直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖研究進(jìn)展

馬 輝， 楊 帆

(1.國(guó)家電投集團(tuán)南陽(yáng)熱電有限公司，河南南陽(yáng)473000;2.河南省豫南燃?xì)庥邢薰?，河南駐馬店463000)

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球面臨著許多能源與環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展可再生能源成為一種趨勢(shì)。可再生能源通常包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿饶茉?。目前大?guī)模開(kāi)發(fā)、利用、研究集中在太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等領(lǐng)域。其中，太陽(yáng)能是最豐富的可再生能源，具有相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)潛能。我國(guó)陸地每年接收太陽(yáng)輻射能達(dá)1.7×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]，是最主要的可再生能源。經(jīng)過(guò)粗略統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大約有2/3的地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，特別是在西藏、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古一帶。根據(jù)各地區(qū)接收太陽(yáng)輻射能的量可劃分為多個(gè)區(qū)域，部分地區(qū)單位面積年接收太陽(yáng)輻射能范圍見(jiàn)表1[2]。

表1 部分地區(qū)單位面積年接收太陽(yáng)輻射能范圍

2 直膨式太陽(yáng)能熱泵工作原理及應(yīng)用

2.1 直膨式太陽(yáng)能熱泵的特點(diǎn)

太陽(yáng)能作為最豐富的可再生能源，其利用在現(xiàn)階段存在一些局限，例如：太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率低，太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備成本高，太陽(yáng)輻射的不穩(wěn)定性、分散性等。太陽(yáng)能熱泵技術(shù)將太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，可以同時(shí)提高熱泵性能和集熱器效率。根據(jù)熱泵與太陽(yáng)能集熱器的組合形式不同，太陽(yáng)能熱泵分為直膨式太陽(yáng)能熱泵和非直膨式太陽(yáng)能熱泵。非直膨式太陽(yáng)能熱泵僅將太陽(yáng)能集熱器與熱泵的蒸發(fā)器簡(jiǎn)單串聯(lián)，太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能制取的熱水作為熱泵的熱源[3]。直膨式太陽(yáng)能熱泵則將熱泵蒸發(fā)器與太陽(yáng)能集熱器合二為一(以下稱為太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器)，太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)是制冷劑，由于制冷劑的沸點(diǎn)比水的沸點(diǎn)低得多，制冷劑直接在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器內(nèi)吸熱膨脹蒸發(fā)(即直膨)，太陽(yáng)能和空氣熱能直接作為熱泵的熱源。

與非直膨式太陽(yáng)能熱泵相比，直膨式太陽(yáng)能熱泵特點(diǎn)顯著，例如，太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器直接作為熱泵蒸發(fā)器，降低了成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；制冷劑直接在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器內(nèi)吸熱相變蒸發(fā)，傳熱系數(shù)高；制冷劑作為太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器的工質(zhì)，避免了水作為太陽(yáng)能集熱器工質(zhì)存在的腐蝕、結(jié)冰等問(wèn)題；制冷劑沸點(diǎn)比水低得多，太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器表面溫度低，熱損失很小或無(wú)熱損失。

本文所研究的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)針對(duì)單一熱源供應(yīng)單一住戶的供暖系統(tǒng)，便于對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。

2.2 系統(tǒng)組成及工作原理

直膨式太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 直膨式太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥組成。此處以北京地區(qū)某氣象條件(環(huán)境溫度為13 ℃，太陽(yáng)輻射照度為690 W/m2，風(fēng)速為2.5 m/s)、制冷劑工質(zhì)為R134a為例，說(shuō)明系統(tǒng)中制冷劑工作流程[4]。3.4 ℃、0.33 MPa飽和液態(tài)制冷劑工質(zhì)在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā),變?yōu)?.4 ℃、0.33 MPa飽和氣態(tài)制冷劑工質(zhì)，之后氣態(tài)制冷劑工質(zhì)被吸入壓縮機(jī)中絕熱壓縮為56 ℃、1.53 MPa飽和氣態(tài)制冷劑工質(zhì)，進(jìn)入冷凝器，將熱量釋放給熱介質(zhì)(水或空氣)后冷凝變?yōu)?0.09 ℃、1.53 MPa的液態(tài)制冷劑工質(zhì)，液態(tài)制冷劑工質(zhì)通過(guò)節(jié)流閥后成為3.4 ℃、0.33 MPa的液態(tài)制冷劑工質(zhì)，再次進(jìn)入太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器，由此完成一個(gè)循環(huán)。

系統(tǒng)中制冷劑工質(zhì)在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥進(jìn)出口的物性參數(shù)取決于系統(tǒng)容量、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及氣象條件。為了獲得良好的系統(tǒng)熱力性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建議制冷劑蒸發(fā)溫度比環(huán)境溫度低5～10 ℃，冷凝溫度不宜超過(guò)60 ℃。近年來(lái)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，制冷劑通常采用R134a、R410A、R407C、CO2等綠色環(huán)保工質(zhì)。

本系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，確定系統(tǒng)供熱量、室外和室內(nèi)設(shè)備參數(shù)。為了方便管理，一般單一熱源僅保證單一住戶的供熱需求。

2.3 直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

由于直膨式太陽(yáng)能熱泵能夠較為高效地制取50～60 ℃的熱水[5]，因此，直膨式太陽(yáng)能熱泵的應(yīng)用研究主要集中于家庭的生活熱水供應(yīng)和供暖領(lǐng)域。國(guó)外學(xué)者提出將直膨式太陽(yáng)能熱泵應(yīng)用于干燥及海水淡化，并開(kāi)展了相關(guān)基礎(chǔ)性研究。為了提高直膨式太陽(yáng)能熱泵的全年利用率，多功能應(yīng)用(如夏季供冷、冬季供暖、全年供應(yīng)熱水)是今后的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3 直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖

3.1 常用供暖形式

直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖是將太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器中制冷劑收集的熱量通過(guò)冷凝器傳遞給熱介質(zhì)，并由熱介質(zhì)通過(guò)供暖末端設(shè)備將熱量轉(zhuǎn)移到房間內(nèi)。若供暖末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤(pán)管，此類直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖形式被稱為空調(diào)供暖(下文簡(jiǎn)稱空氣系統(tǒng))；若供暖末端設(shè)備為地面輻射盤(pán)管，此類直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖形式被稱為熱水供暖(下文簡(jiǎn)稱熱水系統(tǒng))?？諝庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)冬季防凍問(wèn)題，適用于工業(yè)和商業(yè)建筑[6]；熱水系統(tǒng)涉及到室內(nèi)熱水管道的安裝，造價(jià)比空氣系統(tǒng)高，但熱舒適性好于空氣系統(tǒng)，主要用于民用建筑的供暖[7]9。

3.1.1 空氣系統(tǒng)

Mohamed等人[6]研究了用于家庭的直膨式太陽(yáng)能熱泵多功能系統(tǒng)，其流程見(jiàn)圖2。

圖2 直膨式太陽(yáng)能熱泵多功能系統(tǒng)流程

此多功能系統(tǒng)兼有供暖和提供生活熱水的功能，位于諾丁漢地區(qū)，該地區(qū)屬于典型的海洋性氣候，氣溫的年較差與日較差都比較小，太陽(yáng)輻射能較小，最暖月一般出現(xiàn)在8、9月份，日均最高氣溫為23 ℃；最冷月一般出現(xiàn)在2、3月份，日均最低氣溫為-1 ℃。該系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換閥為電磁調(diào)節(jié)閥，可以控制供暖和生活熱水兩個(gè)支路的啟閉，還可通過(guò)控制不同支路閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制各支路制冷劑流量。該系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行模式。在制取生活熱水模式下，制冷劑工質(zhì)在冷凝器2放熱，加熱生活熱水。制取的生活熱水儲(chǔ)存到生活熱水儲(chǔ)水箱中。生活熱水儲(chǔ)水箱與室內(nèi)生活熱水終端設(shè)備通過(guò)管道連接，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。在供暖模式下，制冷劑工質(zhì)在冷凝器1放熱，加熱供暖熱水。供暖熱水在風(fēng)機(jī)盤(pán)管處與空氣換熱，由空氣來(lái)承擔(dān)室內(nèi)的熱負(fù)荷。此供暖方式所需冷凝溫度較低(為40～60 ℃)，并能保證室內(nèi)溫度達(dá)到23 ℃，系統(tǒng)COP可達(dá)3～4。空氣系統(tǒng)布置相對(duì)靈活，與室內(nèi)裝修融合簡(jiǎn)單，不影響裝修效果。若兼作吊頂安裝，還可節(jié)約使用面積。

3.1.2 熱水系統(tǒng)

室內(nèi)熱水供暖形式主要分為散熱器對(duì)流換熱供暖和地面輻射供暖兩種。散熱器供暖對(duì)熱介質(zhì)溫度要求較高(70 ℃左右)，地面輻射供暖對(duì)熱介質(zhì)溫度要求較低(45 ℃左右)。而直膨式太陽(yáng)能熱泵能高效提供40～60 ℃的熱介質(zhì)，因此，在直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)中，廣泛采用地面輻射供暖的形式。與散熱器對(duì)流換熱供暖相比，地面輻射供暖熱舒適性更好，腳暖頭涼更符合人體的生理學(xué)調(diào)節(jié)特點(diǎn)。地面輻射供暖中地面兼有蓄熱功能，可緩解太陽(yáng)輻射間歇性的缺點(diǎn)[7]11-12。

Zhou等人[8]研究的基于微通道蒸發(fā)器模塊的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)有很高的利用價(jià)值。制冷劑工質(zhì)在冷凝器處放熱，加熱地面輻射供暖系統(tǒng)中的熱水，進(jìn)而提供室內(nèi)供暖所需熱量。該太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器為光電、光熱一體化的裝置，既能收集熱量加熱制冷劑工質(zhì)，又可以發(fā)電。此系統(tǒng)適用于中國(guó)華北地區(qū)，該地區(qū)為溫帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，最冷月的日平均氣溫在0 ℃以下，太陽(yáng)照射充足。在測(cè)試期內(nèi)，此系統(tǒng)的平均光電轉(zhuǎn)換效率為15.4%，平均光熱轉(zhuǎn)換效率為56.6%，光能與電能及熱能轉(zhuǎn)換的平均總效率為69.7%，系統(tǒng)COP可達(dá)4.7，月均制熱量為1 363 kW·h。

3.2 供暖系統(tǒng)應(yīng)對(duì)太陽(yáng)輻射間歇性的方法

太陽(yáng)輻射具有間歇性的特點(diǎn)，夜間及陰雨天氣均不利于太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行。針對(duì)此問(wèn)題，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)目前比較常用的解決方法有蓄熱、輔助熱源補(bǔ)充熱量等。

林艷等人[9]研究了帶蓄熱裝置的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，利用定形石蠟(相變溫度為28.2～30 ℃)作為相變材料，將其置于蓄熱裝置中，蓄熱裝置連接于太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間。以青島地區(qū)為例，模擬結(jié)果表明，相變裝置可使直膨式太陽(yáng)能熱泵的蒸發(fā)溫度維持在25 ℃左右，當(dāng)冷凝溫度在60 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP可達(dá)5.3。

3.3 全球直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖研究實(shí)例

自直膨式太陽(yáng)能熱泵的概念提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列供暖研究。本文通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外眾多工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)主要集中于中國(guó)華北、西北以及歐洲太陽(yáng)輻射照度高的地區(qū)。Huang等人[10]研究了太陽(yáng)輻射照度對(duì)于直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖方面的影響，在一定的環(huán)境條件下，隨著太陽(yáng)輻射照度從0 W/m2增加到300 W/m2，系統(tǒng)供熱量從1 001 W增加到1 500 W，系統(tǒng)COP從1.77增加到2.23?？梢钥闯?，太陽(yáng)輻射照度增大使系統(tǒng)運(yùn)行效果提升十分顯著。

Dong等人[11]在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器外側(cè)噴涂具有良好的太陽(yáng)能選擇吸收特性的涂層，該涂層對(duì)于太陽(yáng)輻射能的吸收率為94%～96%，同時(shí)在太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器旁加裝風(fēng)機(jī)，增強(qiáng)太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器周圍的空氣流動(dòng)，有助于太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器高效吸收空氣能。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)不加裝風(fēng)機(jī)的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)相比，系統(tǒng)COP可從2.41提高到2.55。

Zhou等人[8]采用新型PV-微通道的太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器，可以同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能，微通道的設(shè)計(jì)減小了太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器管內(nèi)的截面積，增加了制冷劑工質(zhì)的流速，使得制冷劑工質(zhì)的蒸發(fā)速率增加，增加了熱能和電能的輸出。該系統(tǒng)在中國(guó)北方地區(qū)運(yùn)行的COP可達(dá)4.7。

王瑛等人[12]對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的室內(nèi)供熱部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)調(diào)整，使制冷劑工質(zhì)直接進(jìn)入地面輻射供暖盤(pán)管冷凝放熱，將地面輻射供暖盤(pán)管作為冷凝器，省去了制冷劑工質(zhì)與空氣或水換熱的環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)位于蘭州，系統(tǒng)COP可達(dá)3.01。

歐洲地區(qū)對(duì)于直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的研究起步較早，直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的供暖應(yīng)用比較廣泛，且具有良好效果。Kara等人[13]利用直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為位于土耳其的一棟辦公建筑供暖，辦公建筑室內(nèi)采用輻射換熱的方式，該系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下系統(tǒng)COP維持在2～3。

Moreno-Rodriguez等人[14]在西班牙馬德里地區(qū)搭建了直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，與Dong等人[11]的供暖系統(tǒng)類似，該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器收集太陽(yáng)輻射能及空氣能，系統(tǒng)COP為2.7。

3.4 直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的能耗對(duì)比

直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)不僅比普通的化石燃料供暖、電供暖更加節(jié)能，而且與其他的熱泵系統(tǒng)相比，COP也得到顯著提升。本文針對(duì)中國(guó)北方及歐洲不同氣候條件，對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)與目前應(yīng)用較廣的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行比較。

在歐洲地區(qū)，Bellos等人[15]對(duì)比了歐洲20個(gè)城市兩種系統(tǒng)的運(yùn)行情況，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的COP可達(dá)4，而普通空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的COP僅為2.5?？梢?jiàn)，與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)相比，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)更節(jié)能，供熱效率更高。

3.5 直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

目前直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖的技術(shù)還不夠成熟，造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用方面還不夠經(jīng)濟(jì)。根據(jù)高新宇等人[16]的研究，取煤的市場(chǎng)價(jià)為0.9 元/kg，煤的低位發(fā)熱量為20.934 MJ/kg，熱效率為65%；天然氣的市場(chǎng)價(jià)為2.1 元/m3，低熱值為35.17 MJ/m3，熱效率為85%；計(jì)算出煤和天然氣供暖的熱價(jià)分別為0.066 元/MJ和0.070元/MJ。根據(jù)電價(jià)0.6元/(kW·h)及系統(tǒng)熱效率90%計(jì)算出電供暖的熱價(jià)為0.185 元/MJ。從投資回收年限看，以直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖代替電供暖，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖的投資回收期約為9 a；而對(duì)于太陽(yáng)能供暖替代煤、天然氣等能源供暖的投資回收期要大于系統(tǒng)使用壽命。

Bellos等人[15]以100 m2的建筑為樣本，分析計(jì)算了馬德里、那不勒斯、倫敦等20個(gè)歐洲城市的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的投資回收期，較短的例如馬德里為7 a左右，而較長(zhǎng)的例如倫敦為27 a，大多數(shù)城市例如阿姆斯特丹等的投資回收期為10～15 a。

3.6 存在的問(wèn)題及研究熱點(diǎn)

近年來(lái)直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)獲得了很快的發(fā)展，但就目前的發(fā)展水平而言，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖在應(yīng)用方面還面臨一些實(shí)際問(wèn)題，例如造價(jià)較高，太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器與建筑外觀的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性較差。目前直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖主要存在兩個(gè)技術(shù)方面的問(wèn)題：①太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器不能高效吸收太陽(yáng)能、空氣能，且太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器的熱損失嚴(yán)重。②太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器與壓縮機(jī)匹配不合理[17]。這就突出了未來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)方向：建立完善的動(dòng)態(tài)仿真模型，優(yōu)化太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，改善直膨式太陽(yáng)能熱泵在供暖領(lǐng)域的蓄熱情況等。

4 結(jié)語(yǔ)

作為未來(lái)供暖技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)利用了太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的熱性能。

理論研究和一些實(shí)用性工程揭示了直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的優(yōu)越性和局限性：

① 直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的熱性能受太陽(yáng)輻射能影響較大，太陽(yáng)輻射能升高會(huì)顯著提升供暖系統(tǒng)運(yùn)行效果，因此應(yīng)因地制宜地推廣應(yīng)用。

② 在中國(guó)北方和歐洲地區(qū)，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)比普通的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)具有更好的運(yùn)行性能，優(yōu)勢(shì)明顯。

③ 直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖形式不占建筑使用面積，便于與室內(nèi)裝修融合。

④ 與傳統(tǒng)化石能源供暖方式相比，直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖方式經(jīng)濟(jì)性較差，今后應(yīng)加大太陽(yáng)能集熱-蒸發(fā)器的研究，進(jìn)一步提高其集熱效果，降低其造價(jià)；同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步研究直膨式太陽(yáng)能熱泵與蓄熱技術(shù)的耦合，充分利用太陽(yáng)能，降低直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。