(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，在滿足熱水負荷下能達到可觀的節(jié)能環(huán)保效果。

環(huán)境溫度或供熱負荷的變化，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)的運行性能，得出系統(tǒng)的全年綜合能效系數(shù)和太陽能貢獻率。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 實驗測試系統(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)中生活熱水熱負荷取決于冷水溫度、熱水溫度和熱水用量。日均熱水負荷為：

Qd=mqrρcp(tr-tL)

(1)

式中：Qd為日耗熱量，kJ；m為用水計算單位數(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]中選取的熱水計算溫度，60 ℃；tL為規(guī)范[7]中選取的冷水計算溫度，℃。

結(jié)合國人熱水使用習(xí)慣，參考日用水負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 實驗裝置

圖2所示為實驗測試系統(tǒng)原理。系統(tǒng)按照3～5人日用水量進行主要單元設(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 實驗系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格Tab.2 Equipment specifications of experimental system

2.2 試驗工況確定

1)熱泵進水側(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隨熱水進口側(cè)溫度升高而降低，設(shè)定儲水箱水溫達到45 ℃時，空氣源熱泵停止工作，當(dāng)水溫低于40 ℃時，機組運行。在滿足用戶熱水溫度需求的情況下，使空氣源熱泵機組在較高的機組性能下運行。

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組試驗工況的進水側(cè)溫度為40～45 ℃。

2)熱泵空氣側(cè)溫度界定

參考標準[9]中空氣源熱泵熱水器的試驗工況空氣側(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工況。

3)太陽能集熱器試驗工況

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)定試驗工況儲水箱水溫為40 ℃。η受太陽能輻照強度影響明顯，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]進行熱效率測試，實驗確定不同輻照強度下的η，4個不同分區(qū)為太陽能試驗工況。

2.3 實驗步驟及計算方法

運用非穩(wěn)態(tài)制熱實驗方法在選定的5個空氣源熱泵試驗工況下運行機組，待熱泵機組運行平穩(wěn)后，記錄一定時間段功率，計算對應(yīng)時間段制熱量，進而得出熱泵機組在不同工況下的性能系數(shù)。

(4)

(5)

(6)

在選定的4個太陽能試驗工況下運行太陽能制熱單元，根據(jù)式(7)～式(9)計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 實驗結(jié)果處理

3.1 空氣源熱泵機組實驗結(jié)果

按照上文測試步驟及方法對空氣源熱泵機組進行變工況實驗，控制熱泵機組進水溫度在40～45 ℃。

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

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

圖4所示為5個空氣源熱泵試驗工況下熱泵機組COP隨進水溫度的變化。由圖4可知，當(dāng)空氣側(cè)溫度一定時，熱泵COP隨著進水溫度升高而降低；當(dāng)進水溫度一定時，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，較高的進水溫度會增加壓縮機功率，降低機組COP，應(yīng)盡量降低熱泵機組的進水溫度，減少高進水溫度下熱泵運行時間，提高熱泵運行性能；當(dāng)進水溫度一定時，空氣側(cè)干球溫度與熱泵機組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 太陽能集熱器實驗結(jié)果

按照測試工況對太陽能集熱器進行測試，圖6所示為表3中太陽能試驗工況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行時間受日輻照強度影響，通過測試，日平均運行時間取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)單位日進行測試，計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度實際關(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)貢獻率提供計算依據(jù)。

表3 不同日照強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)合前文實驗得到的擬合式，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)日運行能效作為權(quán)重，加權(quán)計算得到系統(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Fig.8 Statistics of daily average temperature days in different areas

4.2 日熱水負荷計算

實驗熱水系統(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算溫度,如表4所示。按照冷水計算溫度的最低值取值，代入式(1)計算不同地區(qū)日均熱水負荷Qd。

熱水系統(tǒng)運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[12]中熱水系統(tǒng)日熱量損失，按日均熱水負荷的5%計算，則日熱水負荷Q計算式為：

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)

熱水負荷由空氣源熱泵機組單獨承擔(dān)，根據(jù)式(11)計算得出系統(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荷下的太陽能貢獻率。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)太陽能貢獻率最高，可達38.62%。

圖9 不同地區(qū)太陽能年貢獻率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)

熱負荷由太陽能集熱器和空氣源熱泵機組共同承擔(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)熱水負荷時，夏熱冬暖地區(qū)APF最高，可達3.79，寒冷地區(qū)最低；組合系統(tǒng)共同承擔(dān)熱水負荷時，組合系統(tǒng)APF較單空氣源熱泵運行均有較高的提升，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

通過實驗測試空氣源熱泵機組和太陽能集熱器單元在典型工況下的運行性能及能效系數(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荷下的運行性能，根據(jù)不同城市典型年氣象數(shù)據(jù)加權(quán)計算得出該熱水系統(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組性能的重要因素，當(dāng)空氣源熱泵進水溫度一定時，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，熱泵耗電量隨進水溫度的升高而增大。建議熱泵機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組性能，達到節(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)在熱泵的運行優(yōu)勢上充分利用太陽能，進一步提高系統(tǒng)能效。計算分析太陽能-空氣源熱泵組合熱水系統(tǒng)年綜合能效系數(shù)，較熱泵單獨運行均有明顯的提升。

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)的運行性能，若使系統(tǒng)在不同地區(qū)達到更佳運行性能，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)備進行優(yōu)化匹配，系統(tǒng)的優(yōu)化匹配可進行進一步分析研究。