直膨式太阳能空气源热泵制热的实验研究

荣维来 许树学 马国远 戴 晗

（北京工业大学 北京 100124）

0 引言

随着化石燃料的减少以及环境污染的加剧，节能减排已经成为能源领域的重要任务，清洁能源的利用变得越来越重要[1]。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，世界上多数国家都在加大对太阳能的研究与利用。根据专家预测，直到2050年左右，太阳能将在全球产能中占比达到30%，在本世纪末将取代核能成为世界第一能源。但太阳能不稳定，受天气的影响比较大。比如在阴雨天气，太阳辐射强度达不到要求，太阳能板的集热效率会非常低，不能满足用户的需求。热泵是一种高效利用低品位热源的技术，通过逆卡诺循环将低品位的热能变成高品位热能，既可以减少能源浪费，又具有节能减排特性。将太阳能与热泵相结合，构造出太阳能空气源复合式热泵，满足全天气温条件下用户的热量需求，同时达到更高的节能效果。

制冷剂作为集热介质直接在太阳能集热器中吸热蒸发，在冷凝器中释放冷凝热用来供热，该系统结构紧凑，无需防冻，制热效率高。戴等建立了直膨式太阳能空气源热泵的仿真计算模型[2]。侯隆澍等人将平板微热管光伏光热组件改造为新型光伏光热蒸发器，研发出新型太阳能-空气双热源热泵系统，对太阳能供热模式和双热源供热模式下系统的运行性能进行研究[3]。刘朋等人使用DeST 进行全年能耗模拟，以此基础上确定太阳能集热器面积及热泵规格，计算太阳能、空气源热泵、电锅炉3 种系统设备的最初投资及运行的成本费用，结果表明，太阳能空气源热泵系统相比于其他两系统节能性与经济性均优异[4]。徐嘉等人编制了一套软件对太阳能－空气源热泵多能互补系统进行分析[5]。佟健南等人提出了一种太阳能与空气源双蒸发器热泵复合供能系统，该系统可以满足建筑的供热、供冷、热水和部分电力的供应需求，根据用户的不同需求实现多种运行模式的自由切换[6]。孟欣分别设计和搭建了两套系统：一套是传统空气源热泵系统，另一套是基于太阳能补偿的空气源热泵系统，利用两套系统为住宅供暖和提供全年生活热水，对两种系统方案进行建模，对其全年运行工况进行模拟和对比分析[7]。Kjellsson 等人研究了太阳能集热器和热泵的连接方案各种组合的可能性[8]。Eslami等人研究了热泵和太阳能集热器并联运行以获取热水，效率显著提升[9]。关欣等人搭建了直膨式太阳能热泵系统实验台，解苗苗等人在此基础上总结了内部参数和外部参数对直膨式太阳能热泵系统性能的影响，针对不同影响因素，给出了多种提高直膨式太阳能热泵系统性能的控制[10]。

上述研究主要对单一太阳能热源的热泵运行性能进行了实验，对太阳能和空气源相结合的系统没有深入研究，单一热源的热泵系统和太阳能空气源热泵系统的对比也缺乏较深入的分析。本文将太阳能热泵和空气源热泵结合起来，搭建了直膨式太阳能空气源热泵实验台，分别测试以太阳能为单一热源的热泵系统和太阳能和空气源双热源热泵系统，对比数据可为相关研究提供参考。

1 系统原理

直膨式太阳能空气源热泵的工作原理如图1所示。由太阳能集热/蒸发器、压缩机、套管换热器、电子膨胀阀、蓄热水箱等部件组成。工作过程如下：经电子膨胀阀节流降压后的工质流入集热器中吸收太阳能直接蒸发，制冷剂蒸汽被压缩机吸入，压缩成高温高压的制冷剂蒸汽。压缩机出口的制冷剂蒸汽流入套管式换热器，释放出的热量用于制取生活用热水或采暖，冷凝后的液体制冷剂经干燥过滤器和电子膨胀阀又流回太阳集热板中重新吸热、蒸发。

图1 直膨式太阳能空气源热泵系统原理Fig.1 Principle of direct expansion solar air source heat pump system

2 实验方法

太阳集热器是直膨式太阳能空气源热泵的主要部件之一，通过吸收太阳辐射的能量，将能量传递给传热介质。本文选择平板式太阳能集热器作为系统太阳能端蒸发器，集热器面积采用如式（1）计算：

式中：Aa为太阳能集热板的总面积，m ；Qload为建筑热水负荷能耗，W；f为太阳能保证率，变化范围一般为0.3-0.8，本文取0.3；IT为北京地区集热器采光面上的太阳辐射强度，W/m ；ηcd为集热器的年平均热效率，变化范围一般为0.25-0.5，本文取0.5；ηL为蓄热水箱和水管路的热损耗，变化范围一般为0.2-0.3，本文取0.28。

选择气候条件较差的冬季工况来进行集热面积匹配计算。北京地区冬季晴天的最大太阳辐射强度约为750W/m 。全年工况变化范围内的平均制热性能系数COP 取3，压缩机功率2.3kW，则平均热水负荷能耗为6.9kW。太阳集热器的平均集热效率为0.8，晴天可吸收太阳能600W/m 。将数据代入集热面积计算公式可得到，总集热面积取9.6m 可基本满足该系统全年工况下正常运行的集热要求。

制冷剂选用R22，压缩机额定输入功率为2.3kW，冷凝器选用套管式换热器，蓄热水箱1m 。水箱下方设有用于降温的风冷换热器、两个风扇及循环水泵，水温和流量可以控制。太阳能集热器朝向西南方，以55°角度倾斜安装于室外屋顶上。空气源热泵主机、冷凝器以及蓄热水箱放置在一层室外。

图2 太阳能集热板Fig.2 Solar collector panel

图3 蓄热水箱Fig.3 Heat storage water tank

图4 压缩机部分实物图Fig.4 Picture of compressor parts

表1 实验部件明细Table 1 Details of experimental components

测试在北京地区的2021年3月进行，分两步：（1）只开启太阳能集热器作为单一热源蒸发器时系统的运行性能。（2）太阳能集热器与空气源风冷换热器同时开启，考察系统的整体运行性能。两种模式实验都是从早上9:00 开始到晚上17:00 结束。通过温度传感器、太阳辐射强度测量表、压力传感器、功率表等实验器件分别测量出环境温度、水箱进出水温度、太阳辐射强度、压缩机吸排气压力和功耗等参数，计算得出能够反映直膨式太阳能空气源热泵热水系统热力性能的评价指标，包括系统制热量Q、制热COP。

系统制热量采用如式（2）计算：

式中：Q为系统制热量，kW；C为水的比热容，4.2kJ/（kg·℃）；m为水的流量，kg/s；Δt为水箱进出水温差，℃。

系统的COP采用如式（3）计算：

式中：Q为系统制热量，kW；W为压缩机耗功，kW。

3 实验结果与分析

图5和图6所示为晴天和阴天条件下，太阳辐射强度和室外温度的变化，时间为上午9:00 至下午17:00。由图可知，太阳辐射强度和环境温度均呈现先升高后降低的趋势，最高点出现在中午至下午时段，最高太阳辐射强度达到882W/m，最高室外温度为16.5℃。因为中午至下午阶段是一天之中太阳强度最强的时候，此时太阳能板可以吸收较多的太阳能。通过计算得到平均太阳辐射强度为610W/m，平均室外环境温度为15℃。太阳辐射强度受阴天影响较大，最大值仅为241W/m，室外温度影响较小，最高温度为15.9℃。平均太阳辐射强度为158W/m 。

图5 晴天工况Fig.5 Sunny working conditions

图6 阴天工况Fig.6 Cloudy working conditions

3.1 太阳能单一热源制热性能

图7所示为系统制热量、压缩机耗功随时间的变化规律。由图7可知，晴天工况下系统运行1 小时后达到稳定状态，冷凝器持续放出热量，水箱的温度逐步上升，随着冷凝器出口水温的升高，冷凝器放热量逐渐减小，压缩机一直处于平稳运行状态，所以压缩机做功变化较为稳定。系统制热量呈先增大后减小最终趋于平缓的规律。中午太阳辐射强度较高，系统整体运行效果比较好，因此系统制热量最大值出现在中午13:00，为9kW，压缩机平稳运行耗功始终维持在2.2kW 左右。阴天工况下，系统制热量最低为3.5kW，最高为8.9kW，且平均值较低，缺少足够的太阳辐射强度，系统制热量不理想。这同时也体现了以太阳能为单一热源式的不足。

图7 系统制热量和压缩机耗功随时间的变化Fig.7 Change of system heat and compressor power consumption with time

图8所示为系统瞬时制热COP 随时间的变化。由图8可知，晴天时，太阳辐射强度高，制热量大，系统的COP 在3.0～3.6 之间，平均COP 为3.4；阴天时太阳辐射强度小，制热量小，系统的COP 在2.0～3.3 之间，平均COP 为2.35。晴天工况下，系统制热COP 整体变化较为稳定。随着压缩机做功和太阳能集热器集热过程的进行，系统运行期间的平均制热性能随着室外温度变化呈现一定的波动，最大值出现在13:00，波幅相对较小。阴天工况下，刚开始加热运行时，太阳辐射强度不高，系统的制热COP 相对较低，但随着时间的推移逐渐升高，最终达到相对稳定的状态。两种工况下系统制热COP 的波动规律和系统制热量的变化基本一致，但波幅相对较小。

图8 系统瞬时制热COP 随时间的变化Fig.8 System instantaneous heating COP changes with time

图9所示为压缩机吸气、排气压力随时间的变化。由图9可知，阴天和晴天的吸气压力都很稳定，制冷剂在吸收太阳能集热器的热量后，变为温度相对稳定的气体，因此对应的压缩机吸气压力比较稳定。随着时间的推移，制热量呈先增大后趋于稳定的趋势，对应的排气温度也呈相同趋势，所以排气压力先升高，后趋于稳定。晴天时的压比变化在0.8～3.7 之间，阴天时压比变化范围是2.8～4.4 之间。

图9 压缩机吸气和排气压力随时间的变化Fig.9 Variation of compressor suction and discharge pressure with time

3.2 双热源系统制热性能

如图10 所示为压缩机吸气和排气压力随时间的变化。由图可知，阴天和晴天的吸气压力都很稳定，和单一热源模式下的趋势相同。晴天时压比变化范围为2.09～3.6，同时排气压力也是呈先升高后趋于稳定的趋势，但比单一热源模式下的运行更稳定了。阴天时压比变化范围为3.5～4.79，排气压力有一定的波动，这和天气变化有一定的关系。

图10 压缩机吸气和排气压力随时间的变化Fig.10 Variation of compressor suction and discharge pressure with time

图11 所示为系统制热量、压缩机耗功随时间的变化。由图11 可知，两种天气状态下，系统制热量均呈现先增大后趋于平缓的变化规律，变化趋势基本一致。晴天时系统制热量最高升至9.7kW，阴天最高达到8.4kW。系统压缩机耗功始终维持在2.2kW 左右。晴天工况下午13:00～14:30 时，制热量较大且耗功较少，这是由于系统在双热源工作时该时段系统集热吸收的太阳能辐射量越多，即太阳能供热的配比较大，致使传统空气源热泵循环的制热量负担越轻，复合系统非常有利于提高供热装置的经济性及节能减排。

图11 系统制热量、压缩机耗功随时间的变化Fig.11 Variation of system heating capacity and compressor power consumption with time

图12 所示为系统瞬时制热COP 随时间的变化。由图12 可知，系统开始运行制热COP 较低，随着工作开始后压缩机作功、太阳能集热器集热过程以及空气源热泵的同步进行，系统制热COP 呈现上升趋势，系统运行期间的平均制热性能随着室外温度变化而呈现一定的波动。晴天工况下的系统瞬时制热COP 始终高于阴天工况，且两者呈现较为相似的变化趋势。晴天时制热COP 最高为4.3，阴天时制热COP 最高为3.5。

图12 系统瞬时制热COP 随时间的变化Fig.12 System instantaneous heating COP changes with time

4 结论

本文将太阳能热泵和空气源热泵结合起来，搭建了直膨式太阳能空气源热泵实验台。实验分为以太阳能为单一热源的热泵系统和太阳能和空气源双热源热泵系统。实验结果发现，以太阳能为单一热源的热泵系统在晴天、阴天两种工况下均可达到设定水温并平稳运行。晴天时，系统制热量呈现先增大后减小最终趋于平缓的规律，最大值出现在中午13:00，为9kW，系统的COP 在3.0～3.6 之间，平均COP 为3.4；阴天时，系统制热量变化范围为3.5kW～8.9kW，系统的制热COP 在2.0～3.3 之间，平均COP 为2.35，相对晴天工况有明显降低。双热源供热时，两种天气状态下，系统制热量均呈现先增大后趋于平缓的变化规律。晴天时系统制热量最高升至9.7kW，制热COP 最大为4.3；阴天时系统制热量最高达到8.4kW，制热COP 最高为3.5，整体高于以太阳能为单一热源工作时的制热COP。