太陽能高溫熱泵系統在桂林地區應用模擬研究

吳國珊 陳洪杰 蘇文博

桂林航天工業學院能源與建筑環境學院

0 引言

空氣源高溫熱泵系統在冬季環境溫度較低時其制熱性能下降，在一定程度上制約了該技術的推廣應用。本文把太陽能輔助集熱系統作為空氣源高溫熱泵循環的熱源，編制計算機程序計算了廣西北部某地最低太陽日輻射強度月份12月的太陽能集熱系統的熱水溫度，推算了太陽能高溫熱泵系統的蒸發溫度，進而推算得到了該月份每天系統的運行性能。

1 系統原理

本系統由空氣源補氣增焓高溫熱泵循環和太陽能集熱系統組成（圖1）。

圖1 太陽能熱泵系統原理圖

補氣增焓高溫熱泵系統，從壓縮機出來的高溫高壓氣體進入冷凝器，經冷凝器冷卻冷凝為液體，液態制冷劑出冷凝器分為主輔兩路，輔路制冷劑經過膨脹閥1節流后壓力從冷凝壓力降到中間壓力成為氣液混合物，在經濟器中吸取主路制冷劑的熱量使其過冷，而輔路制冷劑變為過熱氣體進入壓縮機的補氣口。被過冷的主路制冷劑再經過膨脹閥2節流后進入蒸發器。蒸發吸熱后主路制冷劑變成過熱氣體進入壓縮機吸氣口，經過壓縮后與從補氣口進入的輔路制冷劑混合，再經過壓縮機的壓縮，完成補氣增焓壓縮循環。

太陽能集熱系統將太陽能熱能儲存在水中，水泵把水送至輔助換熱器。當系統的蒸發溫度較高，運行性能較好時熱泵系統通過蒸發器吸收空氣中低品位能，提供烘干需要的熱量，此時，輔助換熱器和太陽能系統通常可以不啟動。當系統的蒸發溫度較低，系統的性能下降時，關閉電磁閥2，打開電磁閥1，輔助換熱器成為蒸發器，水泵把吸收了太陽能熱量的水送入輔助換熱器，使循環的蒸發溫度和蒸發壓力提高。

2 模擬計算

2.1 模型假設

模型建立所做假設包括：1）水在集熱器中被加熱過程，定壓比熱可看做恒定。2）輔助換熱器中水的熱量完全被工質吸收。3）輔助換熱器中水和制冷劑的傳熱溫差為8℃。4）系統渦旋壓縮機容積排氣量為3.91 m3/hr。5）圖2中點2、3的壓力認為和點8的壓力相等。

圖2 系統循環壓焓圖

2.2 太陽能集熱器

根據廣西桂林冬季日平均太陽輻射強度的變化情況，12月的日均太陽能輻射強度為最小，如圖3所示為測量得到數據。本文以該月為例計算太陽能采集系統熱水溫度的變化。則太陽能集熱系統的日均集熱量可由下式計算：

式中：Q為集熱量，W；Ac為直接系統集熱器總面積，m2；JT為當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，kJ/m2；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器產品的實際測試結果而定；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，根據經驗取值宜為0.20～0.30。

圖3 太陽輻射最低月日平均太陽能輻射強度

設定太陽能集熱器的集熱時間為9:00到17:00，每天共8 h，則水在集熱器中的溫升可表述為

式中：Gm為太陽能熱源系統的水流量；Cw為水的比熱。

2.3 輔助換熱器

從集熱器過來的熱水的熱量在輔助換熱器中被熱泵循環的工質完全吸收，則集熱器中的水流量為

2.4 熱泵循環

蒸發器的制冷量可為

不考慮蒸發器的有害過熱。

1）壓縮過程耗功

前半段理論功率

后半段理論功率

2）指示功率

3）電功率

式中：g1、g2分別為蒸發器回路、中間補氣回路的工質質量流量；h表示圖1中循環壓焓圖各點的焓值；ηi1、ηi2分別表示壓縮前半段、后半段的指示效率。

中間補氣壓縮過程電效率采用下式[1]

從蒸發器回氣質量流量：

式中：Vs表示壓縮機的實際輸氣量；v1表示壓縮機在狀態點1的吸氣比容。

經濟器的熱平衡關系式：

補氣和一次壓縮排氣混合的熱平衡關系式

制熱量

制熱性能系數

2.5 模擬計算

根據上述分析，在考慮太陽能輔助的情況下，對系統進行理論循環模擬計算。編制Matlab程序，調用REFPROP的熱物性程序，以R134a為工質在冷凝溫度為70℃的情況下進行變蒸發溫度的循環模擬計算，計算的流程圖如圖3所示。

圖3 系統循環模擬計算流程圖

3 數據分析

從圖4可以看到，在該地區最低太陽輻射強度的12月太陽能集熱系統水溫在吸收了太陽輻射的熱量后，溫度得到了較顯著提高，比地表水溫平均提高了5.1℃，最高提高了6.0℃。系統的蒸發溫度隨之得到提高，最高為11.3℃，最低為6.4℃，該月平均蒸發溫度為8.8℃，比無太陽能輔助熱源時系統的平均蒸發溫度-5.3℃提高了14.1℃。從系統蒸發溫度的變化看來，蒸發溫度與太陽能集熱系統水溫走勢一致，受當地氣溫和太陽輻射的共同影響，由于地表水溫的變化滯后于當地氣溫的變化，太陽輻射對集熱系統的水溫的影響更大些。

從圖5看來，系統的制熱COP月平均2.69，最低為2.58，最高2.82，比無太陽能輔助熱源時的COP平均值2.08提高了22.7%，這表明在太陽能集熱系統輔助時，熱泵烘干系統的月平均COP得到較顯著的提高。系統的制熱量月平均值為4.15 kW，最低為4.04 kW，最高為4.26 kW，比無太陽能輔助熱源時的制熱量平均值3.43提高了15%。在太陽能集熱系統輔助時，系統的制熱量也得到較顯著的提高。電功率月平均值為1.54 kW，最低為1.51 kW，最高為1.58 kW，比無太陽能輔助熱源時的電功率平均值1.65減低了7.1%。從圖6可以看出，排氣溫度月平均值為93.9℃，比無太陽能輔助熱源時的平均值95.6℃降低了1.7℃。從該月的變化情況看來，系統的制熱COP，制熱量與太陽集熱系統水溫保持一致變化趨勢，而電功率的變化隨著集熱水溫有變化，但上升和下降不明顯。

圖4 太陽輻射最低月計算得到各溫度變化圖

圖5 廣西某地12月系統制熱COP、電功率、制熱量變化圖

圖6 廣西某地12月系統排氣溫度變化圖

4 結論

太陽能集熱系統作為熱源對提高空氣源高溫熱泵烘干系統的蒸發溫度具有較明顯的作用。根據廣西桂林的實測氣象數據進行的計算表明，冬季最低太陽能輻射強度月系統平均蒸發溫度為8.8℃，比無太陽能熱源時系統的平均蒸發溫度-5.3℃提高了14.1℃。

采用太陽能集熱系統熱源時，系統的制熱量和制熱COP得到較顯著的提高。系統在最低太陽輻射月平均制熱量比無太陽能熱源時提高了15%，比無太陽能熱源時的COP平均值2.08提高了22.7%，而電功率的變化不明顯。

由于太陽能輻射熱流密度小，太陽能集熱及儲存投資費用比較大，作為低溫熱源時究竟是作為主要熱源還是作為輔助熱源，還有待進一步探討其經濟性。