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一、引言

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，在一次能源、二次能源日趨緊張的今天，太陽(yáng)能等可再生能源的利用是緩解能源壓力的重要手段[1-5]。其中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)因其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，但是常規(guī)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)加熱周期長(zhǎng)，無(wú)法全天候提供熱水，在冬季和陰雨天氣下需要輔助熱源進(jìn)行加熱，依然需要消耗較多的高品位能源。合理、高效、經(jīng)濟(jì)地利用太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能熱利用效率、熱量品位和穩(wěn)定性，節(jié)能、健康、舒適已經(jīng)成為新一代太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的主題。其中太陽(yáng)能熱泵熱水器是近年來(lái)比較新穎的利用方式[6,7]。將太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)將熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器制作成太陽(yáng)能集熱板形式，放置在室外同時(shí)吸收太陽(yáng)能熱量和空氣中的熱量。太陽(yáng)能屬于間歇性能源[8]，有太陽(yáng)輻照時(shí)，制冷劑能夠吸收太陽(yáng)能的熱量；當(dāng)無(wú)太陽(yáng)輻照時(shí)，系統(tǒng)也能吸收空氣中的熱量；克服了太陽(yáng)能低密度、不穩(wěn)定的缺陷。由于太陽(yáng)能技術(shù)和熱泵技術(shù)都是較為節(jié)能的技術(shù)，因此太陽(yáng)能熱泵熱水器是一種非常環(huán)保節(jié)能的熱水器產(chǎn)品。

然而，熱泵系統(tǒng)在低溫下工作效率較低；且溫度越低，效率越差；在極端低溫下甚至不能工作[9]。太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)雖然能夠通過(guò)吸收太陽(yáng)能熱量改善熱泵系統(tǒng)的性能，但是在低溫下的提升效果還有待進(jìn)一步研究。因此，本文從太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的低溫性能入手，分析整個(gè)系統(tǒng)在低溫不同工況下的COP和制熱水能力，探究系統(tǒng)低溫下不同化霜方式對(duì)系統(tǒng)性能及安全運(yùn)行的影響。

二、原理簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能熱泵熱水器是在原有熱泵熱水器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將集成在熱水器內(nèi)部的翅片式蒸發(fā)器制作成太陽(yáng)能集熱板形式并將其安裝在室外，吸收太陽(yáng)輻射熱和空氣中的熱量。圖1是太陽(yáng)能熱泵熱水器的運(yùn)行原理圖，整體上基本原理與熱泵熱水器一致——均為蒸汽壓縮式制冷[10]。從蒸發(fā)器流出的低溫低壓氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，然后進(jìn)入內(nèi)膽外壁的冷凝器放熱變?yōu)橹袦馗邏阂后w，經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流膨脹后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，最后進(jìn)入集熱蒸發(fā)器吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，完成整個(gè)制冷劑工質(zhì)循環(huán)。

圖1 太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行原理圖

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理的不同點(diǎn)在于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱方式和電子膨脹閥的程序控制。蒸發(fā)器集熱板由太陽(yáng)能集熱板和銅管結(jié)合而成，以合適的傾斜角度安裝在室外。制冷劑在流經(jīng)集熱蒸發(fā)器時(shí)不僅會(huì)從空氣中吸收熱量，而且能夠接受太陽(yáng)輻照，以增強(qiáng)蒸發(fā)器的吸熱量。然而，太陽(yáng)能屬于間歇性能源，太陽(yáng)輻照隨著時(shí)間、天氣的不同隨時(shí)變化，在晴天、多云天氣、白天的時(shí)間較高；在陰雨天、夜間太陽(yáng)輻照幾乎為0，這就導(dǎo)致不同時(shí)刻流過(guò)集熱蒸發(fā)器的制冷劑所吸收的熱量差異很大，從而引起蒸發(fā)器的出口溫度劇烈變化，容易造成壓縮機(jī)液擊，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，需要通過(guò)電子膨脹閥實(shí)時(shí)調(diào)整流量以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三、結(jié)果和討論

眾所周知，熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度較低時(shí)工作效率較低，而且溫度越低制熱效果越差，因此研究太陽(yáng)能熱泵低溫下的性能具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)此，我們?cè)谇鄭u地區(qū)冬季時(shí)節(jié)（2018年1月21日～2018年2月4日）對(duì)太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行低溫測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的制熱水能力、節(jié)能效果以及運(yùn)行安全性，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

3.1 太陽(yáng)輻照對(duì)系統(tǒng)性能的影響

太陽(yáng)能熱泵熱水器工作時(shí)，同時(shí)吸收環(huán)境中空氣的熱量以及太陽(yáng)輻射熱。從空氣中吸收的熱量較為穩(wěn)定，但是太陽(yáng)輻照卻十分復(fù)雜，具有瞬時(shí)性、多變性，因此探究太陽(yáng)輻照的強(qiáng)弱對(duì)于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的COP、制熱水能力具有十分重要的意義。

在表1的所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，所有測(cè)試過(guò)程均不開啟電加熱，只吸收太陽(yáng)輻射熱和空氣熱量，用于分析太陽(yáng)輻照對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響。圖2展示了太陽(yáng)輻照與COP、制熱水能力的關(guān)系，可以看出COP和制熱水能力隨著太陽(yáng)輻照的增強(qiáng)大致呈現(xiàn)出線性關(guān)系，太陽(yáng)輻照越強(qiáng)，系統(tǒng)的COP和制熱水能力越大。這是因?yàn)檩^低的環(huán)境溫度下，熱泵系統(tǒng)的得熱量較低，太陽(yáng)輻照的介入能夠提升熱泵系統(tǒng)的性能。環(huán)溫較低時(shí)，制冷劑蒸發(fā)溫度更低，氣體密度小，而且電子膨脹閥開度減小，這兩者均會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)質(zhì)量流量下降，造成冷凝器散熱減少，極端低溫下，甚至?xí)斐蓧嚎s機(jī)空轉(zhuǎn)（質(zhì)量流量為0），整個(gè)熱泵系統(tǒng)不工作；而當(dāng)集熱蒸發(fā)器接受太陽(yáng)輻照時(shí)，較冷的制冷劑在其中流過(guò)被二次加熱，能夠得到熱量補(bǔ)償，從而可以使電子膨脹閥開度增加，壓縮機(jī)的質(zhì)量流量增加，冷凝器散熱增加。提升了系統(tǒng)的COP和制熱水能力。

圖2 太陽(yáng)輻照與COP、制熱水能力的關(guān)系

而隨著太陽(yáng)輻射的增加，制冷劑在流過(guò)集熱蒸發(fā)器時(shí)得到的熱補(bǔ)償也越大，熱泵系統(tǒng)的工作效率越高。這樣由于太陽(yáng)能的利用向下擴(kuò)大了熱泵熱水器的最低使用溫度范圍，具有更好的環(huán)境適用性。但是，從另一方面考慮，只有在晴天或者多云天氣時(shí)，太陽(yáng)輻照較高；陰雨天、晚上太陽(yáng)輻照非常微弱，這就要求熱泵系統(tǒng)本身要具有良好的低溫運(yùn)行性能，才能保證全天系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 化霜對(duì)系統(tǒng)性能的影響

太陽(yáng)能熱泵熱水器的集熱蒸發(fā)器安裝在室外，由于冬季環(huán)境溫度較低，集熱蒸發(fā)器上凝結(jié)的水滴很容易結(jié)霜，霜層的存在會(huì)阻擋太陽(yáng)光直射蒸發(fā)器集熱板，從而造成COP和制熱水能力的下降。因此，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)也需要定期進(jìn)行除霜。

現(xiàn)有的除霜方式中，有兩種方式可供選擇，分別是壓縮機(jī)停機(jī)自然化霜和四通閥換向強(qiáng)制化霜。這兩種化霜方式各有優(yōu)劣之處，為確定選用何種化霜方式，我們進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。表2展示了不同天氣、不同溫度條件下，自然化霜和強(qiáng)制化霜對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)COP和制熱水能力的影響。

從表2可以看出，在外界條件相同的情況下，自然化霜方式能夠獲得更高的COP和制熱水能力。自然化霜時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)，蒸發(fā)器溫度緩慢上升，表面結(jié)霜慢慢融化經(jīng)接水盤流走，此種化霜方式不耗能，化霜效果尚可，但化霜時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；強(qiáng)制化霜時(shí)，壓縮機(jī)不停機(jī)、四通閥換向、蒸發(fā)器變?yōu)槔淠鬟M(jìn)行化霜，此種化霜方式化霜效果良好，但卻存在諸多不利因素。

首先，強(qiáng)制化霜過(guò)程中壓縮機(jī)工作耗能較大；其次，熱水器內(nèi)部的冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器，將會(huì)從已加熱的熱水中吸熱，降低系統(tǒng)的制熱水能力，因而化霜時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)；再者，由于化霜時(shí)間過(guò)短，集熱蒸發(fā)器上的化霜水還未完全排除干凈，便被冷卻在蒸發(fā)器表面結(jié)冰，冰面會(huì)反射太陽(yáng)輻射并且冰的導(dǎo)熱系數(shù)很低，因此也會(huì)降低系統(tǒng)COP和制熱水能力；最后，四通閥換向的過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致吸氣帶液造成壓縮機(jī)液擊，造成壓縮機(jī)損壞。圖3展示了2月7日測(cè)試強(qiáng)制化霜過(guò)程前后的功率曲線，可以發(fā)現(xiàn)在某些時(shí)刻由于吸氣帶液，造成壓機(jī)負(fù)荷增加，瞬間功率增加，若采用強(qiáng)制化霜方式，必須對(duì)電子膨脹閥的控制程序進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 強(qiáng)制化霜過(guò)程后功率隨時(shí)間的變化

綜上所述，雖然自然化霜效果較強(qiáng)制化霜差，但是化霜過(guò)程不耗能，系統(tǒng)運(yùn)行安全，集熱蒸發(fā)器表面不會(huì)結(jié)冰，能保證較高的COP和制熱水能力。因此，自然化霜方式是太陽(yáng)能熱泵熱水器的最佳選擇。

四、結(jié)論

本文主要研究了太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)低溫下性能以及系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

（1）低溫時(shí)，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可以改善純熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率低下的問(wèn)題，并且向下擴(kuò)展了熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的最低溫度，使整個(gè)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的環(huán)境適用性大大提高；太陽(yáng)輻照越強(qiáng)，系統(tǒng)的COP和制熱水能力越高，具有較高的性能參數(shù)和節(jié)能特性。

（2）太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)化霜過(guò)程采用壓縮機(jī)停機(jī)自然化霜的方式，解決了強(qiáng)制化霜能耗高、容易液擊、降低系統(tǒng)COP和制熱水能力的缺點(diǎn)。

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