引言随着我国城乡建设的持续大规模推进，建筑生产以及施工环节消耗大量能源，产生碳排放[1]，建筑节能成为减碳排目标的着力点。太阳能-热泵系统的联合使用可以减少设备初始投资，实现不同的运行方案，在建筑使用中达到更好的运行节能效果，为热用户提供生活热水。Kaygusuz[2]对太阳能辅助热泵供暖串联、并联形式下的集热器效率进行试验和研究，发现并联热泵系统比串联热泵系统更节能。孙先鹏[3]等通过试验探究太阳能联合空气源热泵系统能够提高热力经济性。孔祥强[4]等探究不同工质对直膨式太阳能热泵热水器性能的影响。陈中梅[5]等发现太阳能-空气源双压缩热泵系统较传统空气源热泵制热能耗降低18%，利于节能。王伟[6]等从除霜周期对空气源热泵运行性能进行实测探究，发现系统运行存在最佳除霜周期。金光[7]等研究严寒地区不同供暖模式下的供暖效果优劣。于涛[8]等通过TRNSYS软件模拟分析发现水箱配比越大，系统的集热效率增加，全年耗电量减小。本研究通过试验分析一天内蓄热水箱采用不同长度的螺旋盘管的换热效果，研究各项参数的差距，而后基于TRNSYS模拟软件，对太阳能集热器与空气源热泵采用串联和并联两种连接方式下的太阳能-空气源热泵系统全年运行下的制热量、耗功量、COP进行研究，目的是寻找更为节能的连接方式。1太阳能-空气源热泵试验系统介绍对太阳能-空气源热泵系统共同使用进行试验研究，试验系统原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F001图1太阳能-空气源热泵系统原理该系统包含太阳能集热器系统和CO2-空气源热泵系统，采用带螺旋盘管形式的蓄热水箱进行贮藏热水，太阳能集热器系统制得的热水送入蓄热水箱内部贮存，CO2-空气源热泵系统制得的热水进入蓄热水箱中的螺旋盘管内贮存，同时为蓄热水箱内的水进行换热。蓄热水箱内部结构示意如图2所示，试验所用蓄热水箱如图3所示。设置热泵出水温度为65 ℃，在上午08：00对太阳能进行注水，开启热泵系统，利用数据控制平台实时监测太阳能集热器的出水温度，11：00关闭热泵系统，仅使用太阳能集热器系统为蓄热水箱供热。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F002图2水箱螺旋结构示意10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F003图3蓄热水箱实物图2太阳能-空气源热泵模拟模型介绍依据太阳能-空气源热泵试验台各项参数，增加螺旋换热水箱，基于TRNSYS软件设计太阳能集热器与空气源热泵。采用并联与串联两种连接方式的供热模拟系统，模拟平台分别如图4、图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F004图4太阳能集热器与空气源热泵并联运行的模拟平台10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F005图5太阳能集热器与空气源热泵串联运行的模拟平台在原试验台参数的各项基础上，对模拟系统进行改善，设置热泵额定制热量为35 kW，太阳能集热器面积为150 m2，太阳能水泵功率为417 W，热泵水泵功率为61 W，水箱体积为7.63 m³。压缩机功率W计算如下：W=mrpeν1ηelkk- 1pcpek- 1k- 1 (1)式中：mr——制冷剂的质量流量，kg/s；pe——蒸发压力，Pa；pc——冷凝压力，Pa；ν1——压缩机入口制冷剂的比容，m3/kg；k——等熵指数；ηel——压缩机电效率，可以反映电动机的输入功在压缩机中利用的完善程度。制冷剂质量流量mr计算如下：mr=nηνVd60ν1 (2)式中：n——压缩机转速，r/min；ην——压缩机容积效率；Vd——压缩机工作容积，m3；ν1——压缩机入口制冷剂比容，m3/kg。热泵系统制热量Qe为：Qe=cw×mw×tw,out- tw,in (3)式中：Qe——热泵制热量，W；cw——水的比热容，J/(kg·℃)，取4 200 J/(kg·℃)；mw——冷却水质量流量，kg/s；tw,out——冷却水进水温度，℃；tw,in——冷却水出水温度，℃。传热工质获得的有用热量QU为：QU=mwρwcPwTe- Tj (4)式中：mw——集热器内集热工质的体积流量，m3/s；ρw——集热工质的密度，kg/m3；cPw——集热工质的比热容，J/(kg·℃)；Te——集热器内集热工质的出口温度，℃；Tj——集热器内集热工质的进口温度，℃。蓄热水箱有效得热量方程：Q=QU+Qe (5)式中：Q——蓄热水箱有效得热量，W；QU——传热工质从太阳能集热器获得的有用热量，W；Qe——热泵制热量，W。制热性能系数COP如下：COP=QW+WP (6)式中：W——压缩机功率，W；WP——太阳能水泵功率，W。3试验结果及分析设置空气源热泵供给水箱温度为65 ℃，选取环境温度相似的两天进行试验，监测一天时间中，蓄热水箱进出水温度和流量等参数，计算出螺旋管分别为0.75 m和1.5 m的换热水箱的制热量、耗功量和COP，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.T001表1蓄热水箱采用两种长度的螺旋盘管时各参数对比参数螺旋盘管长度/m0.751.5太阳能制热量/kW1.281.33热泵制热量/kW3.943.86热泵功率/kW1.130.86太阳能水泵功率/kW0.550.55供热系统COP3.103.68同一环境条件下，蓄热水箱采用两种长度的螺旋盘管供给热水时，太阳能制热量与热泵制热量差距较小，但0.75 m螺旋盘管的热泵耗功量较1.5 m螺旋盘管的热泵耗功量高0.27 kW。综合所得，当蓄热水箱采用0.75 m的螺旋盘管换热时系统的COP低于采用1.5 m螺旋盘管的系统COP。4模拟结果及分析4.1模拟分析系统全年运行制热量变化通过TRNSYS软件模拟太阳能集热器与空气源热泵并联和串联两种方式的系统运行，分析全年12个月运行时，系统制热量变化如图6所示。由图6可知，系统制热量整体呈现先减小后增大的趋势，且在6月—9月制热量较低。采用并联方式连接的系统制热量变化范围为5 980~8 671 kW，采用串联方式连接的系统制热量变化范围为5 950~8 513 kW；采用并联方式连接的逐月系统制热量高于采用串联方式的系统制热量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F006图6全年运行下系统制热量随月份变化4.2模拟分析系统全年运行耗功量变化通过TRNSYS软件模拟太阳能集热器与空气源热泵并联和串联两种方式的系统运行，分析全年12个月运行时的系统耗功量变化如图7所示。由图7可知，系统耗功量整体呈现先减小后增大的趋势，采用并联方式连接的系统耗功量变化范围为677~3 482 kW，采用串联方式连接的系统耗功量变化范围为777~3 262 kW。由于冬季室外环境温度较低，因此1月、2月、11月、12月并联系统的耗功量高于串联系统的耗功量；4月—9月室外环境温度较高，空气源热泵承担的用热负荷比太阳能集热器大，因此4月—9月并联系统的耗功量低于串联系统的耗功量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F007图7全年运行下系统耗功量随月份变化4.3模拟分析系统全年运行COP变化通过TRNSYS软件模拟太阳能集热器与空气源热泵并联和串联两种方式的系统运行，分析全年12个月运行时的系统COP变化情况，如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.006.F008图8全年运行下系统COP随月份变化示意图系统COP呈现先增加后减小的趋势，太阳能集热器与空气源热泵采用并联方式连接的系统COP在3月—10月高于采用串联连接方式；5月时两种连接方式系统COP差距最大，采用并联连接方式比串联连接方式COP提高2.64；2月时两种连接方式的系统COP差距最小。太阳能集热器和空气源热泵采用并联连接方式的系统COP变化范围为2.48~10.48，采用串联连接方式的系统COP变化范围为2.58~7.90。5结语通过试验观测一天当中，蓄热水箱采用两种长度的螺旋盘管为用户提供热水可知，当采用0.75 m螺旋盘管换热时，系统COP较采用1.5 m螺旋盘管COP高。通过TRNSYS数值模拟太阳能集热器与空气源热泵采用串联和并联两种连接方式可知，系统在全年运行下，采用并联方式连接的逐月系统制热量高于采用串联方式的系统制热量。4月—9月并联系统的耗功量低于串联系统的耗功量；5月时两种连接方式系统COP差距最大，采用并联连接方式比串联连接方式COP提高2.64；2月时两种连接方式的系统COP差距最小。综合考虑全年运行情况下，可采用太阳能集热器与空气源热泵并联运行的方式提高系统制热量，减少系统耗功量和COP，从而使系统更加节能高效。