太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)制熱季節(jié)性能系數(shù)的分析

摘 要

摘要：介紹了太陽(yáng)能熱泵(空氣源+水源熱泵)供熱系統(tǒng)的流程。選取單純空氣源熱泵運(yùn)行模式(運(yùn)行模式1)、太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式(運(yùn)行模式2)，在室外溫度-10～7℃范圍內(nèi)，對(duì)兩種運(yùn)行模式制
摘要：介紹了太陽(yáng)能熱泵(空氣源+水源熱泵)供熱系統(tǒng)的流程。選取單純空氣源熱泵運(yùn)行模式(運(yùn)行模式1)、太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式(運(yùn)行模式2)，在室外溫度-10～7℃范圍內(nèi)，對(duì)兩種運(yùn)行模式制熱量、設(shè)備功耗的計(jì)算式進(jìn)行了擬合。計(jì)算比較了兩種運(yùn)行模式下的制熱季節(jié)性能系數(shù)，運(yùn)行模式1、2的制熱季節(jié)性能系數(shù)約為2.56、3.48。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)測(cè)試；制熱季節(jié)性能系數(shù)
Analysis of Heating Season Performance Factor of Solar Heat Pump System
WANG Xiaoxuan，ZHANG Zhigang，OU Liang
Abstract：The technological process of solar heat pump system(air source plus water-source heat pump)is introduced.The air source heat pump operation mode(mode 1)and the solar heat pump operation mode(mode 2)are selected，and the formulae for heating output and equipment power consumption in the two operation modes are fitted in the outdoor temperature range of -10℃to 7℃.The heating season performance factors(HSPFs)in the two operation modes are calculated，and the HSPFs in modes 1 and 2 are about 2.56 and 3.48 respectively.
Key words：solar heat pump system；experimental test；heating season performance factor
   太陽(yáng)能作為一種可再生能源，有著化石燃料所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)各自的缺點(diǎn)[1～6]。太陽(yáng)能源熱泵適用于冬季溫度較低的地區(qū)，在太陽(yáng)輻射條件良好的情況下，可以獲得比室外空氣溫度更高的蒸發(fā)溫度，與傳統(tǒng)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)相比，可以有效減小集熱器面積，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，布置更靈活[7]。本文基于天津地區(qū)氣候特征，對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)制熱季節(jié)性能系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。
1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)
   太陽(yáng)能熱泵包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，冬季制熱工況流程見圖1。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能全玻璃真空管集熱器、蓄熱水箱及輔助熱水循環(huán)泵等組成。熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、水側(cè)蒸發(fā)器、空氣側(cè)蒸發(fā)器、膨脹閥等組成，熱泵既可以利用環(huán)境空氣作為熱源，也可以利用蓄熱水箱中的蓄熱水作為熱源。冬季制熱工況下，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)吸收太陽(yáng)輻射熱量，以熱水的形式儲(chǔ)存在蓄熱水箱中，水側(cè)蒸發(fā)器吸收來(lái)自蓄熱水箱中蓄熱水的熱量，通過(guò)熱泵系統(tǒng)向用戶提供熱量。當(dāng)室外溫度高于5℃時(shí)，空氣側(cè)、水側(cè)蒸發(fā)器同時(shí)工作(閥1、2、3、4打開)。當(dāng)室外溫度低于5℃、蓄熱水溫度高于10℃時(shí)，空氣側(cè)、水側(cè)蒸發(fā)器同時(shí)工作(閥1、2、3、4打開)。當(dāng)室外溫度低于5℃、蓄熱水溫度低于10℃時(shí)，水側(cè)蒸發(fā)器停止工作(閥1、3關(guān)閉，輔助熱水循環(huán)泵停止)，空氣側(cè)蒸發(fā)器工作(閥2、4打開)。出現(xiàn)蓄熱水溫度低于10℃工況的概率較小，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，可開啟蓄熱水箱中的電加熱器，對(duì)蓄熱水箱中的    熱水進(jìn)行輔助加熱。
 

2 測(cè)試目的、參數(shù)和測(cè)量裝置
    測(cè)試的目的是分別得出不同運(yùn)行模式下的制熱季節(jié)性能系數(shù)，制熱季節(jié)性能系數(shù)(Heating Seasonal Performance Factor，HSPF)為在正常的制熱季節(jié)，熱泵機(jī)組在特定地區(qū)的制熱量與總功耗之比，不僅考慮了穩(wěn)態(tài)效率，還考慮了環(huán)境的變化和各種功耗，是一種評(píng)價(jià)熱泵機(jī)組整體性能的指標(biāo)。
    測(cè)試分別采用兩種運(yùn)行模式：?jiǎn)渭兛諝庠礋岜眠\(yùn)行模式(運(yùn)行模式1)、太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式(運(yùn)行模式2)。主要測(cè)試參數(shù)為：運(yùn)行模式1：室內(nèi)外空氣溫濕度、供熱熱水的流量、供熱熱水的供回水溫度、設(shè)備功率。運(yùn)行模式2：室內(nèi)外空氣溫濕度、供熱熱水的流量、輔助熱水的流量、供熱熱水的供回水溫度、輔助熱水的供回水溫度、集熱器的供回水溫度、集熱器水流量、蓄熱水箱中熱水溫度、設(shè)備功率。
    測(cè)量裝置分別為：①數(shù)位溫濕度表CENTER314，用于測(cè)量室內(nèi)外空氣溫濕度，測(cè)量范圍為-20～60℃、0～100%，分度值為0.1℃、0.1%，溫度測(cè)量誤差范圍為±0.7℃，相對(duì)濕度測(cè)量誤差范圍為±2.5%。②刺入式測(cè)溫儀testo915-1，用于測(cè)量供回水溫度及蓄熱水箱中熱水溫度等，分度值為0.1℃。③數(shù)字鉗式萬(wàn)用表UT203/204，用于測(cè)量設(shè)備的功率，頻率響應(yīng)為50～60Hz。
3 制熱量、功耗的擬合公式
    根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別擬合出室外溫度在-10～7℃這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，運(yùn)行模式1、2的制熱量、功耗關(guān)于室外溫度的擬合公式。測(cè)試時(shí)間為2008年11月17日至19日，室內(nèi)溫度設(shè)定為20℃。對(duì)于運(yùn)行模式1，擬合時(shí)沒(méi)有考慮電除霜設(shè)備的功耗，因此擬合得到的功耗偏低。
   ① 運(yùn)行模式1
   運(yùn)行模式1的制熱量Ф1、功耗p1的擬合公式分別為：
    Ф1=66.829exp(-0.04310)    (1)
    P1=29.931exp(-0.07670)    (2)
式中Ф1——運(yùn)行模式1的制熱量，W
    θ——室外溫度，℃
    P1——運(yùn)行模式1的功耗，W
   ② 運(yùn)行模式2
   運(yùn)行模式2的制熱量Ф2、功耗p2的擬合公式分別為：
    Ф2=76.858exp(-0.01520)    (3)
    P2=19.978exp(-0.05640)    (4)
式中Ф2——運(yùn)行模式2的制熱量，W
    P2——運(yùn)行模式2的功耗，W
4 制熱季節(jié)性能系數(shù)的計(jì)算與分析
本文采用負(fù)荷頻率法(BIN法)計(jì)算制熱季節(jié)性能系數(shù)[8]。BIN氣象參數(shù)是根據(jù)某地全年氣象參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出一定間隔溫度段內(nèi)不同室外溫度在全年或某時(shí)期出現(xiàn)的時(shí)間。本文搜集整理了天津地區(qū)典型年的氣象資料，以0.1℃為間隔溫度段統(tǒng)計(jì)出每個(gè)溫度在一個(gè)供暖期出現(xiàn)的時(shí)間，溫度范圍從5℃至整個(gè)供暖期出現(xiàn)的最低溫度(-13.9℃)。為計(jì)算簡(jiǎn)便，在溫度-13.9～-10℃范圍內(nèi)仍采用式(1)～(4)進(jìn)行擬合計(jì)算，基本不影響計(jì)算精度。制熱季節(jié)性能系數(shù)IHSPF的計(jì)算式為：
 
式中IHSPF——制熱季節(jié)性能系數(shù)
    Фi——第i個(gè)室外溫度下的制熱量，W
    ti——第i個(gè)室外溫度出現(xiàn)的時(shí)間，h
    Pi——第i個(gè)室外溫度下的功耗，W
    結(jié)合典型年的溫度統(tǒng)計(jì)，根據(jù)式(1)～(5)，得出運(yùn)行模式1、2的制熱季節(jié)性能系數(shù)分別為2.56、3.48，運(yùn)行模式2的制熱季節(jié)性能系數(shù)較高。由于在公式擬合時(shí)，未考慮運(yùn)行模式1下電除霜設(shè)備的功耗，因此由式(5)計(jì)算得到的運(yùn)行模式1下的制熱季節(jié)性能系數(shù)偏高，因此運(yùn)行模式2的優(yōu)勢(shì)更加突出。
5 結(jié)論
    在未考慮電除霜設(shè)備的功耗下，單純空氣源熱泵運(yùn)行模式下的制熱季節(jié)性能系數(shù)約為2.56。而太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式下的制熱季節(jié)性能系數(shù)約為3.48，因此太陽(yáng)能熱泵比單純的空氣源熱泵具有一定的節(jié)能潛力。
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(本文作者：王曉璇1 張志剛2 歐亮3 1.天津華廈建筑設(shè)計(jì)有限公司 天津 300451；2.天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384；3.天津市津安熱電有限公司 天津 300204)