空气源热泵辅助供热太阳能热水系统实验研究
铁燕1,2 罗会龙2 钟浩3 李志民3
1.华北制药集团规划设计院，石家庄 050015；
2.昆明理工大学 建筑工程学院，昆明 650224；3.云南师范大学 太阳能研究所，昆明 650092
0 引 言
在能源危机和环境污染双重压力下，太阳能逐渐成为可再生能源中最引人注目、研究开发最多、应用最为广泛的清洁能源。太阳能的开发利用对节能和环保均具有重要意义[1-4]。空气源热泵辅助加热太阳能热水系统结合了太阳能的清洁性、可再生性和空气源热泵的节能性，是一种节能、无污染的高效能源利用系统[5-6]。本文构建了一种新型空气源热泵辅助加热太阳能热水系统，在昆明地区的气候条件下实验测试分析了环境参数、运行参数对系统热力性能的影响。
1 空气源热泵辅助供热太阳能热水系统构成及运行模式
新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统包括太阳能热水子系统和空气源热泵子系统；太阳能热水子系统和空气源热泵子系统通过蓄热水箱进行有机耦合。其中太阳能热水子系统主要由太阳能集热平板和蓄热水箱构成，空气源热泵子系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流毛细管构成。该空气源热泵辅助供热太阳能热水系统实验装置如图1所示，其太阳能集热器的采光面积为2m2 ，压缩机容量为1P。
图1 空气源热泵辅助太阳能加热热水系统
根据不同的气候条件，该空气热泵辅助供热太阳能热水系统可分别按下述三种不同模式运行：
(1) 单一太阳能热水系统运行模式
在太阳辐射良好、日照充足的气候条件下，热泵子系统停止运行，空气源热泵辅助加热太阳能热水系统以常规太阳能热水器模式运行。
(2) 单一空气源热泵热水系统运行模式
在阴雨天气候条件下，根据用户需求此时开启空气源热泵子系统，由空气源热泵对蓄热水箱内的水进行加热，系统以常规空气源热泵热水器模式运行。
(3) 空气源热泵辅助供热太阳能热水系统运行模式
在仅利用太阳能热水子系统不能满足用户热需求的气候条件下，开启空气源热泵子系统对蓄热水箱的低温热水进一步加热，系统以空气源热泵辅助供热太阳能热水系统模式运行。
实验结果及分析
为测试分析系统的热力性能，太阳辐射强度由太阳能辐射仪采集，系统消耗的电量由电功率表采集。并在太阳能集热器进出口、蓄热水箱出水口和水箱中部、压缩机吸排气口、蒸发器进出口、冷凝器进出口及室外环境温度测点各布一Pt100铂电阻温度传感器。所有温度传感器及太阳能辐射仪均与TRM-2太阳能测试系统相连，自动采集数据。电功率表读数由人工采集，每隔5分钟采集一次。
2.1 单一太阳能热水器运行模式下系统热力性能
在一典型测试日中，瞬时太阳辐照度和采样周期内的太阳能热水子系统的集热量随时间的变化如图2所示。由图2可知瞬时集热量和采样周期内的太阳辐照度的变化趋势大体一致相同。瞬时集热量和瞬时太阳辐照度均在12:00-13:00期间较大。
图2 太阳辐照度和集热量随时间的变化
太阳能子系统瞬时集热效率及水箱蓄热水箱内的上层水温随时间的变化如图3所示。由图3可知：集热初始阶段，集热效率升高较快，在9：10分集热效率达到峰值。此后，集热器保持较高的集热效率。随着太阳辐射强度增大及时间的推进，集热器不断蓄热。这一阶段虽然太阳辐射强度总体上继续增强，但集热效率却总体上逐渐下降。其主要原因在于集热器入口水温升高，并且集热板温度较高，太阳能集热器热损失相应较大。在该测试日中，太阳能子系统的日平均集热效率约为54%。
图3 集热效率及水箱温度随时间的变化
2.2 单一空气源热泵热水系统运行模式下系统热力性能
系统以单一空气源热泵热水运行模式运行时，典型测试日内测试时段为17:10-17:50。在一典型测试日中，采样周期内压缩机耗电量、制热量及制热系数COP的变化如图4所示。由图可知，空气源热泵子系统耗功量随时间变化不大，系统供热量和COP值随时间变化较大。在空气源热泵子系统刚开始运行时，其制热系数COP较高。在测试期间内，空气源热泵子系统的平均制热系数COP约为3.82。
图4 压缩机耗电量、系统供热量及制热系数COP随时间的变化
空气源热泵子系统系统制热系数COP及蓄热水箱上部水温随时间的变化温度如图5所示。由图5可知，蓄热水箱水温升温曲线的斜率随运行时间的增加而逐渐减小。这是由于当水温逐渐升高时，水箱的散热量也逐渐增大，导致水温的升高减缓。此外，空气源热泵子系统系统制热系数COP曲线呈下降趋势。这是由于随水箱温度的升高，冷凝温度上升，制热系数COP相应降低。
图5 环境温度、制热系数COP及蓄热水箱上部水温随时间的变化
图6表示空气源热泵子系统的蒸发器温度，冷凝温度与制热系数COP随时间的值的变化。由图6可知，测试期间蒸发温度基本保持稳定，冷凝温度随着加热时间的增加而不断增大，空气源热泵子系统COP值随冷凝温度的升高而相应降低。
图6 热泵蒸发器温度、冷凝温度及制热系数COP随时间的变化
2.3 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统运行模式下热力性能
系统以空气源热泵辅助加热太阳能热水运行模式运行时，典型测试日内测试时段为9:00-17:20。在一典型测试日中，环境温度、蓄热水箱上层水温及太阳能热水子系统的集热效率随时间的变化如图7所示。由图7可知，测试期间环境温度变化较为平缓，平均温度为24.24℃。由于测试期为多云天气，太阳辐射强度较低，所以水箱温升较为缓慢，加热到17:00时，水箱终温为39.2℃。17:00-17:25，开启空气源热泵子系统对蓄热水箱中经太阳能初步加热的水进一步加热。至17:25时，蓄热水箱中的水被加热至54.7℃。
图7 环境温度、蓄热水箱温度和太阳能热水子系统集热效率随时间的变化
测试期间内空气源热泵子系统的制热量、耗电量及制热系数COP的变化如图8所示。由图8可知，系统在25分钟内把先前已经由太阳能热水子系统预热的水加热至55℃左右。与单一空气源热泵热水器模式相比，在相近的环境温度与供热温度条件下，空气源热泵子系统运行时间缩短约35%。此外，空气源热泵子系统耗功量随时间变化不大。空气源热泵子系统在采样周期内的制热量和与制热系数COP均随加热时间的增加而降低。在测试期内，空气源热泵子系统的平均制热系数COP约为3.53。
图8 系统耗电量、制热量及制热系数COP随时间的变化
3 结论
设计并构建了一种新型空气源热泵辅助加热太阳能热水系统，在昆明地区气候条件下，对空气源热泵辅助加热太阳能热水系统进行了测试分析。测试结果表明：
⑴ 在单一的太阳能热水器运行模式下，太阳能热水子系统的日平均集热效率可达54%。
⑵ 在单一的空气源热泵热水系统运行模式下，空气源热泵子系统的平均制热系数COP可达3.8左右。
⑶ 在空气源热泵辅助加热太阳能热水系统运行模式下，与单一空气源热泵热水器模式相比，在相近的环境温度及供热温度条件下，空气源热泵子系统统运行时间缩短约35%。