鐵燕^1,2 羅會龍²  鐘浩³  李志民³

1.華北制藥集團規劃設計院，石家莊 050015；

2.昆明理工大學 建筑工程學院，昆明 650224；3.云南師范大學 太陽能研究所，昆明 650092

在能源危機和環境污染雙重壓力下，太陽能逐漸成為可再生能源中最引人注目、研究開發最多、應用最為廣泛的清潔能源。太陽能的開發利用對節能和環保均具有重要意義^[1-4]。空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統結合了太陽能的清潔性、可再生性和空氣源熱泵的節能性，是一種節能、無污染的高效能源利用系統^[5-6]。本文構建了一種新型空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統，在昆明地區的氣候條件下實驗測試分析了環境參數、運行參數對系統熱力性能的影響。

新型空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統包括太陽能熱水子系統和空氣源熱泵子系統；太陽能熱水子系統和空氣源熱泵子系統通過蓄熱水箱進行有機耦合。其中太陽能熱水子系統主要由太陽能集熱平板和蓄熱水箱構成，空氣源熱泵子系統由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流毛細管構成。該空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統實驗裝置如圖1所示，其太陽能集熱器的采光面積為2m² ，壓縮機容量為1P。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能加熱熱水系統

根據不同的氣候條件，該空氣熱泵輔助供熱太陽能熱水系統可分別按下述三種不同模式運行：

(1) 單一太陽能熱水系統運行模式

在太陽輻射良好、日照充足的氣候條件下，熱泵子系統停止運行，空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統以常規太陽能熱水器模式運行。

(2) 單一空氣源熱泵熱水系統運行模式

在陰雨天氣候條件下，根據用戶需求此時開啟空氣源熱泵子系統，由空氣源熱泵對蓄熱水箱內的水進行加熱，系統以常規空氣源熱泵熱水器模式運行。

(3) 空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統運行模式

在僅利用太陽能熱水子系統不能滿足用戶熱需求的氣候條件下，開啟空氣源熱泵子系統對蓄熱水箱的低溫熱水進一步加熱，系統以空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統模式運行。

實驗結果及分析

為測試分析系統的熱力性能，太陽輻射強度由太陽能輻射儀采集，系統消耗的電量由電功率表采集。并在太陽能集熱器進出口、蓄熱水箱出水口和水箱中部、壓縮機吸排氣口、蒸發器進出口、冷凝器進出口及室外環境溫度測點各布一Pt100鉑電阻溫度傳感器。所有溫度傳感器及太陽能輻射儀均與TRM-2太陽能測試系統相連，自動采集數據。電功率表讀數由人工采集，每隔5分鐘采集一次。

2.1 單一太陽能熱水器運行模式下系統熱力性能

在一典型測試日中，瞬時太陽輻照度和采樣周期內的太陽能熱水子系統的集熱量隨時間的變化如圖2所示。由圖2可知瞬時集熱量和采樣周期內的太陽輻照度的變化趨勢大體一致相同。瞬時集熱量和瞬時太陽輻照度均在12:00-13:00期間較大。

圖2 太陽輻照度和集熱量隨時間的變化

太陽能子系統瞬時集熱效率及水箱蓄熱水箱內的上層水溫隨時間的變化如圖3所示。由圖3可知：集熱初始階段，集熱效率升高較快，在9：10分集熱效率達到峰值。此后，集熱器保持較高的集熱效率。隨著太陽輻射強度增大及時間的推進，集熱器不斷蓄熱。這一階段雖然太陽輻射強度總體上繼續增強，但集熱效率卻總體上逐漸下降。其主要原因在于集熱器入口水溫升高，并且集熱板溫度較高，太陽能集熱器熱損失相應較大。在該測試日中，太陽能子系統的日平均集熱效率約為54%。

圖3 集熱效率及水箱溫度隨時間的變化

2.2 單一空氣源熱泵熱水系統運行模式下系統熱力性能

系統以單一空氣源熱泵熱水運行模式運行時，典型測試日內測試時段為17:10-17:50。在一典型測試日中，采樣周期內壓縮機耗電量、制熱量及制熱系數COP的變化如圖4所示。由圖可知，空氣源熱泵子系統耗功量隨時間變化不大，系統供熱量和COP值隨時間變化較大。在空氣源熱泵子系統剛開始運行時，其制熱系數COP較高。在測試期間內，空氣源熱泵子系統的平均制熱系數COP約為3.82。

圖4 壓縮機耗電量、系統供熱量及制熱系數COP隨時間的變化

空氣源熱泵子系統系統制熱系數COP及蓄熱水箱上部水溫隨時間的變化溫度如圖5所示。由圖5可知，蓄熱水箱水溫升溫曲線的斜率隨運行時間的增加而逐漸減小。這是由于當水溫逐漸升高時，水箱的散熱量也逐漸增大，導致水溫的升高減緩。此外，空氣源熱泵子系統系統制熱系數COP曲線呈下降趨勢。這是由于隨水箱溫度的升高，冷凝溫度上升，制熱系數COP相應降低。

圖5 環境溫度、制熱系數COP及蓄熱水箱上部水溫隨時間的變化

圖6表示空氣源熱泵子系統的蒸發器溫度，冷凝溫度與制熱系數COP隨時間的值的變化。由圖6可知，測試期間蒸發溫度基本保持穩定，冷凝溫度隨著加熱時間的增加而不斷增大，空氣源熱泵子系統COP值隨冷凝溫度的升高而相應降低。

圖6 熱泵蒸發器溫度、冷凝溫度及制熱系數COP隨時間的變化

2.3 空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統運行模式下熱力性能

系統以空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水運行模式運行時，典型測試日內測試時段為9:00-17:20。在一典型測試日中，環境溫度、蓄熱水箱上層水溫及太陽能熱水子系統的集熱效率隨時間的變化如圖7所示。由圖7可知，測試期間環境溫度變化較為平緩，平均溫度為24.24℃。由于測試期為多云天氣，太陽輻射強度較低，所以水箱溫升較為緩慢，加熱到17:00時，水箱終溫為39.2℃。17:00-17:25，開啟空氣源熱泵子系統對蓄熱水箱中經太陽能初步加熱的水進一步加熱。至17:25時，蓄熱水箱中的水被加熱至54.7℃。

圖7 環境溫度、蓄熱水箱溫度和太陽能熱水子系統集熱效率隨時間的變化

測試期間內空氣源熱泵子系統的制熱量、耗電量及制熱系數COP的變化如圖8所示。由圖8可知，系統在25分鐘內把先前已經由太陽能熱水子系統預熱的水加熱至55℃左右。與單一空氣源熱泵熱水器模式相比，在相近的環境溫度與供熱溫度條件下，空氣源熱泵子系統運行時間縮短約35%。此外，空氣源熱泵子系統耗功量隨時間變化不大。空氣源熱泵子系統在采樣周期內的制熱量和與制熱系數COP均隨加熱時間的增加而降低。在測試期內，空氣源熱泵子系統的平均制熱系數COP約為3.53。

圖8 系統耗電量、制熱量及制熱系數COP隨時間的變化

設計并構建了一種新型空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統，在昆明地區氣候條件下，對空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統進行了測試分析。測試結果表明：

⑴ 在單一的太陽能熱水器運行模式下，太陽能熱水子系統的日平均集熱效率可達54%。

⑵ 在單一的空氣源熱泵熱水系統運行模式下，空氣源熱泵子系統的平均制熱系數COP可達3.8左右。

⑶ 在空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統運行模式下，與單一空氣源熱泵熱水器模式相比，在相近的環境溫度及供熱溫度條件下，空氣源熱泵子系統統運行時間縮短約35%。