一、引言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在一次能源、二次能源日趋紧张的今天，太阳能等可再生能源的利用是缓解能源压力的重要手段[1-5]。其中太阳能热水系统因其节能环保的优势在我国得到了迅猛的发展，但是常规的太阳能热水系统加热周期长，无法全天候提供热水，在冬季和阴雨天气下需要辅助热源进行加热，依然需要消耗较多的高品位能源。合理、高效、经济地利用太阳能，提高太阳能热利用效率、热量品位和稳定性，节能、健康、舒适已经成为新一代太阳能热水器发展的主题。其中太阳能热泵热水器是近年来比较新颖的利用方式[6,7]。将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，通过将热泵系统的蒸发器制作成太阳能集热板形式，放置在室外同时吸收太阳能热量和空气中的热量。太阳能属于间歇性能源[8]，有太阳辐照时，制冷剂能够吸收太阳能的热量；当无太阳辐照时，系统也能吸收空气中的热量；克服了太阳能低密度、不稳定的缺陷。由于太阳能技术和热泵技术都是较为节能的技术，因此太阳能热泵热水器是一种非常环保节能的热水器产品。

然而，热泵系统在低温下工作效率较低；且温度越低，效率越差；在极端低温下甚至不能工作[9]。太阳能热泵系统虽然能够通过吸收太阳能热量改善热泵系统的性能，但是在低温下的提升效果还有待进一步研究。因此，本文从太阳能热泵系统的低温性能入手，分析整个系统在低温不同工况下的COP和制热水能力，探究系统低温下不同化霜方式对系统性能及安全运行的影响。

二、原理简介

太阳能热泵热水器是在原有热泵热水器的基础上进行优化改进，将集成在热水器内部的翅片式蒸发器制作成太阳能集热板形式并将其安装在室外，吸收太阳辐射热和空气中的热量。图1是太阳能热泵热水器的运行原理图，整体上基本原理与热泵热水器一致——均为蒸汽压缩式制冷[10]。从蒸发器流出的低温低压气体经压缩机压缩变为高温高压气体，然后进入内胆外壁的冷凝器放热变为中温高压液体，经电子膨胀阀节流膨胀后变为低温低压液体，最后进入集热蒸发器吸热变为低温低压气体，完成整个制冷剂工质循环。

图1 太阳能热泵运行原理图

太阳能热泵系统运行原理的不同点在于制冷剂在蒸发器内的吸热方式和电子膨胀阀的程序控制。蒸发器集热板由太阳能集热板和铜管结合而成，以合适的倾斜角度安装在室外。制冷剂在流经集热蒸发器时不仅会从空气中吸收热量，而且能够接受太阳辐照，以增强蒸发器的吸热量。然而，太阳能属于间歇性能源，太阳辐照随着时间、天气的不同随时变化，在晴天、多云天气、白天的时间较高；在阴雨天、夜间太阳辐照几乎为0，这就导致不同时刻流过集热蒸发器的制冷剂所吸收的热量差异很大，从而引起蒸发器的出口温度剧烈变化，容易造成压缩机液击，系统运行不稳定。因此，需要通过电子膨胀阀实时调整流量以保证系统安全稳定运行。

三、结果和讨论

众所周知，热泵系统在环境温度较低时工作效率较低，而且温度越低制热效果越差，因此研究太阳能热泵低温下的性能具有重要的理论意义和实用价值。

对此，我们在青岛地区冬季时节（2018年1月21日～2018年2月4日）对太阳能热泵热水器系统进行低温测试。测试系统的制热水能力、节能效果以及运行安全性，测试数据见表1。

3.1 太阳辐照对系统性能的影响

太阳能热泵热水器工作时，同时吸收环境中空气的热量以及太阳辐射热。从空气中吸收的热量较为稳定，但是太阳辐照却十分复杂，具有瞬时性、多变性，因此探究太阳辐照的强弱对于太阳能热泵系统的COP、制热水能力具有十分重要的意义。

在表1的所进行的实验当中，所有测试过程均不开启电加热，只吸收太阳辐射热和空气热量，用于分析太阳辐照对热泵系统的影响。图2展示了太阳辐照与COP、制热水能力的关系，可以看出COP和制热水能力随着太阳辐照的增强大致呈现出线性关系，太阳辐照越强，系统的COP和制热水能力越大。这是因为较低的环境温度下，热泵系统的得热量较低，太阳辐照的介入能够提升热泵系统的性能。环温较低时，制冷剂蒸发温度更低，气体密度小，而且电子膨胀阀开度减小，这两者均会导致压缩机质量流量下降，造成冷凝器散热减少，极端低温下，甚至会造成压缩机空转（质量流量为0），整个热泵系统不工作；而当集热蒸发器接受太阳辐照时，较冷的制冷剂在其中流过被二次加热，能够得到热量补偿，从而可以使电子膨胀阀开度增加，压缩机的质量流量增加，冷凝器散热增加。提升了系统的COP和制热水能力。

图2 太阳辐照与COP、制热水能力的关系

而随着太阳辐射的增加，制冷剂在流过集热蒸发器时得到的热补偿也越大，热泵系统的工作效率越高。这样由于太阳能的利用向下扩大了热泵热水器的最低使用温度范围，具有更好的环境适用性。但是，从另一方面考虑，只有在晴天或者多云天气时，太阳辐照较高；阴雨天、晚上太阳辐照非常微弱，这就要求热泵系统本身要具有良好的低温运行性能，才能保证全天系统的安全稳定运行。

3.2 化霜对系统性能的影响

太阳能热泵热水器的集热蒸发器安装在室外，由于冬季环境温度较低，集热蒸发器上凝结的水滴很容易结霜，霜层的存在会阻挡太阳光直射蒸发器集热板，从而造成COP和制热水能力的下降。因此，太阳能热泵系统也需要定期进行除霜。

现有的除霜方式中，有两种方式可供选择，分别是压缩机停机自然化霜和四通阀换向强制化霜。这两种化霜方式各有优劣之处，为确定选用何种化霜方式，我们进行了2组实验进行对比。表2展示了不同天气、不同温度条件下，自然化霜和强制化霜对太阳能热泵系统COP和制热水能力的影响。

从表2可以看出，在外界条件相同的情况下，自然化霜方式能够获得更高的COP和制热水能力。自然化霜时，压缩机停机，蒸发器温度缓慢上升，表面结霜慢慢融化经接水盘流走，此种化霜方式不耗能，化霜效果尚可，但化霜时间相对较长；强制化霜时，压缩机不停机、四通阀换向、蒸发器变为冷凝器进行化霜，此种化霜方式化霜效果良好，但却存在诸多不利因素。

首先，强制化霜过程中压缩机工作耗能较大；其次，热水器内部的冷凝器变为蒸发器，将会从已加热的热水中吸热，降低系统的制热水能力，因而化霜时间不能过长；再者，由于化霜时间过短，集热蒸发器上的化霜水还未完全排除干净，便被冷却在蒸发器表面结冰，冰面会反射太阳辐射并且冰的导热系数很低，因此也会降低系统COP和制热水能力；最后，四通阀换向的过程中，可能会导致吸气带液造成压缩机液击，造成压缩机损坏。图3展示了2月7日测试强制化霜过程前后的功率曲线，可以发现在某些时刻由于吸气带液，造成压机负荷增加，瞬间功率增加，若采用强制化霜方式，必须对电子膨胀阀的控制程序进行优化。

图3 强制化霜过程后功率随时间的变化

综上所述，虽然自然化霜效果较强制化霜差，但是化霜过程不耗能，系统运行安全，集热蒸发器表面不会结冰，能保证较高的COP和制热水能力。因此，自然化霜方式是太阳能热泵热水器的最佳选择。

四、结论

本文主要研究了太阳能热泵系统低温下性能以及系统运行安全性。

（1）低温时，太阳能热泵系统可以改善纯热泵系统运行效率低下的问题，并且向下扩展了热泵系统运行的最低温度，使整个太阳能热泵系统的环境适用性大大提高；太阳辐照越强，系统的COP和制热水能力越高，具有较高的性能参数和节能特性。

（2）太阳能热泵系统化霜过程采用压缩机停机自然化霜的方式，解决了强制化霜能耗高、容易液击、降低系统COP和制热水能力的缺点。

参考文献

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