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一、引言

太陽能是一種取之不盡、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]。其中太陽能熱水系統因其節能環保的優勢在我國得到了迅猛的發展，但是常規的太陽能熱水系統加熱周期長，無法全天候提供熱水，在冬季和陰雨天氣下需要輔助熱源進行加熱，依然需要消耗較多的高品位能源。合理、高效、經濟地利用太陽能，提高太陽能熱利用效率、熱量品位和穩定性，節能、健康、舒適已經成為新一代太陽能熱水器發展的主題。其中太陽能熱泵熱水器是近年來比較新穎的利用方式[6,7]。將太陽能熱利用技術與熱泵技術有機結合起來，通過將熱泵系統的蒸發器制作成太陽能集熱板形式，放置在室外同時吸收太陽能熱量和空氣中的熱量。太陽能屬于間歇性能源[8]，有太陽輻照時，制冷劑能夠吸收太陽能的熱量；當無太陽輻照時，系統也能吸收空氣中的熱量；克服了太陽能低密度、不穩定的缺陷。由于太陽能技術和熱泵技術都是較為節能的技術，因此太陽能熱泵熱水器是一種非常環保節能的熱水器產品。

然而，熱泵系統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]。太陽能熱泵系統雖然能夠通過吸收太陽能熱量改善熱泵系統的性能，但是在低溫下的提升效果還有待進一步研究。因此，本文從太陽能熱泵系統的低溫性能入手，分析整個系統在低溫不同工況下的COP和制熱水能力，探究系統低溫下不同化霜方式對系統性能及安全運行的影響。

二、原理簡介

太陽能熱泵熱水器是在原有熱泵熱水器的基礎上進行優化改進，將集成在熱水器內部的翅片式蒸發器制作成太陽能集熱板形式并將其安裝在室外，吸收太陽輻射熱和空氣中的熱量。圖1是太陽能熱泵熱水器的運行原理圖，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]。從蒸發器流出的低溫低壓氣體經壓縮機壓縮變為高溫高壓氣體，然后進入內膽外壁的冷凝器放熱變為中溫高壓液體，經電子膨脹閥節流膨脹后變為低溫低壓液體，最后進入集熱蒸發器吸熱變為低溫低壓氣體，完成整個制冷劑工質循環。

圖1 太陽能熱泵運行原理圖

太陽能熱泵系統運行原理的不同點在于制冷劑在蒸發器內的吸熱方式和電子膨脹閥的程序控制。蒸發器集熱板由太陽能集熱板和銅管結合而成，以合適的傾斜角度安裝在室外。制冷劑在流經集熱蒸發器時不僅會從空氣中吸收熱量，而且能夠接受太陽輻照，以增強蒸發器的吸熱量。然而，太陽能屬于間歇性能源，太陽輻照隨著時間、天氣的不同隨時變化，在晴天、多云天氣、白天的時間較高；在陰雨天、夜間太陽輻照幾乎為0，這就導致不同時刻流過集熱蒸發器的制冷劑所吸收的熱量差異很大，從而引起蒸發器的出口溫度劇烈變化，容易造成壓縮機液擊，系統運行不穩定。因此，需要通過電子膨脹閥實時調整流量以保證系統安全穩定運行。

三、結果和討論

眾所周知，熱泵系統在環境溫度較低時工作效率較低，而且溫度越低制熱效果越差，因此研究太陽能熱泵低溫下的性能具有重要的理論意義和實用價值。

對此，我們在青島地區冬季時節（2018年1月21日～2018年2月4日）對太陽能熱泵熱水器系統進行低溫測試。測試系統的制熱水能力、節能效果以及運行安全性，測試數據見表1。

3.1 太陽輻照對系統性能的影響

太陽能熱泵熱水器工作時，同時吸收環境中空氣的熱量以及太陽輻射熱。從空氣中吸收的熱量較為穩定，但是太陽輻照卻十分復雜，具有瞬時性、多變性，因此探究太陽輻照的強弱對于太陽能熱泵系統的COP、制熱水能力具有十分重要的意義。

在表1的所進行的實驗當中，所有測試過程均不開啟電加熱，只吸收太陽輻射熱和空氣熱量，用于分析太陽輻照對熱泵系統的影響。圖2展示了太陽輻照與COP、制熱水能力的關系，可以看出COP和制熱水能力隨著太陽輻照的增強大致呈現出線性關系，太陽輻照越強，系統的COP和制熱水能力越大。這是因為較低的環境溫度下，熱泵系統的得熱量較低，太陽輻照的介入能夠提升熱泵系統的性能。環溫較低時，制冷劑蒸發溫度更低，氣體密度小，而且電子膨脹閥開度減小，這兩者均會導致壓縮機質量流量下降，造成冷凝器散熱減少，極端低溫下，甚至會造成壓縮機空轉（質量流量為0），整個熱泵系統不工作；而當集熱蒸發器接受太陽輻照時，較冷的制冷劑在其中流過被二次加熱，能夠得到熱量補償，從而可以使電子膨脹閥開度增加，壓縮機的質量流量增加，冷凝器散熱增加。提升了系統的COP和制熱水能力。

圖2 太陽輻照與COP、制熱水能力的關系

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

3.2 化霜對系統性能的影響

太陽能熱泵熱水器的集熱蒸發器安裝在室外，由于冬季環境溫度較低，集熱蒸發器上凝結的水滴很容易結霜，霜層的存在會阻擋太陽光直射蒸發器集熱板，從而造成COP和制熱水能力的下降。因此，太陽能熱泵系統也需要定期進行除霜。

現有的除霜方式中，有兩種方式可供選擇，分別是壓縮機停機自然化霜和四通閥換向強制化霜。這兩種化霜方式各有優劣之處，為確定選用何種化霜方式，我們進行了2組實驗進行對比。表2展示了不同天氣、不同溫度條件下，自然化霜和強制化霜對太陽能熱泵系統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，壓縮機停機，蒸發器溫度緩慢上升，表面結霜慢慢融化經接水盤流走，此種化霜方式不耗能，化霜效果尚可，但化霜時間相對較長；強制化霜時，壓縮機不停機、四通閥換向、蒸發器變為冷凝器進行化霜，此種化霜方式化霜效果良好，但卻存在諸多不利因素。

首先，強制化霜過程中壓縮機工作耗能較大；其次，熱水器內部的冷凝器變為蒸發器，將會從已加熱的熱水中吸熱，降低系統的制熱水能力，因而化霜時間不能過長；再者，由于化霜時間過短，集熱蒸發器上的化霜水還未完全排除干凈，便被冷卻在蒸發器表面結冰，冰面會反射太陽輻射并且冰的導熱系數很低，因此也會降低系統COP和制熱水能力；最后，四通閥換向的過程中，可能會導致吸氣帶液造成壓縮機液擊，造成壓縮機損壞。圖3展示了2月7日測試強制化霜過程前后的功率曲線，可以發現在某些時刻由于吸氣帶液，造成壓機負荷增加，瞬間功率增加，若采用強制化霜方式，必須對電子膨脹閥的控制程序進行優化。

圖3 強制化霜過程后功率隨時間的變化

綜上所述，雖然自然化霜效果較強制化霜差，但是化霜過程不耗能，系統運行安全，集熱蒸發器表面不會結冰，能保證較高的COP和制熱水能力。因此，自然化霜方式是太陽能熱泵熱水器的最佳選擇。

四、結論

本文主要研究了太陽能熱泵系統低溫下性能以及系統運行安全性。

（1）低溫時，太陽能熱泵系統可以改善純熱泵系統運行效率低下的問題，并且向下擴展了熱泵系統運行的最低溫度，使整個太陽能熱泵系統的環境適用性大大提高；太陽輻照越強，系統的COP和制熱水能力越高，具有較高的性能參數和節能特性。

（2）太陽能熱泵系統化霜過程采用壓縮機停機自然化霜的方式，解決了強制化霜能耗高、容易液擊、降低系統COP和制熱水能力的缺點。

參考文獻

[1] 繆仁杰，李淑蘭. 太陽能利用現狀與發展前景[J]. 應用能源技術，2007(05)：28-33.

[2] 閆云飛，張智恩，張力，代長林. 太陽能利用技術及其應用[J]. 太陽能學報，2012(S1)：47-56.

[3] 陳德明，徐剛. 太陽能熱利用技術概況[J]. 物理，2007(11)：840-847.

[4] 趙玉文. 太陽能利用的發展概況和未來趨勢[J]. 中國電力，2003(09)：110-112.

[5] 陸維德. 太陽能利用技術發展趨勢評述[J]. 世界科技研究與發展，2007(01)：95-99.

[6] 周璇，劉國強，閆軍威. 并聯式太陽能空氣源熱泵熱水系統優化運行策略[J]. 華南理工大學學報(自然科學版)，2017(10)：16-25.

[7] 孔祥強，楊允國，林琳，李瑛. R410A直膨式太陽能熱泵熱水器制冷劑分布特性[J]. 農業工程學報，2014(12)：177-183.

[8] 余海. 太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J]. 能源研究與利用，2004(03)：34-37.

[9] 于永全，賀素艷，王軍. 低溫超強制熱家用空調器研究[J]. 制冷與空調，2015(01)：110-113.

[10] 郝吉波，王志華，姜宇光，王灃浩. 空氣源熱泵熱水器系統性能分析[J]. 制冷與空調，2013(01)：58-62.