孔琳琳

鄭州輕工業(yè)學(xué)院

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能研究

孔琳琳

鄭州輕工業(yè)學(xué)院

在只考慮環(huán)境因素和天氣的情況下提出了太陽能熱泵熱水系統(tǒng)調(diào)度策略，以提高對(duì)太陽能的利用。首先在空氣源熱泵加熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程的基礎(chǔ)上，給出了空氣源熱泵制熱量的預(yù)測(cè)方法，然后從能量的角度給出調(diào)度策略的運(yùn)行步驟，在求得熱泵制熱量的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前熱水所含的熱量與目標(biāo)熱水所含熱量進(jìn)行比較，求取熱泵開啟的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵的控制。通過在實(shí)際工程中的應(yīng)用比較，證明該節(jié)能運(yùn)行策略能夠推遲熱泵的開啟，進(jìn)而縮短熱泵的運(yùn)行時(shí)間，太陽能利用率得到了一定的提高。

空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；直熱式；COP

導(dǎo)言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源枯竭和環(huán)境污染嚴(yán)重的問題日益凸顯，太陽能作為無污染的綠色能源受到了社會(huì)的普遍關(guān)注。利用太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生熱水的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了快速的發(fā)展。目前太陽能熱泵熱水系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，太陽能的熱利用為系統(tǒng)節(jié)約了能量，但由于其不穩(wěn)定特性和目前太陽能熱泵系統(tǒng)的調(diào)度策略不完善，還不能有效地推算熱泵的開啟時(shí)間。因此，在太陽能熱泵熱水系統(tǒng)中太陽能利用還有很大的開發(fā)潛力。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，考慮太陽輻照度的難預(yù)測(cè)性和實(shí)際工程中對(duì)用水的定時(shí)定量定溫度的限制條件，從能量的角度，結(jié)合實(shí)際工程，在光照不足的情況下，給出一種調(diào)度策略，以提高系統(tǒng)的太陽能利用率。

1 系統(tǒng)工作原理

本文中系統(tǒng)為并聯(lián)式太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要包括太陽能子系統(tǒng)和熱泵子系統(tǒng)。太陽能子系統(tǒng)由集熱器、集熱循環(huán)泵、管路系統(tǒng)、控制器等組成;熱泵子系統(tǒng)主要由熱泵循環(huán)泵、壓縮機(jī)、套管式換熱器、膨脹閥及復(fù)合蒸發(fā)器組成。其工作原理如圖1所示，太陽能和空氣源熱泵并行提供熱量，二者之間相對(duì)獨(dú)立，又能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在光照充足的情況下可以運(yùn)行太陽能子系統(tǒng)加熱水箱中的水，熱泵系統(tǒng)關(guān)閉;在陰雨天氣的情況下，開啟熱泵子系統(tǒng)產(chǎn)生熱量加熱;在光照不足的情況下，需要太陽能子系統(tǒng)和熱泵子系統(tǒng)聯(lián)合加熱，彌補(bǔ)因天氣情況由太陽能作為單一熱源無法連續(xù)提供熱量的不足。

2 數(shù)據(jù)分析

57%本次測(cè)驗(yàn)時(shí)間為2015年4月21日16：00至22日16：00。測(cè)驗(yàn)期間環(huán)境均勻溫度23.27℃、進(jìn)水均勻溫度24.83℃，敞開4臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)組，并選用直熱運(yùn)行形式，2臺(tái)冷水供水泵和1臺(tái)熱水供水泵處于運(yùn)用狀況。其中，熱水體系每日23：30至次日9：30斷電，宿舍用水時(shí)間為11：30～13：30和16：30～23：00。熱水體系供電形式和用水規(guī)律以及測(cè)驗(yàn)時(shí)期室外環(huán)境溫度改變曲線。

2.1 溫度參數(shù)

水箱及空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)出水溫度的改變曲線。能夠看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)時(shí)期，空氣源熱泵熱水機(jī)組于21日16：40至18：00和22日9：30至15：十發(fā)動(dòng)2次，發(fā)動(dòng)時(shí)間分別為80min和340min。在熱泵運(yùn)行時(shí)期，機(jī)組處于較為安穩(wěn)的作業(yè)狀況，熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫差保持在21.53℃，水箱溫度隨空氣源熱泵機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行而呈上升趨勢(shì)，但是因?yàn)闊岜眠\(yùn)行前保溫水箱內(nèi)水量不一樣，致使兩次熱泵運(yùn)行過程中水箱溫度增加速率有所區(qū)別。21日時(shí)由于水箱存水量較多、熱容較大，致使熱泵機(jī)組出水溫度一向高于水箱溫度，而在22日時(shí)，因?yàn)樗渲薪^大部分熱水已于前一日被耗費(fèi)殆盡，致使熱泵運(yùn)行后水箱溫度快速增加，并終究與熱泵出水溫度到達(dá)一致。

在熱水提供時(shí)期(即11：30～13：30和16：30～23：00)，因?yàn)闊崴粩啾挥脩羲\(yùn)用，水箱內(nèi)水量逐漸減小，水箱中外部空氣不斷進(jìn)入以及水箱的熱丟失，形成水箱溫度緩慢下降。此外，受到間歇式熱水提供形式的影響，加之熱水管網(wǎng)雜亂、水容量較大等要素，非熱水提供時(shí)期管道中熱水冷卻散熱明顯，致使熱水供水泵再次發(fā)動(dòng)剎那間很多管道冷水與水箱熱水混合，導(dǎo)致水箱溫度突變的景象呈現(xiàn)。以22日11：30為例，管道中的高溫?zé)崴?jīng)過一晚約十h的冷卻過程后，再次回到水箱時(shí)，水箱溫度從47℃驟變至44.3℃，溫降達(dá)2.7℃以上。在熱水體系斷電時(shí)期(即23：30至次日9：30)，受到水箱保溫和水箱水量等要素的影響，水箱溫度呈下降趨勢(shì)，熱量流失疑問突出，水箱溫度從35.1℃下降至27.6℃，溫度減低7.5℃。

2.2 功率參數(shù)

空氣源熱泵熱水體系中單臺(tái)熱泵機(jī)組、補(bǔ)水泵以及熱水泵的逐時(shí)功率和電量耗費(fèi)分布狀況。在設(shè)備功率上，空氣源熱泵功率最高，約十.68kW，其次為熱水泵，約4.28kW，冷水補(bǔ)水泵最低，約1.49kW。為確保體系最不使用水點(diǎn)的熱水需要，熱水泵選型較大，水泵功率已到達(dá)空氣源熱泵機(jī)組功率的39.3%。從電量耗費(fèi)來看，受到運(yùn)行時(shí)間和設(shè)備功率等要素的影響，熱泵機(jī)組、熱水泵和冷水補(bǔ)水泵的電量耗費(fèi)順次為246.2kWh、36.36kWh和17.44kWh，分別占到總體系電耗的82.07%、12.12%和5.81%。

3 結(jié)語

本文中分析了太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行原理和目前太陽能熱泵熱水工程中存在的問題，提出了節(jié)能控制策略的方案。解決了傳統(tǒng)控制策略的弊端。在用戶的用水時(shí)間、用水溫度、用水量確定的情況下，系統(tǒng)可以推算熱泵啟停的時(shí)間。通過在實(shí)際工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該調(diào)度策略在天氣良好的情況下能夠有效地推遲空氣源熱泵的開啟時(shí)間和減少空氣源熱泵的運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)的太陽能利用率，有效提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。此調(diào)度策略對(duì)太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展具有一定的意義。

[1]卜萃文.重慶地區(qū)學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行研究.重慶大學(xué)，2014(1)：23.

[2]黃虎，李奇賀，袁冬雪.空氣源熱泵熱水機(jī)組變工況運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究.建筑科學(xué)，2015.12，23(12)：68-71.