[3]围绕太阳能辅助二氧化碳热泵的节能、冷却特性等展开研究，结果表明，在温度为7.7 ℃时，系统COP仍可高达3.8，每年可降低19.3%的电能消耗。SAKAWA等[4]从理论层面对二氧化碳热泵热水器进行研究，在研究过程中，发现系统可以提供高达90 ℃的热水，并且系统的COP平均值可以维持在3.0。刘朋等[5]以某住宅建筑为例进行模拟，对太阳能-空气源热泵采暖系统进行分析，发现太阳能-空气源热泵系统相比单独使用空气源热泵、电锅炉系统设备，其节能效果更好。李旭林等[6]发现太阳能与空气源热泵耦合系统能有效提高冬季空气源热泵工作效率，并提出以双源蒸发器为核心部件新型太阳能—空气双热源耦合系统，实现能源的T级利用，解决了严寒地区清洁供暖问题。高雅洁等[7]提出太阳/空气能集热蒸发器是一种表面涂有太阳能选择性吸收材料的新型翅片管式换热器，可在换热过程中同时吸收太阳能和空气能。刘杰等[8]利用TRNSYS对太阳能-空气源热泵系统的不同连接形式进行模拟分析，利用太阳能作为系统的辅助热源，与空气源热泵串联后系统更加稳定节能。王德闯[9]针对济宁市民建筑的供暖系统进行改造，设计的太阳能辅助空气源热泵系统节能效果提高36.8%。孙茹男等[10]对空气源热泵供暖技术进行分析，结果表明，空气源热泵通过多热源辅助、补气增焓等技术优化后，系统COP提升效果显著。何璇[11]通过仿真软件构建槽式太阳能集热器与CO2空气源热泵复合供暖系统进行分析，结果表明，复合供暖系统在集热温度为120 ℃，蓄热温度为83 ℃，太阳能同时供热蓄热温度为70 ℃，太阳能单独供热温度为65 ℃，太阳能不直接参与供热温度为55 ℃的条件下，太阳能保证率达到65.1%。李世孝[12]对空气源热泵耦合太阳能集热器供暖系统进行能效分析，结果表明，空气源热泵单独承担供暖负荷时，季节能效系数为2.48；其与太阳能集热器耦合共同承担供暖负荷时，季节能效系数为2.7，运行能效提高8.9%。

1 试验内容

1.1 太阳能-空气源复合热泵系统原理

太阳能-空气源复合热泵是将太阳能和空气源热泵相结合，在冬季室外温度过低的情况，靠太阳能收集到的热量供系统所需，既可以弥补空气源在低温环境下换热不足的缺点，也可以通过融霜来提高空气源热泵的系统性能。在阴雨天气，通过空气源侧的换热来弥补太阳能在阴雨天气状况下的不足。太阳能-空气复合热源热泵系统原理如图1所示。

图1 太阳能-空气复合热源热泵系统原理图

由图1可知，空气源热泵系统原理是关闭阀门1、2，关闭三通阀1、2、3，热源从空气侧进入到蒸发器，蒸发器中吸收热量的高温制冷剂进入到压缩机成高温高压的气体，进入气冷器后与水换热变成低温高压气体，高温热水供给用户，低温高压制冷剂进入节流装置进行降压，低压低温的液态制冷剂流回蒸发器，进行再次循环。

太阳能-空气源复合热泵系统原理是开启阀门1、阀门2、三通阀1、3，蓄热水箱底部低温溶液通过阀1进入换热器完成循环，换热后的低温乙二醇溶液通过阀2返回。蒸发器同时吸收太阳能和空气侧的热量，温度升高的制冷剂进入压缩机，成高温、高压的气体，进入气冷器后与水换热变成低温气体，高温热水供给用户，制冷剂进入节流装置进行降压，然后再流回蒸发器。

1.2 试验装置

本试验利用恒温恒湿实验室内的双热源复合热泵实验台，对机组进行性能测试。实验台如图2所示。如图3所示，结构参数见表2。

表2 双热源复合换热器结构参数表

图2 双热源复合热泵室内机与室外机图

图3 双热源复合换热器结构图

本试验使用的压缩机型号为SG1675V-B6CT，容量为1 HP，转速2 500 r·min-1，制冷量0.93 kW，制热量0.87 kW，排量16.7 mL·r-1。节流装置使用管径为2 mm的紫铜毛细血管。冷凝器选用翅片式换热器，冷凝器结构参数见表1。蒸发器为双热源复合换热器，结构

表1 冷凝器结构参数表

1.3 试验测试方法

本试验模拟双热源复合热泵机组运行时的室内环境和室外环境，将双热源复合热泵系统的室内机和室外机分别布置在两个试验房间中。恒温恒湿实验室的两个试验房间分别由两组制冷机组控制环境温度和干湿度，模拟室内侧的试验房间由3台SHP制冷机以及加热加湿装置控制环境状态；模拟室外侧的试验房间由3台SHP和1台3HP制冷机以及加热加湿装置控制环境状态，根据试验所需的具体工况，选择开启的机组台数。试验流程如图4所示。试验数据测量采集系统为自动化自动测量采集方式，根据国家标准GB/T 2903—1998规定，温度测量由经校准的2×0.3 mm T型热电偶完成；被测机组的电参数由8967B型采集器采集，各种温度参数或者模拟信号由Agilent 34970A型采集器采集，采集的各项数据传送电脑，采集时间间隔15 s，实时记录试验数据。

图4 恒温恒湿实验室流程图

1.4 试验工况

太阳能中载冷剂是浓度为36%的乙二醇溶液，太阳能热水流量按照经济流速和与空气供热量适度平衡的原则，流量设置为0.3 m3·h-1，0.5 m3·h-1，0.7 m3·h-1，试验工况如表3所示。

表3 试验工况表

2 结果与分析

2.1 额定低温制热工况

图5 表示在环境温度为2 ℃额定低温制热工况下，太阳能进水温度相同，流量分别为0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1时，太阳能-空气源复合热泵与单一空气源热泵系统制热模式下的制热量、COP及用户侧出水温度随太阳能热水进水流量而变化。由图5（a）、（b）可知，单一空气源热泵系统制热量为1 960 W，COP为2.2。太阳能-空气源复合热泵系统制热量与COP均高于单一空气源系统制热量与COP，双源热泵系统制热量与COP也随着太阳能进水流量的增加而明显提高。在太阳能热水流量为0.7 m3·h-1，进水温度10 ℃时，双热源热泵系统制热量显著提升，提升了30.1%；进水温度达到15 ℃时，双热源热泵系统COP提升21%。图5（c）表明，太阳能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1条件下，用户侧出水温度随着太阳能进水温度提高而明显提高；水流量在0.7 m3/h，用户侧出水温度先升高再降低；进水温度10 ℃时，双热源热泵系统的末端出水温度提升27.6%。在室外环境温度2 ℃的额定低温制热工况下，太阳能-空气源复合热泵系统性能更优。

图5 室外环境温度2 ℃时双热源热泵与单一空气源热泵性能参数随进水流量变化图

2.2 最小制热工况

图6 表示环境温度为-5 ℃最小制热工况下，在太阳能进水温度相同，流量分别为0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1时，太阳能-空气源复合热泵与单一空气源热泵系统制热模式下的制热量、COP及用户侧出水温度随太阳能热水进水流量而变化。

图6 室外环境温度-5 ℃时双热源热泵与单一空气源热泵性能参数随进水流量变化图

由图6（a）、（b）可知，单一空气源热泵系统制热量为1 750 W，COP为2.1。太阳能-空气源复合热泵系统制热量与COP均高于单一空气源系统制热量与COP，双源热泵系统制热量与COP也随着太阳能进水流量的增加而明显提高。在太阳能热水流量为0.7 m3·h-1，进水温度0 ℃时，双热源热泵系统制热量提升显著，提升了37.1%；进水温度为2 ℃时，双热源热泵系统COP提升21.4%。图6（c）表明，太阳能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1条件下，用户侧出水温度随着太阳能进水温度提高而明显提高；水流量在0.7 m3/h，用户侧出水温度先升高再降低；进水温度1 ℃时，双热源热泵系统的末端出水温度提升22.1%。在室外环境温度-5 ℃的最小制热工况下，阳光不充足时，选用太阳能-空气源复合热泵系统。

2.3 超低温制热工况

图7 表示环境温度为-11 ℃最小制热工况下，在太阳能进水温度相同，流量分别为0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.7 m3·h-1时，太阳能-空气源复合热泵与单一空气源热泵系统制热模式下的制热量、COP及用户侧出水温度随太阳能热水进水流量的变化。由图7（a）、（b）可知，单一空气源热泵系统制热量为1 650 W，COP为1.8。太阳能-空气源复合热泵系统制热量与COP均高于单一空气源系统制热量与COP，双源热泵系统制热量与COP也随着太阳能进水流量的增加而明显提高。在太阳能热水流量为0.7 m3·h-1，进水温度0 ℃时，双热源热泵系统制热量提升显著，提升了36.4%；系统COP提升25%。图7（c）表明，太阳能水流量在0.3 m3·h-1、0.5 m3·h-1下，用户侧出水温度随着太阳能进水温度提高而明显提高；水流量在0.7 m3·h-1，用户侧出水温度先升高再降低，进水温度-3 ℃时，双热源热泵系统的末端出水温度提升22.2%。在室外环境温度-11 ℃的超低温制热工况下，且阳光不充足时，选用太阳能-空气源复合热泵系统。

图7 室外环境温度-11 ℃时双热源热泵与单一空气源热泵性能参数随进水流量变化图

3 结论

（1）与单一空气源热泵系统比较，太阳能-空气源复合热泵系统的制热量与COP都有所提升，用户侧出水温度都随着太阳能进水/空气温度、太阳能水流量的增加而增加。在最小制热量和超低温制热工况下，进水流量为0.7 m3·h-1时，系统制热量提升幅度最大，分别提升37.1%、36.4%，系统COP分别提升21.4%、25%。

（2）双热源热泵系统需要在合适的温差范围内，双热源热泵系统较单一热源热泵系统更加符合末端用户侧需求，但是在额定低温工况下，进水温度达到10 ℃时，用户侧出水温度下降明显；在超低温工况下，进水温度-3 ℃时，用户侧出水温度降低。