太陽能空氣源熱泵聯合運行測試與分析

摘 要：【目的】為了研究太陽能空氣源熱泵相結合的采暖系統實際運行狀況，對實際運行的太陽能空氣源熱泵聯合運行系統進行了測試。【方法】對呼和浩特市使用太陽能空氣源熱泵系統的2座加油站進行現場測試數據采集和分析，測試數據包括在不同的環境下的耗電量、供熱量、溫度等。【結果】根據實際的測量結果可知，當環境溫度相差不大時，不同年份對應月份的耗電量也相差不大；當環境溫度為-20℃時，系統性能系數COP依然能達到2.4以上。隨著環境溫度的升高，性能系數COP逐漸增大。當環境溫度為5℃時，系統性能系數COP達4.0以上。【結論】太陽能輔助加熱有助于提高熱泵系統整體性能，是一種適合低溫環境下運行的空氣源熱泵采暖系統。

關鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；聯合運行；性能檢測

中圖分類號：TK11 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0021-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.005

Joint Operation Test and Analysis of Solar Air Source Heat Pumps

GUO Xulong ZOU Tonghua WEI Chaopeng WANG Xixi

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract：[Purposes] In order to study the actual operation of the heating system combined with solar air source heat pump， the actual operation of the solar air source heat pump combined operation system was tested. [Methods] Field test data collection and analysis were carried out on two gas stations in Hohhot using solar air source heat pump systems， including data on power consumption， heat supply， temperature and other data at different ambient temperatures. [Findings] According to the actual measurement results， when the ambient temperature is not much different， the power consumption of the corresponding months in different years is not much different， and the system COP can still reach more than 2.4 when the ambient temperature is -20°C， and the coefficient of performance COP gradually increases with the increase of ambient temperature， and the system COP reaches more than 4.0 when the ambient temperature is 5°C. [Conclusions] Solar-assisted heating helps to improve the overall performance of the heat pump system， and is an air source heat pump heating system suitable for operation in low temperature environments.

Keywords：solar energy; air source heat pump; combined operation; performance testing

0 引言

當前，化石能源尤其是煤炭依然在我國的能源使用中占主導地位。但在國家“雙碳”政策背景下，煤炭開采對生態環境的污染已經成為大眾關注的焦點［1］。2017年《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021年）》政策落地實施，我國持續推進北方地區冬季清潔供暖。為實現“雙碳”目標，清潔供暖已成為必然趨勢［2-3］。目前，空氣源熱泵技術已經趨于成熟并被廣泛應用于供暖領域，但在北方寒冷的條件下，空氣源熱泵仍難達到理想的效果。太陽能作為一次能源，總量豐富、不會枯竭、清潔無污染，但是卻不穩定，易受天氣影響［4-5］。如果將太陽能與空氣源熱泵相結合，就可以提高熱泵制熱性能，擴大空氣源熱泵適應范圍［6］。

1 系統原理和工作過程

太陽能空氣源熱泵系統原理如圖1所示。

太陽能空氣源熱泵采暖系統的工作過程如下。

第一步：太陽能集熱器吸收太陽光，將太陽光轉化為大量熱能，并通過其內置的高效蓄能芯貯存下來。

第二步：冷空氣在風機驅動下流經太陽能集熱器，即被加熱成熱空氣，再經高效熱泵主機轉化后，產生大量熱能，加熱供暖循環介質。

第三步：供暖介質在循環泵的作用下，循環至室內各個散熱末端，進而對房間進行供熱。

2 測試方法

系統的運行模式調節完成后，在2021年10月份到2022年3月份和2022年10月份到2023年3月份進行測試。采暖過程中一直打開測量設備，在幾個月時間內不間斷對用電量、功率、供水溫度、回水溫度、環境溫度、瞬間熱量、累計熱量進行測量，將實時測量的數據進行儲存和無線傳輸，并對全年所得到的數據進行分析。

3 測試結果分析

以實際工程項目為依托，分別對2022年呼和浩特市2座加油站太陽能熱泵運行各參數進行實際測試，對實際運行數據進行分析。呼和浩特市的冬季室外空氣計算參數如下：供暖室外計算溫度為-17.0 ℃；冬季室外最多風向的平均風速為4.2 m/s；平均溫度≤+5 ℃期間內的平均溫度為-5.3 ℃；極端最低氣溫為-30.5 ℃。呼和浩特市屬典型的蒙古高原溫帶大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年溫差大，日溫差也大。

3.1 1號加油站測試數據分析

機組用電量和功率測試結果如圖2所示；散熱器進水溫度、出水溫度、累計熱量如圖3所示；房間供水溫度、回水溫度、環境溫度測試結果如圖4所示。

由圖2可知，12月份至次年2月份的熱泵耗功較大，用電量也相應增加。從10月至次年3月的用電量分別為1 569 kW·h、3 024 kW·h、3 024 kW·h、4 890 kW·h、4 501 kW·h、3 052 kW·h。在次年1、2月份用電量較高。

由圖3計算可知，從10月至次年3月的供熱量分別為4 087 kW·h、7 315 kW·h、9 708 kW·h、11 906 kW·h、11 706 kW·h、4 105 kW·h。在次年1月份和2月份的供熱量明顯高于其他月份。這是因為次年1、2月份的溫度普遍低于其他月份，所以在這兩個月份的供熱量高于其他月份。

對三個典型房間溫度進行了測試，各房間內溫度測試結果如圖5所示。房間1在10、11、12、次年1、2、33eZrnbrFsbgg016tFc7SPRLCCkN8ouHKd1orA+zLax8=月份平均溫度分別是17.5℃、17.6℃、15.6℃、16.1℃、13.1℃、17℃。房間2的平均溫度分別是19.9℃、21.9℃、20.5℃、21℃、19.3℃、22.3℃。房間3的平均溫度分別是21.2℃、21.2℃、20.1℃、20℃、18.8℃、21.7℃。三個房間的溫度基本維持在20℃左右。

3.2 2號加油站測試數據分析

機組用電量和功率測試結果如圖6所示；散熱器進水溫度、出水溫度、累計熱量如圖7所示；房間供水溫度、回水溫度、環境溫度測試結果如圖8所示。

由圖6可知，從10月份至次年4月的用電量分別為2 390 kW·h、4 060 kW·h、7 378 kW·h、7 807 kW·h、7 109 kW·h、4 760 kW·h、2 215 kW·h。在12月、次年1、2月份用電量較高，在10月、11月、次年3、4月份的用電量較低。

由圖7計算可知，從11月至次年4月的供熱量分別為8 056 kW·h、14 557 kW·h、14 831 kW·h、13 376 kW·h、104 984 kW·h、6 438 kW·h。在12、次年1、2月份供熱量明顯高于其他月份。

對三個典型房間進行了測試，各房間內溫度測試結果如圖9所示。房間1在10、11、12、次年1、2、3、4月的平均溫度分別為16.9℃、11.9℃、18.1℃、18.4℃、17.6℃、20℃、22.2℃。房間2的平均溫度分別是18℃、14.2℃、19.8℃、21.6℃、21℃、24.3℃、25.8℃。房間3的平均溫度分別是23.3℃、26.8℃、27.4℃、29℃、29.6℃、31.9℃、29.5℃。房間3的溫度高于房間2和房間1的溫度，房間1的溫度相對來說最低。

4 對比分析

為進一步分析不同年份太陽能空氣源熱泵性能，對1號加油站2021年度和2022年度10月和11月試驗運行情況進行對比分析，以驗證太陽能空氣源熱泵系統運行的可靠性和穩定性。

4.1 環境溫度對比分析

對2021年度和2022年度10、11月兩個月份的環境溫度對比如圖10所示。由圖10可知，這兩個年度10、11月的環境溫度相差不大，溫度維持在-15 ℃～15 ℃之間；這兩個年度的室外平均溫度沒有太大的變化，為后續的同期性能參數對比奠定了基礎。

4.2 用電量對比分析

對2021年度和2022年度10、11月兩個月份的用電量對比如圖11所示。由圖11可知，在21年10、11月份的環境溫度與22年10、11月份環境溫度相差不大的情況下，兩個年度對應月份用電量相差不大。2021年10月和11月用電量分別為1 569 kW·h和3 024 kW·h，2022年10月和11月份用電量分別為1 743 kW·h和2 892 kW·h。

4.3 能效對比分析

以2021年和2022年兩個年度中某天的環境溫度在-20℃～5℃時的耗功和熱量數據為依據，計算太陽能熱泵采暖系統性能系數COP如圖12所示。由圖12可知，兩者相差不大，當環境溫度為-20℃時，系統COP依然能達到2.4以上。隨著環境溫度的升高，性能系數COP逐漸增大。當環境溫度在5℃時，系統COP達4.0以上。說明了太陽能輔助加熱有助于提高系統整體性能。

5 結論

本研究對實際運行中的2個加油站太陽能空氣源熱泵采暖系統進行了數據采集和分析，得到以下結論。

①同一地區加油站的太陽能空氣源熱泵運行效果相同，系統運行可靠、性能穩定。

②當環境溫度相差不大時，不同年份所對應月份的耗電量也相差不大。

③系統COP隨環境溫度升高而升高，太陽能輔助加熱有助于提高熱泵系統整體性能。

參考文獻：

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［2］吳浩. 北方清潔供暖之路怎么走［N］. 經濟日報.2023-01-19.

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