太陽能復合能源空調熱水系統中熱泵系統換熱性能的試驗研究

李 晨鄭祖義,陳煥新金聽祥

開發新能源，利用可再生能源，提高能源利用率，建設節約型社會是21世紀重要課題之一。目前我國家用熱水器主要以電熱水器、燃氣熱水器以及太陽能熱水器為主，家用空調也主要采用的傳統的空調系統。單一熱水或者單一制冷已經無法滿足人們的復合要求，所以迫切需求一種功能集成，節能高效的新型系統。

目前，國內外已有一些研究機構和大學，對空調系統與熱水系統的結合進行了試驗性研究和產品開發。Chyng等人[1]對一種整體式太陽能熱泵型熱水系統進行了數值模擬和試驗研究，在循環冷凝側采用“制冷劑-水”的虹吸式熱交換器加熱熱水，實驗結果表明下午15 ，雨天出水溫度可達61℃，晴天出水溫度可達68℃。Hawlader等[2]設計制造了一種太陽能輔助熱泵干燥和熱水系統，該系統的COP最大可達6.0，蒸發/集熱器的效率可達0.8。王巧麗等[3]人研制了雙熱源空調-熱水器一體機并對其進行試驗研究，其中水源蒸發器工作 系統的COP平均值為3.56，空氣源蒸發器工作 的COP平均值為2.51。季杰等[4]也對空調-熱水器一體機進行了試驗研究，并進行了仿真模擬，制冷和制熱水同 協調運行 ，其系統平均能效比可達3.5。李舒宏等[5]研究的太陽能熱泵熱水裝置，將太陽能系統和熱泵系統結合，實現制冷和制熱水功能，試驗得到系統能效比最大可達3.85，平均在3.0以上。在熱泵系統的改造上，采用熱回收裝置的熱泵系統成為國內外學者的研究熱點[6-11]，同樣具有良好的節能效果和經濟效益。

這里研究的太陽能復合能源空調熱水系統是采用一種新型的系統結構將太陽能熱水系統和熱泵空調熱水系統相結合，夏季通過室內的蒸發器降低室內溫度和濕度，并可以同 利用冷凝器散熱和太陽能提供生活熱水。冬季不需要室內降溫降濕的情況下，可以利用熱泵與太陽能提供生活熱水。系統主要通過太陽能系統提供熱水，由于太陽能輻射表現為夏季充足和冬季不足的特點，當太陽能輻射充足 ，直接通過太陽能熱水系統提供生活熱水，當太陽能輻射不足 ，啟動熱泵系統輔助制熱，因此太陽能復合能源空調系統克服了單一太陽能熱水系統的季節問題[12-14]。

1 系統組成

這里研究的太陽能復合能源空調系統由太陽能熱水子系統，熱泵空調熱水子系統組成。太陽能子系統包括集熱器、保溫水箱等；熱泵空調熱水子系統包括壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流裝置，以及帶有盤管換熱器的保溫水箱，循環水泵等(如圖1所示)。

圖1 太陽能復合能源空調熱水系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar-assisted air-conditioner with water heater

太陽能復合能源空調熱水系統，是利用水冷冷凝器的形式回收空調冷凝熱，并用于生活熱水的初級加熱，利用太陽能對生活熱水進行二級加熱供全年生活熱水使用。

該系統將太陽能熱水器與傳統蒸汽壓縮式家用空調進行有機結合:在壓縮機的排氣側，用一個“水-制冷劑”的排氣換熱器替代了原有的“空氣-制冷劑”的換熱器，提高進入太陽能集熱器的用戶側回水溫度。

由于系統將傳統空調系統的室外“空氣-制冷劑”換熱器改為“水-制冷劑”的排氣換熱器。因此，在制冷過程中，原來制冷工質應與室外空氣進行熱交換而向外界排出冷凝熱，而現在該過程轉換成與冷水進行熱交換以加熱家庭熱水，從而將原來需排向室外空氣的冷凝熱加以利用，起到了熱回收的作用，得到較高的系統能效比。

2 試驗裝置及方法

試驗主要研究的是太陽能復合能源空調熱水系統中的熱泵空調熱水子系統，即太陽能熱水系統不工作或者太陽能能量不足的情況下的三種模式的換熱效率及影響因素，三種模式之間的轉換通過電磁閥的開閉來控制實現。

2.1 試驗裝置

試驗樣機選用KK-AW4517YK活塞式壓縮機，其標定制冷量:2150/4298W；標定輸入功率:1050/1487W；鎖定電機電流:35/35A；額定負載電流:4.9/6.8A；標定COP:2.05/2.89W/W；CS-51H3A-P75A掛式室內機，其采用4流程蒸發器，出風量》800m3/h;循環水泵采用20PLBR14-4屏蔽增壓泵，其揚程額定4m，最高5.5m，流量額定14L/min，最大30L/min，輸入功率100W；室外機采用制冷劑回路與水回路路并行的6流程冷凝器；節流裝置采用熱力膨脹閥；循環水箱采用80L的承壓保溫水箱。

系統額定制冷量:3500W，額定制熱水能力:250L/h；系統采用制冷劑:R134a，沖注量:2840g，環境工況空氣側干球溫度:27℃，空氣側濕球溫度:19℃，熱水側干球溫度:35℃，熱水側濕球溫度:24℃，環境壓力為標準大氣壓，進水水溫為19℃。

2.2 系統各模式原理及試驗方法

1)單獨制冷模式原理:制冷劑通過室內換熱器在室內蒸發吸熱(提供冷量)，經壓縮機壓縮，通過水冷冷凝器在熱泵水箱里冷凝放熱給水，水再進過風冷水循環通過室外換熱器將熱量排放到室外。

2)單獨熱水模式原理:制冷劑通過室外換熱器吸收室外環境環境熱量，經過壓縮機壓縮，通過水冷冷凝器在熱泵水箱中放熱給水從而提供生活熱水。

3)制冷兼熱水模式原理:制冷劑通過室內換熱器在室內蒸發吸熱(提供冷量)，經壓縮機壓縮，同 通過水冷冷凝器在熱泵水箱里冷凝放熱給水來提供生活熱水。

熱泵空調熱水系統在焓差試驗室中進行試驗，實 記錄各項性能參數，其中循環水流量通過手動調節循環水泵控制閥控制，并取平均流量值作為記錄。

3 試驗結果及分析

對熱泵子系統各模式下的各項性能參數進行分析，并通過下式(1)計算得出系統各模式下的能效比COP，并對影響COP的各項因素進行比較分析。

式中:Q在計算制冷COP ，為系統制冷量，W；計算熱回收COP ，為系統單位 間回收熱生成的熱水所含熱量，W；計算熱水COP ，為系統單位 間的出熱水所含熱量，W；W為系統總的輸入功率，W。

3.1 單獨制冷模式

圖2 能效比隨循環水流量變化Fig.2 Performance coef fi cients in refrigeration mode

圖3 排氣壓力、回氣壓力隨循環水流量的變化Fig.3 Pressure variation in refrigeration mode

由圖2可知，系統制冷量、熱回收性能系數、制冷性能系數、系統總性能系數COP值都隨著循環水流量的增大呈現出先微升高后降低的趨勢，但總體仍隨著循環水流量的增大而升高，熱回收量越大，系統總性能系數COP值越大，制冷性能系數也隨著熱回收量的增大而增大。隨著熱回收量的提高，冷凝熱逐漸減小，從而減輕風冷式冷凝器的負擔，降低機組輸入功率，從而提高系統機組性能。

表1 排氣壓力與回氣壓力之比與循環水流量的對應關系Tab.1 the ratio of discharge pressure to suction pressure

從圖3可以看出，由于循環水流量3.5～4.5kg/min 回氣壓力相對較高，在循環水流量為4.2kg/min 回氣壓力最高，排氣壓力與回氣壓力之比也最小(如表1)，由于制冷系數與排氣壓力和回氣壓力之比成反比，所以系統的熱回收性能系數、制冷性能系數、系統總性能系數COP在循環水流量3.5～4.5kg/min 呈現出微升后降得趨勢，并在循環水流量4.2kg/min 達到最高COP值5.34，遠高于國家一級能效標準3.2。

3.2 單獨熱水模式

3.2.1 靜態加熱

熱泵空調熱水子系統運行單獨制熱模式靜態加熱，即水箱滿水，無進水和出水，水箱中的水從初始溫度加熱到規定溫度。

圖4 出水溫度隨時間的變化Fig.4 Water temperature variation in water heater mode

如圖4所示，系統運行單獨加熱模式靜態加熱80L水，壓縮機啟動后水溫從19℃連續加熱到55，壓縮機停機。此過程耗 18分鐘左右，溫度隨 間變化呈平穩的一次線性關系，平均加熱速率為2℃/min，實際制熱水能力為266L/h。

由圖5還可以看出，系統從啟動到停止，COP總體保持在5.0以上，壓縮機啟動 ，轉矩較大，耗功多，所以在前2min，COP值較低，隨著壓縮機排氣壓力的升高，排氣溫度也也隨著升高，COP值也隨之升高，運行8min，由于水溫快速上升，COP值高達6.4，在運行10min后，系統與環境換熱趨于平衡，系統COP穩定保持在6.0左右，COP隨 間的變換的整體趨勢是先升高后下降，水溫從19℃加熱到55℃的18min 間里系統的COP為5.78，遠遠高于國家標準要求的 3.4。

圖5 系統COP 隨時間的變化Fig.5 COP variation with time in water heater mode

3.2.2 一次性加熱

啟動系統，同樣運行單獨熱水模式，水箱滿水，保持連續進水，溫度穩定在19℃，通過控制進水流量和調節循環泵的手動調節閥，得到一個合適的出水流量，使得系統在一個恒定的出水溫度連續出水，待系統穩定后，記錄下系統各項性能參數，如下表2所示。

系統保持出水流量為2.65kg/min連續進水，出水保持41.18℃左右，能效比為2.55，與靜態加熱情況相比，在水箱水溫為41.18℃左右 的能效比要低很多。由于連續進出水，需要將19 ℃的進水瞬 的加熱到41.18℃溫度出水，這一過程所消耗的能量高于靜態加熱需要消耗的能量，因此在輸入功率相當的情況下，一次性加熱的能效比更低。

表2 系統在熱水模式下的各性能參數Tab.2 Performance rarameters of the system in water heater mode

3.3 制冷兼熱水模式

表3 系統制冷兼熱水模式下的各性能參數Tab.3 Performance Parameters of the system in Refrigeration and Water Heater Mode

由表3知在保證出水流量2.63kg/min，出水溫度42.14℃的情況下，熱水能效比為2.56、制冷能效比為1.94、系統總能效比為4.5，該模式下由于要保

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4 結論

1)太陽能復合能源空調熱水系統是一種節能高效的空調熱水系統，其制冷性能系數明顯高于傳統系統，總體性能COP值平均4.83，最高可達5.34，而單獨熱水模式下的靜態加熱瞬 能效比高達5.78。

2)系統換熱器制冷劑流路的分路均勻性和系統水循環的流量大小是影響該系統整體性能系數COP的主要因素。

3)通過熱泵空調熱水系統和太陽能系統的有機結合，該系統在全年都能很好的滿足制冷與生活熱水需求。Longjun,Sheng Lili. The Technical Feasibility of Air-Source Heat Pump Heat Recovery Unit[J]. Energy Technology, 2006, 27(6):265-267.)

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