张国庆
唐山市热力总公司 河北唐山 063000
摘要：农村能源是我国能源体系的重要组成部分，但目前农村能源结构体系并不合理，为了解决新农村能源利用尤其是建筑建设及采暖问题，提出一种基于改造式房屋建筑的太阳能辅助空气源热泵系统并搭建了系统实验台，对系统的运行参数进行了监测和记录。本文通过对系统太阳能集热、空气源热泵及毛细管辐射等运行数据进行分析了解。
关键词：太阳能；空气源热泵；毛细管网；节能
1系统设计
制冷剂-太阳能热水共用翅片管换热器的太阳能－空气源复合热泵系统就是要将空气源热泵和真空管太阳能热水系统有机结合，在传统的空气源热泵系统的基础上，在换热器迎风侧增加一排太阳能管路，实现优势互补，系统流程如图1所示。
图1太阳能一空气源热泵系统
太阳能集热板经换热将储水箱中的水加热，在冬天时，室外温度较低，此时关闭生活热水阀门，储水箱中的水流过蒸发器最外侧的太阳能管路，空气流经热水盘管后温度升高，然后再流经制冷剂盘管，并且外侧盘管内的热水通过翅片将部分热量传给内侧盘管内的制冷剂。通过这两者作用使制冷剂蒸发温度提高，可以有效避免盘管外空气结霜；夏天时，室外温度较高，此时关闭储水箱通往蒸发器的阀门，储水箱提供生活热水。
2 空气源热泵辅助太阳能热水系统的数学模型
2.1 集热器的理论模型
该户所使用的集热器为热管式真空管集热器，该集热器集热效率很好、抗压性能较高，且具有较高的传热速度，而且容易安装维护。具体公式如下所示：
Qu=μTAc=AcFR［I（τα）-U1（Tin-Ta）］（1）
式中：Qu指的是集热量，单位kW；
I指的是太阳辐射强度，单位W/m2；
Ac指的是集热面积，单位m2；
FR指的是集热器转移因子；
τα指的是透过率和吸收率的乘积；
Tin指的是集热器进口温度，单位℃；
Ta指的是环境温度，单位℃；
U1指的是集热器热损失系数。
2.2 热泵单元的数学模型
热泵循环的能量平衡方程可用公式2表示：
Qk=Q0+P0=qm（h2-h1）（2）
式中：Qk指的是单位时间系统热量，单位kJ；
P0指的是单位时间系统耗功，单位kJ；
Q0指的是单位时间释放热量，单位kJ；
qm指的是进入或进出系统的制冷剂的质量流量，单位kg/s；h指的是比焓，下标1和2分别代表进入和进出系统的流体的状态点。上述公式能够在热泵系统的各个部件使用，包括蒸发器、压缩机等部位。
3实验过程及结果分析
3.1实验过程
该实验在大焓差实验室内进行，按照GB/T18430.1-2007中规定的名义工况，进行室外换热器太阳能热水管路中有无热水两种工况下机组的蒸发器出口温度、供热量及系统COP进行了测试。焓差实验室对环境条件进行模拟，干球温度为7℃，湿球温度为6℃，控制误差在±0.3℃。机组风机为额定频率50Hz。由水箱向太阳能管路提供20℃热水，水流量通过流量计测得为4.6m³/h。机组额定制热量为60kW。采暖热水进出水温度控制在40℃/45℃，机组流量根据负荷变化，自动调节。
利用testar软件对进风温度、机组输入功率、COP等进行监测并记录。蒸发器出口温度、风机出口温度、太阳能供回水温度分别使用热电偶进行测量，并传至testar程序中，进行记录。
3.2实验结果分析
3.2.1无太阳能水时机组各参数变化
太阳能管路中不通入太阳能热水工况下，热泵机组蒸发器出口温度、COP及换热量变化如图2所示。
图2无太阳能水热泵机组性能参数变化
由图2可以看出，在某一时刻蒸发器出口温度突然上升，制热量急剧下降。这是由于蒸发器出口温度过低，机组进入自动除霜阶段，除霜过程大约需要8min左右，整个稳定工况大约为40min，除霜时间约占20%。在此过程中机组不再制热，制热量的减少量为正常制热量的2倍左右。
当机组除霜工况结束后，会导致压缩机吸入口压力过高，使压缩机无法启动甚至烧毁。在此过程中机组的制热量、COP、蒸发器表面温度都出现较大波动。可知当机组在此工况下运行时，会导致制热量下降，机组运行不稳定，进而影响机组效能，影响机组使用寿命。
4 空气源热泵辅助太阳能房热水系统的环保性分析
CO2的排放量可以很好地衡量一个系统的优良性，其代表了该系统的环保性。因此，基于CO2减排量这一指标来对比空气源热泵辅助太阳能房热水系统与其它供热系统的优良性。二氧化碳的减排量可以用公式3表示：
QCO2=（Qsave×n）/（W×Eff）×FCO2×（44/12）（3）式中：QCO2指的是CO2减排量，单位kg；
Qsave指的是年节能量，单位MJ；
W指的是标准煤的热值，为29.308MJ/kg；
Eff指的是加热装置的效率；
N指的是使用寿命，单位y；
FCO2指的是碳排放因子，单位kg碳/kg标准煤。煤的碳排放因子为0.726kg碳/kg标准煤，石油的碳排放因子为0.543kg碳/kg标准煤，天然气的碳排放因子为0.404kg碳/kg标准煤，电能的碳排放因子为0.866kg碳/kg标准煤。
基于以上计算结果能够得知，空气源热泵辅助太阳能房热水系统运行一年的总节能Qsave1742.4MJ，使用寿命是15年，FCO2是0.866，Eff是0.95，由此可知，空气源热泵辅助太阳能房热水系统的碳减排量QCO2等于2981.5kg。通过对其他几种热水方案的碳减排量QCO2进行计算，能够得出各热水方案的CO2减排量：锅炉（油）的CO2减排量为1246.3kg；锅炉（燃气）的CO2减排量为927.28kg；电热锅炉的CO2减排量为1987.67kg；电辅式太阳能热水器的CO2减排量为1264.75kg；热泵的CO2减排量为1254.38kg；太阳能热水器+空气源热泵的CO2减排量为2981.5kg。
结语
在冬季寒冷但太阳能资源相对丰富的地区，太阳能辅助空气源热泵系统具有一机多用、供暖高效稳定，且不会出现冻结、结霜等问题的显著优势。在使用太阳能辅助空气源热泵系统时，合理选取太阳能集热器面积、确定联合供暖能效比至关重要。
参考文献：
[1]张洁，张良俊，王如竹，吴静怡.空气源热泵热水器系统优化计算及实验研究[J].太阳能学报.2007（03）
论文作者:张国庆
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第18期
论文发表时间:2019/3/26
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