(1 天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院 天津300384； 2 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300074； 3 廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山528305)

隨著生活水平的提高，人們對生活熱水的品質(zhì)要求也逐漸提高。作為新能源熱水器的兩大主力，太陽能與空氣源熱泵行業(yè)各具優(yōu)勢。作為家庭用熱水解決方案，空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)將大大拓展應(yīng)用空間[1]。夏熱冬暖地區(qū)具備較好的太陽輻照條件，但陰雨天氣相對太陽能資源較豐富的華北、西北地區(qū)較多，對太陽能集熱裝置的全年運(yùn)行效果具有顯著影響；而該地區(qū)全年氣溫多分布于空氣源熱泵熱水器的名義工況及高溫工況，因而具有較高的運(yùn)行能效系數(shù)[2-3]。通過分析人們生活熱水的用水習(xí)慣，發(fā)現(xiàn)使用時段多集中在晚上。太陽能集熱器供熱能力受日輻照強(qiáng)度影響明顯，且供熱峰值出現(xiàn)在中午時段，而空氣源熱泵可以全天持續(xù)提供穩(wěn)定的熱量。兩者組合可以高效、穩(wěn)定地提供滿足需求的熱水量，在滿足熱水負(fù)荷下能達(dá)到可觀的節(jié)能環(huán)保效果。

環(huán)境溫度或供熱負(fù)荷的變化，可能會導(dǎo)致熱泵瞬時特性的變化，分析其季節(jié)性能系數(shù)有重要的理論意義和實(shí)用價值[4]。本文通過分析太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在不同地區(qū)的運(yùn)行性能，得出系統(tǒng)的全年綜合能效系數(shù)和太陽能貢獻(xiàn)率。為不同氣候區(qū)下太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和區(qū)域適用性評價提供依據(jù)。

1 熱水系統(tǒng)布局及生活熱水分析

1.1 生活熱水系統(tǒng)布局

太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在不同地區(qū)搭建需結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ问?，靈活安裝。太陽能集熱器一般安裝在南向屋頂或陽臺外側(cè)，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柛叨冉谴_定安裝傾角；空氣源熱泵外機(jī)安裝在室外通風(fēng)較好的位置；儲水箱安裝在空間較大的房間角落即可。圖1所示為太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)簡圖。

1儲水箱；2空氣源熱泵熱水器；3太陽能集熱器。圖1 太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of solar-air source heat pump hot water system

圖2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)原理Fig.2 The principle of experimental test system

1.2 熱水使用習(xí)慣分析

1)我國生活熱水主要用于洗浴，對于典型家庭來說，洗浴用水的溫度(熱水與冷水混合后的水溫)一般為40 ℃，用水情況較為穩(wěn)定[5]。

2)早上洗漱會有部分熱水消耗，人們的洗浴習(xí)慣主要集中在晚上(洗澡和洗腳)，其他時間段使用熱水較少。

1.3 生活熱水模型

供熱系統(tǒng)中生活熱水熱負(fù)荷取決于冷水溫度、熱水溫度和熱水用量。日均熱水負(fù)荷為：

Qd=mqrρcp(tr-tL)

(1)

式中：Qd為日耗熱量，kJ；m為用水計(jì)算單位數(shù)；qr為熱水用水定額，取值75 L；cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃);tr為規(guī)范[6]中選取的熱水計(jì)算溫度，60 ℃；tL為規(guī)范[7]中選取的冷水計(jì)算溫度，℃。

結(jié)合國人熱水使用習(xí)慣，參考日用水負(fù)荷分布中用水時間表及熱量消耗比例[8]，生活熱水逐時使用熱水量為：

Qw1=QdKh

(2)

式中：Qw1為生活熱水逐時放熱水量，kJ；Kh為本小時內(nèi)用熱量占總熱量的比例，%。

表1 生活熱水日用熱量時間表Tab.1 Domestic hot water daily heat schedule

2 測試系統(tǒng)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2所示為實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)原理。系統(tǒng)按照3～5人日用水量進(jìn)行主要單元設(shè)備的選配，太陽能集熱單元選用2塊面積為1.79 m2的平板型集熱器，熱泵機(jī)組額定制熱量為5.2 kW，蓄熱水箱容量為300 L。該系統(tǒng)有3個循環(huán)回路：1)太陽能集熱器系統(tǒng)，工質(zhì)在集熱板吸收太陽能，溫度升高，經(jīng)管路流入水箱下部盤管，與水箱中的水進(jìn)行換熱，后流回太陽能集熱器再次加熱；2)空氣源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行時，冷水在循環(huán)水泵的作用下從水箱流入熱泵系統(tǒng)的冷凝器中加熱，然后熱水流回水箱；3)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，自來水從水箱底部進(jìn)入，熱水從上部流出供用戶使用，如此循環(huán)。系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格型號如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格Tab.2 Equipment specifications of experimental system

2.2 試驗(yàn)工況確定

1)熱泵進(jìn)水側(cè)溫度界定

依據(jù)用戶側(cè)熱水需求溫度約為40 ℃，考慮空氣源熱泵的COP隨熱水進(jìn)口側(cè)溫度升高而降低，設(shè)定儲水箱水溫達(dá)到45 ℃時，空氣源熱泵停止工作，當(dāng)水溫低于40 ℃時，機(jī)組運(yùn)行。在滿足用戶熱水溫度需求的情況下，使空氣源熱泵機(jī)組在較高的機(jī)組性能下運(yùn)行。

參考表1全天時刻用熱量，最大用熱量占總熱量的25%。當(dāng)自來水溫度為10 ℃，水箱溫度為45 ℃，單次取熱量為總熱量的25%時，水箱水溫下降8.75 ℃。在熱泵機(jī)組工作情況下，水箱溫度可維持約為40 ℃。

綜上可得系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，儲水箱水溫不會發(fā)生陡降陡升式波動，熱水系統(tǒng)全年運(yùn)行的大部分時間儲水箱溫度約為40 ℃。由此確定空氣源熱泵機(jī)組試驗(yàn)工況的進(jìn)水側(cè)溫度為40～45 ℃。

2)熱泵空氣側(cè)溫度界定

參考標(biāo)準(zhǔn)[9]中空氣源熱泵熱水器的試驗(yàn)工況空氣側(cè)溫度為-7、2、7、20、43 ℃。結(jié)合我國大部分地區(qū)氣溫分布區(qū)間，工況點(diǎn)的選擇應(yīng)在室外干球溫度區(qū)間中均勻分布，則確定試驗(yàn)工況空氣側(cè)溫度為-7、2、7、20、30 ℃，下文稱為空氣源熱泵試驗(yàn)工況。

3)太陽能集熱器試驗(yàn)工況

太陽能集熱器熱效率η定義為在測試日內(nèi)集熱器供給儲水箱的熱量與太陽能日輻照量的比值:

(3)

式中：η為太陽能集熱器熱效率；Qs為集熱器為儲水箱提供的熱量，kJ；φ為太陽能日輻照量， MJ/(m2·d)。

考慮熱水系統(tǒng)全天運(yùn)行時，儲水箱水溫大部分時間在40～45 ℃，即太陽能集熱器蓄熱初始水溫約為40 ℃，設(shè)定試驗(yàn)工況儲水箱水溫為40 ℃。η受太陽能輻照強(qiáng)度影響明顯，則將太陽能日輻照量按照φ<8 MJ/(m2·d)、8 MJ/(m2·d)≤φ<13 MJ/(m2·d)、13 MJ/(m2·d)≤φ<18 MJ/(m2·d)、φ≥18 MJ/(m2·d)4個分區(qū)[10]進(jìn)行熱效率測試，實(shí)驗(yàn)確定不同輻照強(qiáng)度下的η，4個不同分區(qū)為太陽能試驗(yàn)工況。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及計(jì)算方法

運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)制熱實(shí)驗(yàn)方法在選定的5個空氣源熱泵試驗(yàn)工況下運(yùn)行機(jī)組，待熱泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)后，記錄一定時間段功率，計(jì)算對應(yīng)時間段制熱量，進(jìn)而得出熱泵機(jī)組在不同工況下的性能系數(shù)。

(4)

(5)

(6)

在選定的4個太陽能試驗(yàn)工況下運(yùn)行太陽能制熱單元，根據(jù)式(7)～式(9)計(jì)算測試日太陽能集熱單元供給儲水箱的熱量和集熱器熱效率。

(7)

Qs=∑Qsi

(8)

式中：Qsi為Δτ時間內(nèi)集熱器提供的熱量，kJ；q2為太陽能集熱器系統(tǒng)質(zhì)量流量，m3/h；ρ2為循環(huán)工質(zhì)密度，kg/m3；cp2為循環(huán)工質(zhì)比熱容，3.7 kJ/(kg·℃)；Δτ為讀數(shù)時間間隔，Δτ=15 s。

(9)

式中：S為集熱器的采光面積，3.58 m2；φ為日輻照量，MJ/(m2·d)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

3.1 空氣源熱泵機(jī)組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上文測試步驟及方法對空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行變工況實(shí)驗(yàn)，控制熱泵機(jī)組進(jìn)水溫度在40～45 ℃。

圖3所示為5個空氣源熱泵試驗(yàn)工況下熱泵機(jī)組壓縮機(jī)功率隨進(jìn)水溫度的變化。由圖3可知，當(dāng)空氣側(cè)溫度一定時，熱泵壓縮機(jī)功率隨進(jìn)水溫度升高而增加；當(dāng)進(jìn)水溫度一定時，壓縮機(jī)功率隨空氣側(cè)干球溫度升高而增加。

圖3 熱泵壓縮機(jī)功率隨進(jìn)水溫度的變化Fig.3 The power of heat pump compressor changes with inlet temperature

圖4所示為5個空氣源熱泵試驗(yàn)工況下熱泵機(jī)組COP隨進(jìn)水溫度的變化。由圖4可知，當(dāng)空氣側(cè)溫度一定時，熱泵COP隨著進(jìn)水溫度升高而降低；當(dāng)進(jìn)水溫度一定時，熱泵COP隨著空氣側(cè)干球溫度升高而升高。

圖4 熱泵COP隨進(jìn)水溫度的變化Fig.4 COP of heat pump changes with inlet temperature

當(dāng)空氣側(cè)溫度一定時，較高的進(jìn)水溫度會增加壓縮機(jī)功率，降低機(jī)組COP，應(yīng)盡量降低熱泵機(jī)組的進(jìn)水溫度，減少高進(jìn)水溫度下熱泵運(yùn)行時間，提高熱泵運(yùn)行性能；當(dāng)進(jìn)水溫度一定時，空氣側(cè)干球溫度與熱泵機(jī)組COP呈正相關(guān)變化。

圖5 熱泵隨空氣側(cè)干球溫度的變化Fig.5 of heat pump changes with dry bulb temperature of air side

3.2 太陽能集熱器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照測試工況對太陽能集熱器進(jìn)行測試，圖6所示為表3中太陽能試驗(yàn)工況3中日輻照總量為14.63 MJ/m2時集熱器單位面積制熱量(供給儲水箱的熱量)與太陽能瞬時輻照量關(guān)系。太陽能集熱單元日運(yùn)行時間受日輻照強(qiáng)度影響，通過測試，日平均運(yùn)行時間取5 h，系統(tǒng)耗電功率為0.1 kW。

圖6 集熱器單位面積制熱量與太陽能瞬時輻照量關(guān)系Fig.6 Relationship between solar collector heating capacity per unit area and instantaneous solar radiation

按日輻照量選取日輻照量分區(qū)中對應(yīng)單位日進(jìn)行測試，計(jì)算太陽能集熱器熱效率，結(jié)果如表3所示。

結(jié)合太陽能熱效率與日照強(qiáng)度實(shí)際關(guān)系得到擬合式，如圖7所示，為下文評價太陽能在不同氣候區(qū)貢獻(xiàn)率提供計(jì)算依據(jù)。

表3 不同日照強(qiáng)度下太陽能集熱器熱效率Tab.3 Thermal efficiency of solar collectors under different sunshine intensities

圖7 太陽能集熱器熱效率與日照強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relationship between thermal efficiency of solar collectors and sunshine intensity

4 不同氣候區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

分別分析太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)的運(yùn)行性能，選取不同氣候區(qū)代表城市依次為天津、上海、廣州和昆明。對比系統(tǒng)在不同氣候區(qū)的綜合能效系數(shù)，評價該系統(tǒng)在不同氣候下的適用性及優(yōu)越性。

4.1 不同地區(qū)代表城市典型年氣象數(shù)據(jù)分析

分析上述4個城市典型年氣象數(shù)據(jù)[11]，統(tǒng)計(jì)日平均溫度頻數(shù)分布(如圖8所示)和太陽能日輻照量。結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)得到的擬合式，以日平均溫度為熱泵空氣側(cè)溫度，確定熱泵日COP，計(jì)算熱泵單元和太陽能集熱器單元的日制熱量，將系統(tǒng)日運(yùn)行能效作為權(quán)重，加權(quán)計(jì)算得到系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)(APF)。

圖8 不同地區(qū)日平均氣溫天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of daily average temperature days in different areas

4.2 日熱水負(fù)荷計(jì)算

實(shí)驗(yàn)熱水系統(tǒng)中設(shè)備容量擬承擔(dān)3～5人生活熱水需求，用水單位數(shù)m取4，參考規(guī)范中不同城市冷水計(jì)算溫度,如表4所示。按照冷水計(jì)算溫度的最低值取值，代入式(1)計(jì)算不同地區(qū)日均熱水負(fù)荷Qd。

熱水系統(tǒng)運(yùn)行期間有一定熱量損失，其大小與熱水溫度、系統(tǒng)保溫性能、周圍環(huán)境溫度有關(guān)。文獻(xiàn)[12]中熱水系統(tǒng)日熱量損失，按日均熱水負(fù)荷的5%計(jì)算，則日熱水負(fù)荷Q計(jì)算式為：

Q=Qd(1+5%)

(10)

4.3 不同地區(qū)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)

熱水負(fù)荷由空氣源熱泵機(jī)組單獨(dú)承擔(dān)，根據(jù)式(11)計(jì)算得出系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)APFh。由表4可知，夏熱冬暖地區(qū)較其他3個地區(qū)高溫天數(shù)偏多，空氣源熱泵運(yùn)行COP高，則夏熱冬暖地區(qū)是其應(yīng)用的最佳地區(qū)，其它地區(qū)有很大的推廣應(yīng)用潛力。

(11)

式中：Qj為不同工況下日熱水負(fù)荷，kJ。

4.4 不同地區(qū)組合系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)

1)熱水系統(tǒng)太陽能貢獻(xiàn)率

根據(jù)前文的測試結(jié)果和不同地區(qū)日輻照情況，分析不同城市在滿足年生活熱水負(fù)荷下的太陽能貢獻(xiàn)率。如圖9所示，天津地區(qū)集熱器年制熱量較大，此地區(qū)太陽能資源豐富，太陽能利用可有效提高熱水系統(tǒng)能效；昆明地區(qū)太陽能貢獻(xiàn)率最高，可達(dá)38.62%。

圖9 不同地區(qū)太陽能年貢獻(xiàn)率Fig.9 Annual contribution rate of solar energy in different areas

2)不同地區(qū)組合系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)

熱負(fù)荷由太陽能集熱器和空氣源熱泵機(jī)組共同承擔(dān)，由式(12)可得組合系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)APFs。

(12)

式中：Ws為太陽能集熱器日耗電量，kW·h。

4.5 結(jié)果分析

圖10所示為不同地區(qū)組合系統(tǒng)與單空氣源熱泵APF對比。由圖10可知，單熱泵熱水器承擔(dān)熱水負(fù)荷時，夏熱冬暖地區(qū)APF最高，可達(dá)3.79，寒冷地區(qū)最低；組合系統(tǒng)共同承擔(dān)熱水負(fù)荷時，組合系統(tǒng)APF較單空氣源熱泵運(yùn)行均有較高的提升，其中溫和地區(qū)太陽能使系統(tǒng)能效提高35.67%。

表4 不同地區(qū)組合系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)APFTab.4 System annual performance factor in different areas

圖10 不同地區(qū)組合系統(tǒng)與單空氣源熱泵APF對比Fig.10 Comparison of APF between combined system and single air source heat pump system in different areas

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測試空氣源熱泵機(jī)組和太陽能集熱器單元在典型工況下的運(yùn)行性能及能效系數(shù)，寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)中，分別選取天津、上海、廣州和昆明4個城市，結(jié)合國人生活用水習(xí)慣，分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)3～5人典型住宅用戶生活用水負(fù)荷下的運(yùn)行性能，根據(jù)不同城市典型年氣象數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算得出該熱水系統(tǒng)在不同氣候區(qū)年綜合能效系數(shù)，得到如下結(jié)論：

1)環(huán)境溫度和水箱溫度是影響熱泵機(jī)組性能的重要因素，當(dāng)空氣源熱泵進(jìn)水溫度一定時，隨室外環(huán)境溫度升高，熱泵COP有較好的正相關(guān)性；當(dāng)室外環(huán)境溫度一定時，熱泵耗電量隨進(jìn)水溫度的升高而增大。建議熱泵機(jī)組以儲水箱水溫低于40 ℃啟動，高于45 ℃停止，在滿足熱水溫度要求的情況下提升熱泵機(jī)組性能，達(dá)到節(jié)能效果。

2)當(dāng)太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中空氣源熱泵作為獨(dú)立熱源時，室外環(huán)境溫度是影響系統(tǒng)能效的主要因素，對比4個典型地區(qū)太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)年能效系數(shù)，其中夏熱冬暖地區(qū)APF最高，系統(tǒng)優(yōu)勢突出；寒冷地區(qū)APF雖然偏低，但相比于電熱水器系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，具有推廣意義。

3)當(dāng)太陽能-空氣源熱泵組合熱水系統(tǒng)組合供熱水時，系統(tǒng)在熱泵的運(yùn)行優(yōu)勢上充分利用太陽能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效。計(jì)算分析太陽能-空氣源熱泵組合熱水系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)，較熱泵單獨(dú)運(yùn)行均有明顯的提升。

4)本文分析評價了相同形式的熱水系統(tǒng)在4個典型氣候區(qū)的運(yùn)行性能，若使系統(tǒng)在不同地區(qū)達(dá)到更佳運(yùn)行性能，提高能源利用效率，需根據(jù)不同地區(qū)氣象條件對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化匹配，系統(tǒng)的優(yōu)化匹配可進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。