太阳能空气源热泵联合运行测试与分析

摘 要：【目的】为了研究太阳能空气源热泵相结合的采暖系统实际运行状况，对实际运行的太阳能空气源热泵联合运行系统进行了测试。【方法】对呼和浩特市使用太阳能空气源热泵系统的2座加油站进行现场测试数据采集和分析，测试数据包括在不同的环境下的耗电量、供热量、温度等。【结果】根据实际的测量结果可知，当环境温度相差不大时，不同年份对应月份的耗电量也相差不大；当环境温度为-20℃时，系统性能系数COP依然能达到2.4以上。随着环境温度的升高，性能系数COP逐渐增大。当环境温度为5℃时，系统性能系数COP达4.0以上。【结论】太阳能辅助加热有助于提高热泵系统整体性能，是一种适合低温环境下运行的空气源热泵采暖系统。

关键词：太阳能；空气源热泵；联合运行；性能检测

中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）15-0021-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.005

Joint Operation Test and Analysis of Solar Air Source Heat Pumps

GUO Xulong ZOU Tonghua WEI Chaopeng WANG Xixi

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract：[Purposes] In order to study the actual operation of the heating system combined with solar air source heat pump， the actual operation of the solar air source heat pump combined operation system was tested. [Methods] Field test data collection and analysis were carried out on two gas stations in Hohhot using solar air source heat pump systems， including data on power consumption， heat supply， temperature and other data at different ambient temperatures. [Findings] According to the actual measurement results， when the ambient temperature is not much different， the power consumption of the corresponding months in different years is not much different， and the system COP can still reach more than 2.4 when the ambient temperature is -20°C， and the coefficient of performance COP gradually increases with the increase of ambient temperature， and the system COP reaches more than 4.0 when the ambient temperature is 5°C. [Conclusions] Solar-assisted heating helps to improve the overall performance of the heat pump system， and is an air source heat pump heating system suitable for operation in low temperature environments.

Keywords：solar energy; air source heat pump; combined operation; performance testing

0 引言

当前，化石能源尤其是煤炭依然在我国的能源使用中占主导地位。但在国家“双碳”政策背景下，煤炭开采对生态环境的污染已经成为大众关注的焦点［1］。2017年《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》政策落地实施，我国持续推进北方地区冬季清洁供暖。为实现“双碳”目标，清洁供暖已成为必然趋势［2-3］。目前，空气源热泵技术已经趋于成熟并被广泛应用于供暖领域，但在北方寒冷的条件下，空气源热泵仍难达到理想的效果。太阳能作为一次能源，总量丰富、不会枯竭、清洁无污染，但是却不稳定，易受天气影响［4-5］。如果将太阳能与空气源热泵相结合，就可以提高热泵制热性能，扩大空气源热泵适应范围［6］。

1 系统原理和工作过程

太阳能空气源热泵系统原理如图1所示。

太阳能空气源热泵采暖系统的工作过程如下。

第一步：太阳能集热器吸收太阳光，将太阳光转化为大量热能，并通过其内置的高效蓄能芯贮存下来。

第二步：冷空气在风机驱动下流经太阳能集热器，即被加热成热空气，再经高效热泵主机转化后，产生大量热能，加热供暖循环介质。

第三步：供暖介质在循环泵的作用下，循环至室内各个散热末端，进而对房间进行供热。

2 测试方法

系统的运行模式调节完成后，在2021年10月份到2022年3月份和2022年10月份到2023年3月份进行测试。采暖过程中一直打开测量设备，在几个月时间内不间断对用电量、功率、供水温度、回水温度、环境温度、瞬间热量、累计热量进行测量，将实时测量的数据进行储存和无线传输，并对全年所得到的数据进行分析。

3 测试结果分析

以实际工程项目为依托，分别对2022年呼和浩特市2座加油站太阳能热泵运行各参数进行实际测试，对实际运行数据进行分析。呼和浩特市的冬季室外空气计算参数如下：供暖室外计算温度为-17.0 ℃；冬季室外最多风向的平均风速为4.2 m/s；平均温度≤+5 ℃期间内的平均温度为-5.3 ℃；极端最低气温为-30.5 ℃。呼和浩特市属典型的蒙古高原温带大陆性气候，四季气候变化明显，年温差大，日温差也大。

3.1 1号加油站测试数据分析

机组用电量和功率测试结果如图2所示；散热器进水温度、出水温度、累计热量如图3所示；房间供水温度、回水温度、环境温度测试结果如图4所示。

由图2可知，12月份至次年2月份的热泵耗功较大，用电量也相应增加。从10月至次年3月的用电量分别为1 569 kW·h、3 024 kW·h、3 024 kW·h、4 890 kW·h、4 501 kW·h、3 052 kW·h。在次年1、2月份用电量较高。

由图3计算可知，从10月至次年3月的供热量分别为4 087 kW·h、7 315 kW·h、9 708 kW·h、11 906 kW·h、11 706 kW·h、4 105 kW·h。在次年1月份和2月份的供热量明显高于其他月份。这是因为次年1、2月份的温度普遍低于其他月份，所以在这两个月份的供热量高于其他月份。

对三个典型房间温度进行了测试，各房间内温度测试结果如图5所示。房间1在10、11、12、次年1、2、33eZrnbrFsbgg016tFc7SPRLCCkN8ouHKd1orA+zLax8=月份平均温度分别是17.5℃、17.6℃、15.6℃、16.1℃、13.1℃、17℃。房间2的平均温度分别是19.9℃、21.9℃、20.5℃、21℃、19.3℃、22.3℃。房间3的平均温度分别是21.2℃、21.2℃、20.1℃、20℃、18.8℃、21.7℃。三个房间的温度基本维持在20℃左右。

3.2 2号加油站测试数据分析

机组用电量和功率测试结果如图6所示；散热器进水温度、出水温度、累计热量如图7所示；房间供水温度、回水温度、环境温度测试结果如图8所示。

由图6可知，从10月份至次年4月的用电量分别为2 390 kW·h、4 060 kW·h、7 378 kW·h、7 807 kW·h、7 109 kW·h、4 760 kW·h、2 215 kW·h。在12月、次年1、2月份用电量较高，在10月、11月、次年3、4月份的用电量较低。

由图7计算可知，从11月至次年4月的供热量分别为8 056 kW·h、14 557 kW·h、14 831 kW·h、13 376 kW·h、104 984 kW·h、6 438 kW·h。在12、次年1、2月份供热量明显高于其他月份。

对三个典型房间进行了测试，各房间内温度测试结果如图9所示。房间1在10、11、12、次年1、2、3、4月的平均温度分别为16.9℃、11.9℃、18.1℃、18.4℃、17.6℃、20℃、22.2℃。房间2的平均温度分别是18℃、14.2℃、19.8℃、21.6℃、21℃、24.3℃、25.8℃。房间3的平均温度分别是23.3℃、26.8℃、27.4℃、29℃、29.6℃、31.9℃、29.5℃。房间3的温度高于房间2和房间1的温度，房间1的温度相对来说最低。

4 对比分析

为进一步分析不同年份太阳能空气源热泵性能，对1号加油站2021年度和2022年度10月和11月试验运行情况进行对比分析，以验证太阳能空气源热泵系统运行的可靠性和稳定性。

4.1 环境温度对比分析

对2021年度和2022年度10、11月两个月份的环境温度对比如图10所示。由图10可知，这两个年度10、11月的环境温度相差不大，温度维持在-15 ℃～15 ℃之间；这两个年度的室外平均温度没有太大的变化，为后续的同期性能参数对比奠定了基础。

4.2 用电量对比分析

对2021年度和2022年度10、11月两个月份的用电量对比如图11所示。由图11可知，在21年10、11月份的环境温度与22年10、11月份环境温度相差不大的情况下，两个年度对应月份用电量相差不大。2021年10月和11月用电量分别为1 569 kW·h和3 024 kW·h，2022年10月和11月份用电量分别为1 743 kW·h和2 892 kW·h。

4.3 能效对比分析

以2021年和2022年两个年度中某天的环境温度在-20℃～5℃时的耗功和热量数据为依据，计算太阳能热泵采暖系统性能系数COP如图12所示。由图12可知，两者相差不大，当环境温度为-20℃时，系统COP依然能达到2.4以上。随着环境温度的升高，性能系数COP逐渐增大。当环境温度在5℃时，系统COP达4.0以上。说明了太阳能辅助加热有助于提高系统整体性能。

5 结论

本研究对实际运行中的2个加油站太阳能空气源热泵采暖系统进行了数据采集和分析，得到以下结论。

①同一地区加油站的太阳能空气源热泵运行效果相同，系统运行可靠、性能稳定。

②当环境温度相差不大时，不同年份所对应月份的耗电量也相差不大。

③系统COP随环境温度升高而升高，太阳能辅助加热有助于提高热泵系统整体性能。

参考文献：

［1］左君，钟楠.环境影响评价在煤炭开采生态环境保护中的作用［J］.资源节约与环保，2018（9）：59.

［2］吴浩. 北方清洁供暖之路怎么走［N］. 经济日报.2023-01-19.

［3］王宇，由世俊，孙颖楷，等.寒冷地区空气源热泵与太阳能复合供热系统性能测试分析［J］.制冷与空调，2017，17（10）：80-86.

［4］姚玉璧，郑绍忠，杨扬，等.中国太阳能资源评估及其利用效率研究进展与展望［J］.太阳能学报，2022，43（10）：524-535.

［5］顾祥红，彭齐鑫，陈磊，等.太阳能墙-空气源热泵联合供暖系统的实验与模拟研究［J］.建筑科学，2021，37（6）：61-66，136.

［6］郭琪，郭健翔，赵向明.北方独立民居太阳能-空气源热泵耦合供热系统瞬态模拟与优化研究［J］.青岛理工大学学报，2019，40（3）：94-99.