一种新型太阳能辅助高温热泵系统性能分析
发布时间：2022-04-02
摘 要: 为降低压缩机排气温度、优化热泵系统性能，设计了一种利用太阳能集热器加热压缩机排气，利用蒸气显热制取高温热水的新型太阳能辅助热泵系统。结合天津地区的辐射日照条件对新型太阳能辅助热泵系统进行了可行性和热力性能分析，并将其与直膨式太阳能辅助热泵系统的性能进行对比。结果表明: 该系统通过提高蒸发温度，可以降低制冷压缩机排气温度，增大太阳能集热量，提高系统性能; 在蒸发温度为 - 10 ～ 10 ℃工况下，该系统制热性能系数较直膨式太阳能辅助热泵系统提高 3. 8% ～ 5% ，综合性能系数( COP) 则是后者的 1. 9 ～ 2 倍，系统月平均综合 COP 提高 21. 2% ，年耗功减少 7. 7% 。
关 键 词: 高温热泵; 太阳能辅助; 直膨式; 性能分析
引 言
开发利用可再生能源，提高系统效率是解决能源危机和改善环境的重要方式，其中太阳能和热泵是减少化石燃料燃烧和温室气体排放的两种重要手段[1]。蒸气压缩式高温热泵存在压比大、排气温度高、系统能效低等问题。传统太阳能集热系统存在集热时间短、效率低、水垢堵塞、损耗大等问题[2]。太阳能与热泵结合的太阳能辅助热泵( SAHP) 是一种很有前途的技术，可以在利用太阳能的同时回收利用冷凝废热，提升系统的性能。太阳能辅助热泵的概念最早于 20 世纪 50 年代提出，在 20 世纪 70 年代开始被广泛研究[3]，使用太阳能与热泵耦合可以满足家庭生活所需热水、供暖、冷负荷等供应[4]。国内外学者对太阳能辅助热泵系统进行了大量的研究，该系统一般分为直膨式和非直膨式两类[5]。直膨式太阳能辅助热泵系统利用太阳能集热器作为蒸发器，工质在集热器内直膨循环，与传统空气源热泵相比提高了蒸发温度，减少了低温工况下的热损失，降低了系统初始投资，同时避免了水在太阳能集热器内加热时结垢、结冰的情况。太阳能集热器在阴雨天或夜晚等太阳辐射强度弱的时候作为单纯的蒸发器，存 在 效 率 低、热损耗大等问题。蒋 澄 阳 等人[6]通过对太阳能集热器/蒸发器增设肋片应用于直膨式太阳能热泵系统中，提高了系统的集热效率，在小雨天气可达 3. 43。Kim 等人[7]提出了一种同时具有太阳能集热和空气源集热功能的混合太阳能集热器，该集热器在没有太阳辐射的条件下仍可以高效吸热，并通过实验证明该系统可以延长年运行时间，提高效率。非直膨式太阳能辅助热泵系统是太阳能集热器与空气源热泵通过串联、并联和混合连接等方式共同工作，太阳能集热器内以水、空气或者防冻液等作为工质[8]，系统具有单独的蒸发器，可以连续供热，在制热的同时满足制冷的需求，但同时还存在二次换热、效率低下等问题。李亚伦等人[2]通过将相变储能材料与太阳能集热器和热泵相结合，设计了空气式相变蓄能太阳能热泵，可以使得太阳能热泵系统稳定运行，节能效果显著。
基于上述问题，本文设计了一种新型太阳能辅助高温热泵系统，该系统是利用平板太阳能集热器加热压缩机排气，利用过热蒸气显热制取高温热水的新型太阳能辅助高温热泵系统，热泵系统有两种运行模式，可以保证全天候运行。通过结合天津地区的太阳能辐射日照条件对系统进行了可行性讨论，并进行了性能理论分析和全年经济性能分析，最后与直膨式太阳能辅助热泵的性能进行了对比。
1 系统介绍
目前，市场上空气源热泵的工质多为 R22 和R410A，全球变暖潜力值( GWP) 较大。根据基加利修正案，2024 年将冻结高 GWP 制冷剂的生产和使用，因此寻求自然环保的替代工质十分必要[9]。氨作为自然工质具有良好的热力性质，适合作为高温热泵工质。因此，该高温热泵系统采用氨作为热泵工质。
如图 1( a) 所示，当光照充足时采用太阳能辅助高温热泵系统，系统由压缩机、太阳能集热器、冷却器、冷凝器、节流阀 1 和蒸发器组成。在阴雨天气或夜晚太阳辐射强度弱时采用冷凝全热回收热泵系统，系统为传统的蒸气压缩高温热泵，由制冷压缩机、热泵压缩机、中间冷却器、冷凝器、节流阀 2、蒸发器组成。
系统状态点如图 1( b) 所示，压缩机排出的高温高压蒸气( 点 2) 进入太阳能集热器吸热，升温后的过热蒸气( 点 3) 进入冷却器内冷却，利用高品质的蒸气显热制取高温热水，然后进入冷凝器，利用冷凝潜热制取温水，冷凝后的工质( 点 4) 经节流阀 1 后进入蒸发器蒸发制冷，完成太阳能供暖辅助高温热泵循环。冷凝全热回收热泵系统流程为，制冷压缩机排出的高温高压蒸气( 点 2) 进入中间冷却器与冷凝节流后的制冷剂液体( 点 9) 混合，冷却后的饱和蒸气( 点 6) 进入热泵压缩机继续压缩升温升压( 点 7) ，然后在冷凝器内冷凝放热制取高温热水。冷凝后的工质则分为两部分，一部分用于冷却制冷压缩机排气，一部分节流后进入蒸发器蒸发制冷完成循环[10]。
系统根据冷热需求不同可分为 3 种运行模式，表 1 为不同模式下的运行方案。高温热泵系统可分为冷凝全热回收系统和太阳能辅助高温热泵系统。3 种运行模式下系统均采用氨作为工质，通过调整截止阀开闭进行运行模式切换。
2 热力学模型
单级压缩制冷循环模式下热泵不工作，不再进行分析。基于能量和质量守恒定律，对热泵模式下的太阳能辅助热泵系统和冷凝全热回收系统建立热力学模型。为简化计算过程，假设如下: 忽略工质与管道和部件之间的摩擦损失; 蒸发器和冷凝器的出口流体为饱和状态; 蒸气在太阳能集热器内的集热过程存在热损失，用热损失系数来表示; 压缩机的等熵效率为 0. 85; 系统的制冷量 Qc 为 50 kW; 冷凝过程的显热和潜热全部用来加热水。
3 系统性能分析
3. 1 可行性分析
平板太阳能集热器具有耐久性强、采光面积大、集热效率高、结构简单、维护方便等优点。平板太阳能集热器的板内温度一般在 200 ℃ 以下，在晴朗或少云天气，吸热板可达到 120 ℃以上的高温，并可维持 5 ～ 6 h，在中午太阳辐射强时管内温度最高可达到 160 ℃以上[14]。氨单级压缩热泵系统排气温度不高、压力不大，在辐射强度满足要求时，可实现对压缩机排气补偿加热升温。天津地区太阳资源丰富，平均月可利用太阳能日为 22 天，平均辐射强度为 609. 2 W /m2 ，一天中满足加热要求的集热时间可达 5 h，总集热量约为1 020 W /m2[15 - 16]。系统采用平板太阳能集热器加热压缩机的排气，经太阳能集热器补偿升温后得到具有更高过热度的蒸气，与太阳能集热器加热水相比具有制取更高出水温度热水的潜力。在太阳辐射较弱时可以采用冷凝全热回收热泵模式，实现热泵系统的全天候运行，同时实现了对系统高温排气的回收利用，为热泵系统的节能与优化提供新的参考。
3. 2 热力性能分析
蒸发温度、冷凝温度和中间温度的改变都将影响工质的理论质量流量，相应的压缩机耗功、冷却显热、冷凝潜热和综合性能系数等参数都会发生变化。基于热力模型，采用 MATLAB 商业数学软件结合物性软件 REFPROP 9. 0 编写计算程序，对氨工质在各状态点下的物性参数进行计算。通过对比不同工况下的性能计算结果，寻找热泵系统的最佳运行工况。
冷凝全热回收系统中间温度对应太阳能辅助热泵系统的冷凝温度，通过改变该温度对热泵系统进行热 力 性 能 分 析。图 2 所示为蒸发温度分别为- 20，- 25 和 - 30 ℃，冷凝温度为 85 ℃的条件下系统性能系数随中间温度的变化。分析发现，冷凝全热回收系统性能系数随中间温度的升高先增大后减小，随 蒸 发 温 度 的 升 高 增 大。 在 蒸 发 温 度 为- 25 ℃，中间温度为 26 ℃ 时，冷凝全热回收系统 COP 最大值为 3. 06。这是由于中间温度的改变导致热泵压缩机和制冷压缩机的质量流量发生变化，制冷压缩机压比增大，耗 功 逐 渐 增 大，热 泵 压 缩机压比减少，耗功逐渐减少。在中间温度增加的初始阶段，热泵压缩机的耗功减少量大于制冷压缩机耗功增加量，故系统性能系数逐渐增大。随着中间温度的增加，制冷压缩机耗功增加量大于热泵压缩机功耗减少量，因此冷凝全热回收热泵性能系数先增大后减小。太阳能辅助热泵性能系数则随中间温度的升高逐渐降低，这是由于压缩机排气温度随着温度的升高而升高，蒸气在集热器内与周围环境的热损 失 增 大，太阳能集热量减少，系 统 性 能 系 数降低。
如图 3 所示，在冷凝温度为 85 ℃，中间温度为 26 ℃时，冷凝全热回收热泵系统的综合性能系数随蒸发温度的升高而增大，但相对太阳能辅助热泵系统变化较小。蒸发温度越高太阳能辅助热泵的性能系数 增 加 越 迅 速，这是由于随着蒸发温度升高，制冷压缩机压比减小，相应的排气温度降低，耗功减少，太阳能集热量越多，故系统性能系数增大。
如图 4所示，在蒸发温度分别为 - 20，- 25 和- 30 ℃，中间温度为 26 ℃条件下，通过改变冷凝温度发现，冷凝全热回收热泵系统的性能系数随冷凝温度的升高而减小，随蒸发温度的升高而增大。这是由于，冷凝温度升高导致热泵工质质量流量增大，制冷压缩机、热泵压缩机工质质量流量均增大。同时，热泵压缩机压比增大，耗功增大，故性能系数降低。
假定太阳辐射强度为 600 W /m2 ，蒸发温度为- 20 ℃，中间温度为 26 ℃，冷凝温度为 85 ℃ 时太 阳能辅助高温热泵各状态点的性能参数如表 2 所示。通过对比状态点 2 和 3 可以发现，氨单级压缩热泵系统中的压缩机排气通过太阳能集热器加热可以明显提高蒸气温度，利用此部分高温度的显热可以制取更高温度的热水。同时，相对于全天候的冷凝全热回收热泵系统，太阳能辅助热泵系统的压缩机排气温度较低，系统功耗少，系统综合性能系数提高明显。
3. 3 性能对比
由上述分析得出了热泵在不同运行状态下的最佳运行工况。该系统加热方式不同于传统太阳能热泵，采用太阳能集热器直接加热压缩机排气，故与直膨式太阳能辅助热泵系统进行性能对比。假定太阳辐射强度为 600 W /m2 ，冷凝温度取热泵系统最佳中间温度，即 26 ℃，蒸发温度取 - 10 ～ 10 ℃，环境温度设定为 20 ℃。
如图 5 所示，通过改变蒸发温度对比直膨式太阳能辅助热泵和新型太阳能辅助热泵的制热性能。分析发现，随蒸发温度的升高，系统性能系数均增大，新型太阳能辅助热泵的性能系数随蒸发温度的升高提升越来越明显。这是由于随着蒸发温度的升高，压缩机耗功减少，热泵压缩机的排气温度降低，太阳能集热器内的热损失减少，集热量增大，故性能提升更明显。对比蒸发温度为 - 10 ～ 10 ℃ 时热泵系统性能发现，该热泵性能系数较直膨式太阳能热泵约提高 3. 8% ～ 5% ，综合性能系数约提高1. 9 ～ 2 倍。
如图 6 所示，对比蒸发温度对直膨式太阳能辅助热泵和新型太阳能辅助热泵集热量的影响。分析发现，随蒸发温度升高，新型太阳能辅助热泵的集热量逐渐增大，直膨式太阳能辅助热泵的集热量则逐渐减少。这是由于直膨式太阳能辅助热泵工质在太阳能集热器内直接吸热蒸发，集热器入口温度低于环境温度。工质集热量包括太阳能辐射所得能量和与周围环境换热的热量，随着入口温度的升高，与周围环境的换热量减少，集热量则减少。新型太阳能辅助热泵则通过加热压缩机排气，集热器入口温度高于周围环境温度，工质收集的太阳能一部分用于加热压缩机排气，另一部分则作为热损失传递到周围环境中。随着蒸发温度的升高，压缩机排气温度降低，太阳能集热量与环境的热损失相应减少，集热量增加。
本文来源于：《热能动力工程》(双月刊)创刊于1986年，由中国船舶重工集团公司第七0三研究所主办。读者对象：热能动力工程领域中的科研人员、工程技术人员、大专院校的师生。报道内容：报导热能动力工程领域的现状、发展趋势的专题综述论文;报导燃机、汽机、锅炉、传动元部件的试验、研究、设计方面的论文;报导具有实用性的技术交流论文。
通过上述分析发现，太阳能集热量与环境温度、蒸发温度和太阳能辐射强度有关，新型太阳能辅助热泵系统性能优于传统直膨式太阳能辅助热泵。对于直膨式太阳能热泵系统，在太阳辐射强度和环境温度固定的条件下，提高蒸发温度可以提高系统性能系数，但相应的太阳能集热量会减小。新型太阳能辅助热泵通过直接加热压缩机排气，可以提高蒸发温度，降低排气温度，增大集热量，减少系统耗功，提高性能系数。因此，在满足所需供冷温度条件下，适当的提高蒸发温度有利于增大系统的制热量，提高系统的性能。
3. 4 性能分析
热泵系统存在两种运行模式，当辐射强度满足要求时为太阳能辅助热泵模式，此后转为冷凝全热回收热泵模式[11]。取 10: 00 ～ 15: 00 为太阳能辅助热泵的运行时段，根据天津地区气象数据，全年满足气象要求的天气约为 264 天，高温热泵系统制冷量为 50 kW。其中，太阳能辅助热泵热量回收分为显热部分和潜热部分，利用冷却器内的高温显热制取高温热水，在冷凝器内制取温水。假定热泵工质与水之间的夹点温差为 5 ℃，取冷却器的进/出水温度为 30 ℃ /85 ℃，则可制取的高温热水流量为 0. 197 m3 / h; 冷凝器的进/出水温度为 15 ℃ /30 ℃，可制取的温水流量为 3. 069 m3 / h。由于显热部分约占整个冷却冷凝过程的 15% ，故制取的高温热水流量较小。但由于显热部分蒸气温度较高，可以通过提高冷却器进水温度的方式制取更高温度的热水。
取最佳运行工况对热泵系统进行全年运行计算，并与相同条件下全年运行的冷凝全热回收热泵系统进行耗功对比。由表 3 可知，系统的全年月平均运行 COP 明显提高，在太阳能辅助热泵工作时系统日平均耗功明显减少，系统全年总体的节能效果显著。
4 结 论
提出了利用太阳能集热器加热压缩机排气的新型太阳能辅助高温热泵系统，利用太阳能提高排气过热度，利用高温显热制取更高温度的热水。对系统进行了可行性和热力性能分析，并与直膨式太阳能辅助热泵进行性能对比得出结论:
( 1) 新型太阳能辅助高温热泵系统可实现对制冷压缩机排气热能的回收利用，通过提升排气过热度，具备制取更高温度热水的潜力。
( 2) 系统在满足供冷所需温度条件下，适当提高蒸发温度，可降低制冷压缩机的排气温度，提高最佳中间温度，增大太阳能集热量，提高系统的性能系数，蒸发温度每升高 10 ℃，性能系数约提高 20% ，蒸发温度越高，性能系数提升越明显。
( 3) 系统与传统直膨式太阳能辅助热泵相比，性能优势明显。在蒸发温度为 - 10 ～ 10 ℃ 时，随着蒸发温度升高，制热性能系数较直膨式提高3. 8% ～ 5% ，综合性能系数提高 1. 9 ～ 2 倍。
( 4) 系统与冷凝全热回收热泵系统全年运行性能相比，月平均 COP 约提高 21. 2% ，年耗功约减少 7. 7% ，可为太阳能辅助高温热泵的优化提供新的参考。——论文作者：宁静红，刘华阳，王润霞
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