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以除霜为重点的太阳能和空气源联合热泵系统的现场实验结果
Sven Starka*, Anja Loosea , Harald Druuml;ck
摘 要：自2012年初起，我们在德国监测了三种用于给独户住宅和多户住宅制备生活热水及供热采暖的太阳能与空气源热泵联合系统。通过对实测数据的分析，可以定性描述各子系统及整个系统的性能，也可以分析出因安装和不同运行模式下的控制方法产生的故障。本文重点关注因蒸发器的结霜和除霜而导致的能量消耗及热效率下降问题。此外，除霜过程中的一些描述参数，如能耗及两种除霜模式间的循环过程，已与常见的室外条件（温度和相对湿度）进行了关联。基于本文的分析，可预测所采用除霜方案的效果，亦即系统对除霜的需求程度。
一、绪论
太阳能与热泵联合运行用于供热和制备生活热水可以提高两者的效率。一方面，热源温度升高可以提升热泵效率。另一方面，太阳能集热器可在常规温度以下运行，这可以提高集热器效率，获得额外的太阳能。然而，两个系统联合运营的实际收益非常依赖两个系统间的相互配合，以及不同工作模式下的控制策略。因此，现场试验结果有助于重新检验过分宣扬的系统工作性能。
根据IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38，大多数太阳能和热泵联合系统可归类为所谓的并联系统。这个概念意为太阳能集热器和热泵各自独立工作，有别于所谓的串联系统（即太阳能集热器先将热量输送到储热器，储热器而后作为热泵的热源）或再生系统（即太阳能集热器为地源热泵提高地面温度）。在并联系统中，太阳能集热器和热泵并无直接联系，因此这种系统的实际效益仍存疑。
最近完成的名为“WPSol”研究项目中，我们对六个用于供热和制备生活热水的太阳能和热泵联合系统进行了为期一年半的监测。六个系统中，其中三个系统都是配置了空气源热泵的并联系统，即当热泵直接供暖或给储热器顶部、中部充能时，太阳能集热器只给储热器底部充能，运行期间并不与热泵发生相互作用。这三个系统的区别仅在于选择的备用供热方式及其在系统中的集成方法不相同，这也说明为什么对不同热源和环路采取的控制策略，对以子系统和并联系统性能为评价指标的联合系统尤其重要。
简写
a1 收集器热损失系数 [W/(msup2;*K)]
a2 与温度相关的热损失系数[W/(msup2;*Ksup2;)]
A2W35 热源温度（空气）2℃，散热器温度（水）35℃
COP 性能系数
EN14511 欧盟标准14511：用于空间加热和降温的电动空调、液体冷却装置和热泵
HPP 热泵项目
IEA 国际能源协会
Pel,HE 储存器中加热组件的耗电量
Pel,HP 为热泵供能的耗电量
Pel,hydr,HP 使用多台热泵时每台的耗电量
Pel,hydr,tot 总水力耗电量
DF,HP 热储存器提供用于除霜的热通量
DHW 家庭热水供应的热容量
SH 空间加热的总热容量
SH,HP 热泵空间加热容量（热泵直接加热）
Sto,HP 热泵储存器充热容量
SHC 太阳能加热和制冷项目
SPF 季节性性能因素
eta;0 零损失收集器系数
通常相同制热量的空气源热泵比地源热泵有着更低的季节性能系数。这一方面是因为热源温度的每日波动和季节波动更大，另一方面是因为冬季月份必须进行的除霜过程造成的额外能耗，导致热效率进一步降低。热泵室外蒸发器的管和翅片结霜会降低换热效率，同时增大空气压降，需要周期性除霜。因此，蒸发器必须供热（例如采用逆循环法或旁通热气法），以融化蒸发器表面的霜并恢复其性能。
除对上述的三种太阳能和热泵联合系统的分析（性能系数计算，安装误差检查，控制策略评估等）之外，本文亦关注于因结霜和除霜导致的空气源热泵性能下降问题。例如，直接用于除霜过程的能耗是基于整个供热时段计算的。更进一步，我们也对除霜期间的间接能耗也进行了计算。此外，还研究了对结霜起决定性作用的环境空气参数（温度、相对湿度）与除霜效果（除霜启动时间、所需能量）之间的关系，以得到所应用的除霜方案的作用效果。
二、系统描述
如上所述，根据IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38分类，本文监测的三个系统属于并联系统。通过观察复杂的系统图对不同的系统进行比较通常较为困难，因此Subtask A of Task 44提出了一种简单的描述太阳能与热泵联合系统的图示方法，即所谓的能量流动方块图。图1a和1b展示了其中两个系统方块图，系统3和图1b中的系统相似。
图1.系统1和系统2的能量流动方块图
图片顶部，可从环境中再生的热源以绿色表示，本例中为平板集热器接收的太阳辐射和空气源热泵的环境空气。左侧分别为进出系统的需要客户购买能量载体。如图所示，系统1中用电来给热泵和储水槽的备用加热组件供能，系统2用电给热泵供能，用燃气给冷凝式燃气锅炉供能。
平板集热器收集的太阳能通过储热器底的内部热转换器流入储热器。从两个图表都可以看出，热泵能直接用于采暖（右侧红色方框），也能传热给储热器（系统1中，有中位和高位两个入口高度，其他系统中只有一个中位入口高度）。储热器中部的存储热可直接用于供暖。另外，储热器的存储热也能用于制备生活热水，或为热泵除霜，如组件之间的带双箭头的线所示。这三种系统都不能实现冷却功能。
图的下方给出了一些系统的基本信息，如尺寸，居民数量及位置。系统3（此处未画出图形）安装在德国费尔德附近的鹿特丹比特的一幢多户住宅中，房屋有两套公寓，四个居民，总居住空间有210㎡。系统3与系统2使用的是同一厂商生产的产品，布置方法类似，也可以通过表1列出的基本特性参数和标准性能数据识别。但两个系统有一处关键的不同点，即是否有冷凝式气体锅炉。稍后的结果显示，是否有冷凝式气体锅炉对热泵除霜的影响很大，因为如果没有这个备用加热设备，热泵的热负荷会更大。
表1.上述三个系统中主要组件的基础信息
如表1所示，系统2和系统3的热泵为分体式热泵，由室外部件（包括蒸发器，压缩机和膨胀阀）和室内冷凝器组成。这种形式的冷凝器是一种特殊水力模块的一部分，该模块包含并控制连接热源（热泵，气体）和热用户（储热器，供热房间）的各管路。系统2虽更为复杂，但可提供多种运行方式：直接热泵加热，直接气体加热，热泵给储热器充能，气体给储热器充能，储热器提供除霜所需热能，储热器提供采暖所需热能等。利用太阳能给储热器和生活热水提供能量是两种其他运行方式，水力模块和其他部分的独立操作。
与系统2、3不同，系统1安装有一个小型热泵，其主要部分都在室外。这个系统的特点是能在两个不同的高度（中部和顶部）给储热器充能。除霜进程通过中部管路实现，但在监控中发现了预期外的通过顶部管路的除霜。中部管路也被用在两种加热模式（直接热泵加热，储热器加热）中，而分接和太阳能储热器充能是独立于两个热泵环路的。值得一提的是在监测周期内，热泵模型进行过更换，这多少会影响到整个系统的表现。
三、结论
3.1组件和系统表现
因为本章只能展示部分监测结果，重点将放在季节性能参数（SPF）上，将其作为本现场实验分析的最重要的参数。图2展示了空气源热泵和系统1完整系统的季节性能参数。因SPF有多种定义（如是否包括给几个泵供能的能量），故此处使用的SPF计算由下列两个方程式给出：
系统2和3中没有在储存器中加热组件的耗电量Pel,HE，系统2中气体消耗要加在SPF计算中。
系统1中热泵和整个系统的季节性能参数（SPF）
图2.整个监测周期内系统1的热泵和系统性能表现
图中给出的系统1空气源热泵的平均季节性能参数为2.26，整个系统1的平均季节性能参数为2.00，说明改进这个系统的操作还将面临许多的挑战。另一个系统的数据印证了这个结论，因为系统2表现得更差，特别体现在它的热泵每月性能参数规律性地在1和2之间浮动。可以发现，这三个系统的性能不能令人满意的一个原因是不同的安装和回路控制错误，如：在系统2和3中，有缺陷的止回阀引起频繁的热水循环，在联合储热器中导致明显的热损失和热分层损失；系统3在热泵和储热器间相似的循环回路可被确定；在系统1和3中太阳热部分的循环泵表现出不寻常的高电耗，在一些月份系统3的能耗甚至超过了输入的太阳热。
必须说明不仅空气源热泵表现出的性能数据过低，太阳能集热器的产量也必须经过修正。系统3中集热器的具体产量至少约有420kWh/(㎡∙a)，但对系统2和3来说这个产量的实际估值分别为250和290 kWh/(㎡∙a)，这些估值不能符合预期。这些监测结果表明，这种平行式太阳能与空气源热泵联合系统在安装执行和操作控制上需要相当大的改进，才能达到这两个子系统联合的期望盈余。
3.2一个加热周期的除霜次数和相关能量
图3a和图3b对监测的三个系统加热周期2012/13中每月除霜的次数和除霜所需能量进行了比较。除霜的总次数和整个加热周期中各自的除霜热在图4a和图4b中给出。为方便查看，2012年9月和2013年5月的一些单个除霜过程未在图中显示。
图3.a.三个系统除霜次数的比较 b.三个系统除霜所需热量的比较
图中画出的除霜进程月分布和热遵从一般期望，即空气源热泵需要在冬季月份（十二月到二月）频繁除霜，而过渡周期中除霜会少很多。由于2013年最低温度一直延续到3月，故3月的除霜次数与冬季月份相近。
图4.a.除霜总次数 b.除霜总能量
比较图4a和4b，可以看出两个值得注意的问题：
（1）系统3不是除霜次数最多的，但其除霜需要的热量远超过其他系统。原因在于除霜循环所用的高体积流（比系统2大四倍），与使用相同热泵模型的系统2相比，这明显是不必要的。
（2）系统2的空气源热泵在除霜和加热进程中消耗的功更少，可归因于户外条件。一种可能的解释为系统2周围气候比系统3更温和（更温暖，相对湿度更低），但实际上系统2所在地的相对湿度比系统1更高。对热泵和冷凝式气体锅炉的双源运行才是上述结果的决定性因素。冷凝式气体锅炉在约-1.2℃的加热模式开始运行，而对于给储热器输送热量（流温度更高）的情况，双源运行等级在4.0℃。在这种户外条件下蒸发器的除霜成为必须，因此空气源热泵的运行次数更少。这就是为什么这样的双源运行不仅仅对空气源热泵相关的环境温度降低引起的COP降低有利，也对除霜功有利。
3.3因结霜和除霜造成的总能量缺乏
3.2章所述“除霜能量”是为融化热泵蒸发器上的霜层必须的直接能耗（如储热器提供的热量），而因结霜和除霜造成的热效率的损失实际上比这个值更高。这主要是因为两个因素：（1）加热模式期间蒸发器上热转换变差，故热容量和COP逐渐降低；（2）实际除霜过程之后的恢复阶段中，热容量和COP降低，直到无霜后才能恢复（有些情况下，除霜过程之后有一个几分钟的空闲阶段，随后的恢复阶段中热容量开始增加）。
为估计热泵热效率的全面下降值（不止储热器提供的用于除霜的热），Wang et al [3]的概念——一种对实际热容量和无霜操作理论热容量的比较——在系统1和2的现场试验结果中被采用（计算的细节在此处无法解释，但这个计算对系统3而言是无意义的）。图5a表示出的除霜热分别仅为总能耗的12.6%和13.5%，这反过来意味着霜冻和除霜引起的总能量损失比从储热器提供的除霜热多八倍。从图5b可看出热泵表现变差：根据这种可更全面地确定结霜和除霜对热效率影响的方法，系统1COP的平均减少量为12.8%，系统2的平均减少量更高（26.6%），这是由于更长的除霜和空闲阶段（此阶段中热容量与理论无霜热容量相差最大）。
图5.a.除霜热的比率 b.COP的平均值
这些计算中发现的另一个结果是，大约三分之二的总能量损失在除霜进程中，而另外三分之一损失在结霜期和恢复期内。
3.4理论太阳能除霜
普遍地说，“太阳能除霜”的意思是至少有部分太阳能热应用于融化热泵蒸发器上的霜。然而，这个方法或者说概念，在其直接性上可能具有非常不同的性质。
一种即时技术会把太阳能热直接传给蒸发器，例如通过加热周围的空气来让蒸发器升温以快速除霜。太阳辐射和除霜需求总是不匹配，很明显太阳能只能部分满足除霜过程的能量需求。这个串联系统在冬季月份广泛应用时（即热泵的热源温度被太阳能预热提高时），间接除霜效应有两点要考虑：（1）因为热源温度更高，热泵会更经常面临不会引起结霜的周围空气环境；（2）当突然有足够的太阳能热可用时，因为温度更高相对湿度更低，结霜时的速度可能会降低，已有的霜层发展会停止甚至反转。
然而，大部分情况下太阳能与空气源热泵联合系统的生产商供应商提到可能的“太阳能除霜”，这种表述代表的是一种更间接的除霜方式。在像这三个系统一样的并联系统中，这种间接除霜方式意味着太阳能（无论何时获得）传送给储热器，和热流出储热器（其中部分来自获得的太阳能）并进行除霜步骤不是同时进行的。与上面提到的方法相反，太阳能占除霜需热的比例更多是理论值。
为说明“太阳能除霜”在理论上可行，图6a中显示了系统1的太阳得热（即输入储热器的太阳能）和除霜的热量。图6b中在每月基础上显示了三个系统“太阳能除霜”的理论比率。
图6.a.系统1中太阳得热和除霜需热对比 b.2012/13加热周期中太阳能除霜的理论比率
从图6a和图6b中可推断出，理论上太阳得热完全可以覆盖过渡期除霜的能量需求。这是因为过渡期间每月太阳能输入到储热器的能量仍有几百千瓦时，所以能覆盖相对低的除霜能量（通常小于100kWh/月）。相反，这个比率在冬季月份（十二月到二月）会提升，计算这三个月中太阳能获得总量和除霜能量总量，“太阳能除霜”的理论比率在系统1、2、3中分别为13.6%、59.7%和9.2%。考虑到“太阳能除霜”的理论性质，且这些比率中
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