夏热冬暖地区空气源热泵与太阳能复合热水系统试验研究

王 宇，由世俊，孙颖楷，李志强

1 前言

作为新能源热水器的两大主力，太阳能与空气源热泵行业有着各自的优势。两个行业在未来一段时间将以竞争与合作的关系并存。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地拓展应用空间［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，对于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］。按照被动技术优先、主动技术优化的原则，空气源热泵与太阳能集热装置联合供应热水的系统可满足夏热冬暖地区户用热水供应的稳定性同时保证较高的能源利用效率和较好的环境效益［4］。本文对属于夏热冬暖气候特征的佛山地区空气源热泵与太阳能复合热水系统的运行性能进行跨季测试分析，旨在为该类热水系统的优化设计及运行评价提供技术参考。

2 测试系统及试验方法

2.1 测试系统

测试装置流程如图1所示，系统按照5～6人日用水量进行主要单元设备的选配，集热回路选用了两块集热面积1.79 m2的平板型集热器（主要参数见表1），热泵机组额定值热量5.2 kW（主要参数见表2），蓄热水箱300 L。热泵连接水箱的循环回路、太阳能集热循环回路均设置了流量测点及进出口温度测点，水箱上、下部及自来水进口和热水出口设置了温度测点，上述测点通过数据采集器进行运行数据采集。同时设置了便携式气象数据测量装置，记录运行期间的气象参数变化。对于热泵机组及太阳能集热回路循环泵还进行了用电量的监测。

图1 空气源热泵与太阳能复合热水试验系统

表1 平板太阳能集热器参数

表2 空气源热泵热水器参数

2.2 测试方案

测试过程以每天为测试周期进行，按照日用水负荷分布进行放水，模拟生活用热水时刻表如表3所示［5］。记录生活热水流量计的初始流量，打开生活热水阀门，控制放水流量大约为6 L/min，计算放水量，放水结束后关闭放水阀门。

表3 日用水时刻分布

放水量计算式：

其中 ΔT =Tout-Ttap

式中 V ——测试系统水箱容积，L

ΔT1——设定出水温度与自来水温差，℃

n —— 一天中家庭时刻用热水比例，%

ΔT —— 每个时段放水初始时出水温度与自来水温度差值，℃

Tout——生活热水出口温度，℃

Ttap——自来水温度，℃

测试过程中，根据集热器出口温度与水箱下部温度实测差值确定集热回路循环泵起停（温差大于4 ℃开启，小于2 ℃停止），热泵机组感测到水箱温度低于45 ℃启动，最高加热至55 ℃停止。按照表1完成一天测试后，根据所采集的数据计算当日热泵机组、集热单元的制热量、耗电量，并依据这些数据评价主要设备及整个系统的运行效率。

测试工况相关的性能指标主要包括［6～15］：

集热器日集热得热量：

式中 ms—— 集热回路循环流量，kg/s

Cs—— 集热器回路工质比热，kJ/（kg·℃）

θSin，θSout—— 集热器进、出口温度，℃

Δti——测试采样间隔，s

日集热效率：

式中 AS——集热面积，m2

ri——逐时太阳辐射量，W/m2

热泵日累计制热量：

式中 mH—— 热泵回路循环流量，kg/s

CH—— 热泵回路循环水比热，kJ/（kg·℃）

θHin，θHout—— 热泵机组进、出口温度，℃

热泵日运行能效系数：

式中 EHPe—— 热泵机组运行初时刻电能值，kW·h

EHPi—— 热泵机组运行终时刻电能值，kW·h

系统日运行能效：

式中 Epumpe，Epumpi—— 集热回路循环泵初时刻、终时刻电能值，kW·h

3 测试工况分析

日照非常充足的条件下，太阳能集热单元完全能够承担测试系统预期的用水需求。图2，3分别描述了日累计辐照量超过18 MJ/m2的天气条件下集热单元设备的逐时得热情况及运行状况。从图中可以看出，14：20之前，集热器测点温度与水箱设置测点温度之差始终保持在设定温差之上，加热回路循环泵持续运行，水箱温度持续上升，此时刻前按照预期的用水不会影响水箱的热量蓄存，水箱水温持续升高，最高达到65.1 ℃；14：20之后，太阳辐射减弱，集热器测点温度与水箱设置测点温度之差不能保持在设定温差之上，加热回路循环泵启停频繁，随着用水量增加，水箱平均温度梯级下降。全天累计用水294 L后，出水温度仍可维持在60 ℃。

图2 充足日照条件下辐照量及集热得热量变化情况

图3 充足日照条件下集热器运行情况

图4 2种欠日照条件下复合热水系统测试工况

多云或阴晴间歇的欠日照的条件下，热泵制热单元能够进行有益补充，图4表述了日累计太阳辐照量处于13～18 MJ/m2和8～13 MJ/m2天气条件下两类代表性的测试工况。

由图可知，太阳辐照量处于13～18 MJ/m2的条件下，集热器相比在8～13 MJ/m2天气条件下的持续加热较好，上午用水后水箱的分层现象不十分明显（水箱上部测点温度与水箱平均温度差异较小），且在15：00后大量用水前基本上消除了水箱温度分层现象（水箱上部测点温度与水箱平均温度趋于一致）；热泵单元制热工况集中在8：30之前以及16：00之后的用水高峰，且随着辐照条件减弱，用水高峰时段需要增加热泵运行时段。

少日照的天气条件下，热泵单元需要承担用热负荷。图5描述了日累计辐照量＜5 MJ/m2条件下，系统热水供应的测试工况。图中可知，由于日照条件较差，16：00后用水高峰之前，水箱分层已经十分明显，之后热泵运行加热水箱满足了预期设计的较晚时段的用水需求。

图5 少日照条件下复合热水系统测试工况

图6 描述了试验测试期间太阳能日累计总辐照量和日集热效率的分布情况。

图6 集热单元日集热效率与日累计辐照量关系

从图可看出，日累计辐照量＜5 MJ/m2条件下，日集热效率多处于10%以下，日累计辐照量＞7.5 MJ/m2条件下，日集热效率多处于30%～50%，测试工况经历8～11月份，集热效率平均值为31.56%，与夏热冬冷地区应用情况相当［9］。

测试期间按照预期的用水负荷时间表进行模拟用水，其中在最后时段用水时，若水温不低于40 ℃延长放水，进一步考察热水供应能力。图7描述了不同日照条件下复合热水供应系统的供热能力及运行性能。由图可知，日累计辐照量大于15 MJ/m2条件下，全天太阳能集热效率可达40%以上，可提供55%～60%的制热量；日累计辐照量9～14 MJ/m2条件下，全天太阳能集热效率维持在30%上下，热泵制热量占比超过70%；日累计辐照量小于5 MJ/m2条件下，全天太阳能集热效率较低，在12%以下，热泵几乎承担全部制热量。

图7 不同日照条件下系统运行性能分析

图8 描述了系统在提供不低于40 ℃热水量390～395 L情况下，热泵单元日能效水平及系统运行能效的变化趋势。

图8 相当热水供应工况下热泵单元能效水平及系统运行能效变化情况

从图中可以看出，测试期间热泵能效系数维持在4.4以上，最高可达6.07，平均能效水平达4.7以上；系统运行的综合能效也随着太阳能集热单元集热效果提升而增大，日累计辐照量大于10 MJ/m2条件下，系统运行能效具有显著提升，日累计辐照量大于15 MJ/m2时，可达8以上，最高达10以上。

4 结论及建议

（1）日照充足条件下，即累计日辐照量大于18 MJ/m2时，集热单元单独运行一天，可提供40℃以上热水近300 L，且用水后水箱平均温度仍维持在50 ℃以上，说明该气象条件下集热单元具有足够的制热能力。

（2）欠日照条件下，即日累计太阳辐照量处于13～18 MJ/m2和8～13 MJ/m2时，满足模拟用水负荷的情况下，热泵单元制热工况集中在8：30之前以及16：00之后的用水负荷高峰，且随着辐照条件减弱，用水高峰时段需要增加热泵运行的时段。

（3）少日照条件下，即累计日辐照量小于5 MJ/m2时，热泵单元基本上承担全部的用水制热量，能效系数在4.4以上。

（4）日累计辐照量＜5 MJ/m2条件下，日集热效率多处于10%以下，日累计辐照量＞7.5 MJ/m2条件下，日集热效率多处于30%～50%。

（5）复合系统运行的综合能效也随着太阳能集热单元集热效果提升而增大，日照充足条件下系统综合能效可达10以上，欠日照条件下，相对于热泵单独运行的条件可将能效提高10%～70%。

关于空气源热泵与太阳能复合热水供应系统全年运行的综合能效评价，一方面需要进行其它月份运行工况的测试，另一方面需要考虑自来水温全年的变化对于用水负荷的影响，根据典型年气象参数划分复合系统的运行区间，分析各个运行区间日集热效率及热泵运行能效，最终评估全年的综合能源利用效率，为空气源热泵与太阳能复合热水系统在不同气候区域的适用性评价提供参考，同时为复合热水系统的设备合理选型及优化设计提供指导。

［1］ 王运启. 互补式能源发展趋势——空气源热泵热水器与太阳能热水器［J］. 供热制冷，2013（3）：52-53.

［2］ 王柯，刘颖，张雷. R417a 替代R22 工质的静态加热式热泵热水器性能试验研究［J］. 流体机械，2013，41（5）：60-65.

［3］ 董振宇，陆春林，金苏. 空气源热泵热水器的实验研究［J］. 流体机械，2008，36（8）：54-57.

［4］ 王伟. 热泵辅助型太阳能热水装置应用低碳性分析［J］. 制冷与空调，2012，26（4）：349-352.

［5］ GB/T 25967-2010，带辅助能源的家用太阳能热水系统热性能试验方法［S］.

［6］ 郭超，王芳，罗谟娇，等.太阳能、空气源热泵热水系统性能优化实验研究［J］.制冷学报，2013，34（5）：41-46.

［7］ 陈学锋，何钦波，徐言生，等. 热泵辅助型太阳能热水系统动态性能评价研究［J］.太阳能学报，2015，36（2）：478-483.

［8］ 刘雨曦. 空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的运行模拟和应用研究［D］. 重庆：重庆大学，2011.

［9］ 张会福. 重庆村镇太阳能复合空气源热泵热水系统过渡季节性能实测研究［D］. 重庆：重庆大学，2015.

［10］ 周乃香，冷学礼，王树军.双V型波纹板式换热器的数值研究［J］.压力容器，2015，32（1）：27-32.

［11］ 许蕾，钱才富，刘久逸，等.浮头换热器管板热应力分析［J］.压力容器，2015，32（6）：55-60.

［12］ 董子瑜，丁振宇，陈冰冰，等.带TMD减振装置的高耸设备模型风洞试验［J］.压力容器，2016，33（5）：9-14.

［13］ 周成，刘海滨，褚言会，等.S32168在氯离子环境中的应力腐蚀试验研究［J］.压力容器，2015，32（5）：18-23.

［14］ 杨苍禄，朱传敏，刘素，等.汽车转向节疲劳寿命分析和试验研究［J］.机电工程，2015，32（7）：950-953.

［15］ 铁燕. 新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统热力性能及运行特性研究［D］. 昆明：昆明理工大学，2010.