空氣源熱泵熱水系統運行性能研究

孔琳琳

鄭州輕工業學院

空氣源熱泵熱水系統運行性能研究

孔琳琳

鄭州輕工業學院

在只考慮環境因素和天氣的情況下提出了太陽能熱泵熱水系統調度策略，以提高對太陽能的利用。首先在空氣源熱泵加熱系統動態方程的基礎上，給出了空氣源熱泵制熱量的預測方法，然后從能量的角度給出調度策略的運行步驟，在求得熱泵制熱量的基礎上，對當前熱水所含的熱量與目標熱水所含熱量進行比較，求取熱泵開啟的時間，實現對熱泵的控制。通過在實際工程中的應用比較，證明該節能運行策略能夠推遲熱泵的開啟，進而縮短熱泵的運行時間，太陽能利用率得到了一定的提高。

空氣源熱泵；熱水系統；直熱式；COP

導言

隨著社會經濟的快速發展，傳統能源枯竭和環境污染嚴重的問題日益凸顯，太陽能作為無污染的綠色能源受到了社會的普遍關注。利用太陽能系統產生熱水的技術應運而生并得到了快速的發展。目前太陽能熱泵熱水系統技術相對成熟。在實際的工程應用中，太陽能的熱利用為系統節約了能量，但由于其不穩定特性和目前太陽能熱泵系統的調度策略不完善，還不能有效地推算熱泵的開啟時間。因此，在太陽能熱泵熱水系統中太陽能利用還有很大的開發潛力。本文在已有研究成果的基礎上，考慮太陽輻照度的難預測性和實際工程中對用水的定時定量定溫度的限制條件，從能量的角度，結合實際工程，在光照不足的情況下，給出一種調度策略，以提高系統的太陽能利用率。

1 系統工作原理

本文中系統為并聯式太陽能空氣源熱泵熱水系統，此系統主要包括太陽能子系統和熱泵子系統。太陽能子系統由集熱器、集熱循環泵、管路系統、控制器等組成;熱泵子系統主要由熱泵循環泵、壓縮機、套管式換熱器、膨脹閥及復合蒸發器組成。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，二者之間相對獨立，又能夠實現優勢互補。在光照充足的情況下可以運行太陽能子系統加熱水箱中的水，熱泵系統關閉;在陰雨天氣的情況下，開啟熱泵子系統產生熱量加熱;在光照不足的情況下，需要太陽能子系統和熱泵子系統聯合加熱，彌補因天氣情況由太陽能作為單一熱源無法連續提供熱量的不足。

2 數據分析

57%本次測驗時間為2015年4月21日16：00至22日16：00。測驗期間環境均勻溫度23.27℃、進水均勻溫度24.83℃，敞開4臺空氣源熱泵熱水機組，并選用直熱運行形式，2臺冷水供水泵和1臺熱水供水泵處于運用狀況。其中，熱水體系每日23：30至次日9：30斷電，宿舍用水時間為11：30～13：30和16：30～23：00。熱水體系供電形式和用水規律以及測驗時期室外環境溫度改變曲線。

2.1 溫度參數

水箱及空氣源熱泵熱水機組進出水溫度的改變曲線。能夠看出，實驗測驗時期，空氣源熱泵熱水機組于21日16：40至18：00和22日9：30至15：十發動2次，發動時間分別為80min和340min。在熱泵運行時期，機組處于較為安穩的作業狀況，熱泵機組進出水溫差保持在21.53℃，水箱溫度隨空氣源熱泵機組繼續運行而呈上升趨勢，但是因為熱泵運行前保溫水箱內水量不一樣，致使兩次熱泵運行過程中水箱溫度增加速率有所區別。21日時由于水箱存水量較多、熱容較大，致使熱泵機組出水溫度一向高于水箱溫度，而在22日時，因為水箱中絕大部分熱水已于前一日被耗費殆盡，致使熱泵運行后水箱溫度快速增加，并終究與熱泵出水溫度到達一致。

在熱水提供時期(即11：30～13：30和16：30～23：00)，因為熱水不斷被用戶所運用，水箱內水量逐漸減小，水箱中外部空氣不斷進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，加之熱水管網雜亂、水容量較大等要素，非熱水提供時期管道中熱水冷卻散熱明顯，致使熱水供水泵再次發動剎那間很多管道冷水與水箱熱水混合，導致水箱溫度突變的景象呈現。以22日11：30為例，管道中的高溫熱水經過一晚約十h的冷卻過程后，再次回到水箱時，水箱溫度從47℃驟變至44.3℃，溫降達2.7℃以上。在熱水體系斷電時期(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，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

空氣源熱泵熱水體系中單臺熱泵機組、補水泵以及熱水泵的逐時功率和電量耗費分布狀況。在設備功率上，空氣源熱泵功率最高，約十.68kW，其次為熱水泵，約4.28kW，冷水補水泵最低，約1.49kW。為確保體系最不使用水點的熱水需要，熱水泵選型較大，水泵功率已到達空氣源熱泵機組功率的39.3%。從電量耗費來看，受到運行時間和設備功率等要素的影響，熱泵機組、熱水泵和冷水補水泵的電量耗費順次為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 結語

本文中分析了太陽能熱泵熱水系統的運行原理和目前太陽能熱泵熱水工程中存在的問題，提出了節能控制策略的方案。解決了傳統控制策略的弊端。在用戶的用水時間、用水溫度、用水量確定的情況下，系統可以推算熱泵啟停的時間。通過在實際工程中的應用，發現該調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間和減少空氣源熱泵的運行時間，提高系統的太陽能利用率，有效提高了系統的節能效果。此調度策略對太陽能熱泵熱水系統的優化和發展具有一定的意義。

[1]卜萃文.重慶地區學生公寓空氣源熱泵熱水系統的優化運行研究.重慶大學，2014(1)：23.

[2]黃虎，李奇賀，袁冬雪.空氣源熱泵熱水機組變工況運行的實驗研究.建筑科學，2015.12，23(12)：68-71.