太阳能热泵系统制热季节性能系数的分析_工程实践

摘要

摘要：介绍了太阳能热泵(空气源+水源热泵)供热系统的流程。选取单纯空气源热泵运行模式(运行模式1)、太阳能热泵运行模式(运行模式2)，在室外温度-10～7℃范围内，对两种运行模式制

摘要：介绍了太阳能热泵(空气源+水源热泵)供热系统的流程。选取单纯空气源热泵运行模式(运行模式1)、太阳能热泵运行模式(运行模式2)，在室外温度-10～7℃范围内，对两种运行模式制热量、设备功耗的计算式进行了拟合。计算比较了两种运行模式下的制热季节性能系数，运行模式1、2的制热季节性能系数约为2.56、3.48。

关键词：太阳能热泵系统；实验测试；制热季节性能系数

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

太阳能作为一种可再生能源，有着化石燃料所不能比拟的优势。热泵技术与太阳能热利用技术的有机结合，弥补了传统太阳能系统和热泵系统各自的缺点^[1～6]。太阳能源热泵适用于冬季温度较低的地区，在太阳辐射条件良好的情况下，可以获得比室外空气温度更高的蒸发温度，与传统太阳能供热系统相比，可以有效减小集热器面积，使得系统结构更紧凑，布置更灵活^[7]。本文基于天津地区气候特征，对太阳能热泵系统制热季节性能系数进行分析计算。

1 太阳能热泵系统

太阳能热泵包括太阳能集热系统和热泵系统，冬季制热工况流程见图1。太阳能集热系统由太阳能全玻璃真空管集热器、蓄热水箱及辅助热水循环泵等组成。热泵系统主要由压缩机、水侧蒸发器、空气侧蒸发器、膨胀阀等组成，热泵既可以利用环境空气作为热源，也可以利用蓄热水箱中的蓄热水作为热源。冬季制热工况下，太阳能集热系统吸收太阳辐射热量，以热水的形式储存在蓄热水箱中，水侧蒸发器吸收来自蓄热水箱中蓄热水的热量，通过热泵系统向用户提供热量。当室外温度高于5℃时，空气侧、水侧蒸发器同时工作(阀1、2、3、4打开)。当室外温度低于5℃、蓄热水温度高于10℃时，空气侧、水侧蒸发器同时工作(阀1、2、3、4打开)。当室外温度低于5℃、蓄热水温度低于10℃时，水侧蒸发器停止工作(阀1、3关闭，辅助热水循环泵停止)，空气侧蒸发器工作(阀2、4打开)。出现蓄热水温度低于10℃工况的概率较小，当出现这种情况时，可开启蓄热水箱中的电加热器，对蓄热水箱中的热水进行辅助加热。

2 测试目的、参数和测量装置

测试的目的是分别得出不同运行模式下的制热季节性能系数，制热季节性能系数(Heating Seasonal Performance Factor，HSPF)为在正常的制热季节，热泵机组在特定地区的制热量与总功耗之比，不仅考虑了稳态效率，还考虑了环境的变化和各种功耗，是一种评价热泵机组整体性能的指标。

测试分别采用两种运行模式：单纯空气源热泵运行模式(运行模式1)、太阳能热泵运行模式(运行模式2)。主要测试参数为：运行模式1：室内外空气温湿度、供热热水的流量、供热热水的供回水温度、设备功率。运行模式2：室内外空气温湿度、供热热水的流量、辅助热水的流量、供热热水的供回水温度、辅助热水的供回水温度、集热器的供回水温度、集热器水流量、蓄热水箱中热水温度、设备功率。

测量装置分别为：①数位温湿度表CENTER314，用于测量室内外空气温湿度，测量范围为-20～60℃、0～100%，分度值为0.1℃、0.1%，温度测量误差范围为±0.7℃，相对湿度测量误差范围为±2.5%。②刺入式测温仪testo915-1，用于测量供回水温度及蓄热水箱中热水温度等，分度值为0.1℃。③数字钳式万用表UT203/204，用于测量设备的功率，频率响应为50～60Hz。

3 制热量、功耗的拟合公式

根据实测数据，分别拟合出室外温度在-10～7℃这个温度区间内，运行模式1、2的制热量、功耗关于室外温度的拟合公式。测试时间为2008年11月17日至19日，室内温度设定为20℃。对于运行模式1，拟合时没有考虑电除霜设备的功耗，因此拟合得到的功耗偏低。

① 运行模式1

运行模式1的制热量Ф₁、功耗p₁的拟合公式分别为：

Ф₁=66.829exp(-0.04310) (1)

P₁=29.931exp(-0.07670) (2)

式中Ф₁——运行模式1的制热量，W

θ——室外温度，℃

P₁——运行模式1的功耗，W

② 运行模式2

运行模式2的制热量Ф₂、功耗p₂的拟合公式分别为：

Ф₂=76.858exp(-0.01520) (3)

P₂=19.978exp(-0.05640) (4)

式中Ф₂——运行模式2的制热量，W

P₂——运行模式2的功耗，W

4 制热季节性能系数的计算与分析

本文采用负荷频率法(BIN法)计算制热季节性能系数^[8]。BIN气象参数是根据某地全年气象参数，统计出一定间隔温度段内不同室外温度在全年或某时期出现的时间。本文搜集整理了天津地区典型年的气象资料，以0.1℃为间隔温度段统计出每个温度在一个供暖期出现的时间，温度范围从5℃至整个供暖期出现的最低温度(-13.9℃)。为计算简便，在温度-13.9～-10℃范围内仍采用式(1)～(4)进行拟合计算，基本不影响计算精度。制热季节性能系数I_HSPF的计算式为：

式中I_HSPF——制热季节性能系数

Ф_i——第i个室外温度下的制热量，W

t_i——第i个室外温度出现的时间，h

P_i——第i个室外温度下的功耗，W

结合典型年的温度统计，根据式(1)～(5)，得出运行模式1、2的制热季节性能系数分别为2.56、3.48，运行模式2的制热季节性能系数较高。由于在公式拟合时，未考虑运行模式1下电除霜设备的功耗，因此由式(5)计算得到的运行模式1下的制热季节性能系数偏高，因此运行模式2的优势更加突出。

5 结论

在未考虑电除霜设备的功耗下，单纯空气源热泵运行模式下的制热季节性能系数约为2.56。而太阳能热泵运行模式下的制热季节性能系数约为3.48，因此太阳能热泵比单纯的空气源热泵具有一定的节能潜力。

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[8] 姜益强.空气源热泵冷热水机组供热最佳平衡点的研究(硕士学位论文)[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1999：10-20.

(本文作者：王晓璇¹ 张志刚² 欧亮³ 1.天津华厦建筑设计有限公司天津 300451；2.天津城市建设学院天津 300384；3.天津市津安热电有限公司天津 300204)