太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

史俊杰

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

太陽能熱泵系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、收集太陽能效果良好，已被廣泛應(yīng)用于生活熱能供應(yīng)。熱泵通過使用電網(wǎng)電力和常用的低品位熱源，可以為建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施提供穩(wěn)定的供熱。但由于天氣的影響，太陽能熱泵在供暖應(yīng)用方面存在間歇性和不穩(wěn)定性問題。若將太陽能集熱板與熱泵結(jié)合起來，可以克服獨(dú)立太陽能熱泵系統(tǒng)熱供需不匹配以及獨(dú)立熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間長、低能源效率和高能耗等問題，從而為建筑和基礎(chǔ)設(shè)施提供穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)和高效的熱能。因此，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)在全球獲得了廣泛的關(guān)注，相關(guān)的研究、開發(fā)和應(yīng)用在過去的幾十年里一直在快速發(fā)展。

本文對太陽能輔助熱泵系統(tǒng)研究的進(jìn)展進(jìn)行了評述，探討如何提高太陽能效率、熱泵能效和快速響應(yīng)時間的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)，并討論了太陽能輔助熱泵系統(tǒng)發(fā)展的未來前景。這將有助于加速太陽能輔助熱泵系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展，從而減少化石燃料使用，加速太陽能技術(shù)應(yīng)用，減少碳排放，助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”。

1 太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的潛在挑戰(zhàn)

太陽能輔助熱泵系統(tǒng)主要由太陽能集熱模塊、熱泵模塊和蓄熱換熱器模塊組成。這些模塊之間的不同組合方式形成了不同類型的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)。一般來說，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)可以大致劃分為并聯(lián)、串聯(lián)和組合類型。串聯(lián)系統(tǒng)可以安裝在直接膨脹或間接膨脹裝置中。通過將并聯(lián)和串聯(lián)系統(tǒng)集成在一起，可實(shí)現(xiàn)雙源太陽能輔助熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)是并聯(lián)和串聯(lián)的組合。系統(tǒng)可以在太陽能直供模式、熱泵直供模式、太陽能輔助熱泵供能模式三種模式下運(yùn)行。雖然太陽能輔助熱泵在技術(shù)和應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，但在以下方面仍存在一些挑戰(zhàn)和差距。

1.1 低溫環(huán)境下性能差

當(dāng)環(huán)境溫度較低時，由于太陽能集熱器的熱效率較低，使得熱泵在寒冷天氣條件下的COP 較低，最終導(dǎo)致太陽能輔助熱泵的能效將顯著降低。隨著熱泵體積效率逐漸降低，壓縮機(jī)排氣溫度逐步升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮比持續(xù)增大，制冷劑質(zhì)量流量的逐漸減少導(dǎo)致運(yùn)行效率進(jìn)一步降低。此外，蒸發(fā)器結(jié)霜會影響熱泵性能，被阻塞的蒸發(fā)器表面顯著降低了熱泵的熱容量和COP。為了減輕除霜對熱泵性能的影響，可通過使用二氧化碳循環(huán)、輔助鍋爐、翅片管太陽能集熱器/ 蒸發(fā)器、微通道傳熱技術(shù)、PCM 和蒸氣噴射循環(huán)等技術(shù)手段予以改善[2]。

1.2 建筑物熱需求與太陽能輔助熱泵熱供給不匹配

北半球太陽輻射在夏季多而冬季少，其水平在日、周和季節(jié)的不同周期上都有波動。另一方面熱泵在較高的環(huán)境溫度下具有更好的性能，而在較低的溫度下不僅效率低下，而且電耗顯著。然而，建筑物在低環(huán)境溫度下的熱需求較高，這就造成了建筑的熱需求和太陽能輔助熱泵的熱供給無法有效匹配。

諸多研究均在努力解決建筑物熱供需不匹配的問題，如比較流行的太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)（SAGSH）。太陽能輔助地源熱泵通過將太陽能注入地面，可以同時消除土壤的熱環(huán)境惡化和地面的溫度降低的問題，從而提高系統(tǒng)效率，保持系統(tǒng)運(yùn)行條件更加穩(wěn)定。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的地源熱泵相比，太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高的COP。

2 太陽能輔助熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

太陽能輔助熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太陽能與熱泵兩者之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，以提高COP 為目標(biāo)，通過儲能設(shè)備實(shí)現(xiàn)了極端氣候的供熱需求。

自1984 年以來，國內(nèi)外學(xué)者在輔助熱泵系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)上做過諸多嘗試，CHATURVEDI 等[2]將太陽能集熱器與翅片管換熱器并聯(lián)，通過閥門切換使其一作為熱泵的蒸發(fā)器。而陳雁[3]等[3]將平板太陽能集熱器與翅片管換熱器串聯(lián)，集熱器加熱后的熱風(fēng)輸送至熱泵蒸發(fā)器不僅提高了熱泵的蒸發(fā)溫度同時解決了集熱器冬季結(jié)霜問題。而后WANG 和QUAN 等[4]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了PV/T 與熱泵結(jié)合的系統(tǒng)，同時實(shí)現(xiàn)了光電與光熱轉(zhuǎn)化，因PV/T隨著溫度升高光電轉(zhuǎn)化率降低，系統(tǒng)通過不同循環(huán)方式將PV/T 工作溫度控制在合理范圍，并將余熱回收并如系統(tǒng)內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效能提高。

為降低空氣源熱泵的壓縮比以提升低溫運(yùn)行性能。YAN、CHEN 以及ZHU[5-7]等將噴射器應(yīng)用于空氣源熱泵，通過回收節(jié)流過程中損失的膨脹功，提升了壓縮機(jī)的吸氣壓，從而降低了壓縮機(jī)的壓縮比。Siyuan Ran[8]等提出了一種使用多功能蒸發(fā)器的帶有熱虹吸管的混合太陽能-空氣源熱泵。該系統(tǒng)可以從單一熱源（即太陽能或環(huán)境空氣）或它們的組合吸收熱量。此外，它可以根據(jù)太陽強(qiáng)度在熱虹吸模式或熱泵模式下工作，在太陽能充足的情況下，甚至可以通過太陽能熱虹吸模式提供熱量而無需能耗。

對于利用太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用方面，R.LAZZARIN[9]重點(diǎn)分析了作為熱泵冷源的太陽能對外部空氣的可能貢獻(xiàn)，評估了太陽能與空氣源的不同集成模式。同時，JIBO LONG[10]等提出了一種混合太陽能熱水和空氣源熱泵（HSAHP）組合供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種連接方式，如太陽能熱水（SHW）和空氣源熱泵（ASHP）并聯(lián)供暖模式，太陽能熱水作為空氣源熱泵熱源的串聯(lián)供熱方式和預(yù)熱式接入方式。通過文章中給出的HSAHP 組合供熱系統(tǒng)的最佳能效面積圖可以針對不同的天氣情況切換不同的運(yùn)行方式。

3 太陽能輔助熱泵的發(fā)向方向

3.1 多源熱泵

能效問題是熱泵開發(fā)和實(shí)施中倍受關(guān)注的問題，有效利用多種能源是提高能源效率、減少化石燃料消耗的最切實(shí)可行的途徑。將多個源集成到一個熱泵系統(tǒng)是一個微妙的過程，涉及仔細(xì)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃、模擬和優(yōu)化以及基于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試。設(shè)計(jì)理論、仿真方法、部件選擇與表征、系統(tǒng)的技術(shù)性能測試與評價以及社會經(jīng)濟(jì)性能評價是創(chuàng)建成熟的、可廣泛部署的多源熱泵系統(tǒng)需要解決的主要問題。

3.2 利用廢熱和可再生能源進(jìn)行熱泵除霜

熱泵除霜需要消耗大量電能，利用高溫排風(fēng)可以有效解決熱泵除霜問題。空氣除霜具有投資成本低、無需改造、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

除廢氣外，其他廢棄物和可再生能源也可用于熱泵除霜。在熱水溫度為40 ～50 ℃，環(huán)境溫度約為0 ℃，平均太陽輻射為300 W/m2的條件下，太陽能收集效率可能會低于20%。為了避免極其低效的熱量收集，水溫可以設(shè)置為10 ～20 ℃。雖然不適合供暖，但用于除霜是足夠的。因此，太陽能在冬季得到有效利用，從而縮短了太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的回收期。

3.3 先進(jìn)的蓄熱換熱器

蓄熱換熱器是建立建筑熱需求和太陽能輔助熱泵熱供應(yīng)之間平衡的一個工具。蓄熱換熱器也有望快速響應(yīng)建筑的熱需求，并通過利用太陽能提供即時熱供應(yīng)。這能延長太陽能系統(tǒng)的使用時間，減少熱泵的運(yùn)行時間，從而大大降低整個太陽能輔助熱泵的電力消耗。然而，要創(chuàng)建最有效的蓄熱換熱器，仍然需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化、介質(zhì)選擇和表征以及相關(guān)控制策略的制定等多方面的綜合性研究。這將最大限度地利用太陽能，并將熱泵運(yùn)行所需的電能減少到最低限度。此外，熱量供需之間的非互補(bǔ)性問題也得到緩解。

4 結(jié)語

本研究對太陽能輔助熱泵的研究與開發(fā)工作進(jìn)行了評述。研究發(fā)現(xiàn)，在節(jié)能減排的大背景下，阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的主要原因有：（1）低溫環(huán)境下性能差；（2）建筑物熱需求與太陽能輔助熱泵熱供給不匹配?；谏鲜鰡栴}，提出了三個研究方向：（1）多源熱泵的開發(fā)；（2）利用廢棄物和可再生能源的熱泵除霜技術(shù)；（3）先進(jìn)的蓄熱換熱器技術(shù)。本文的研究有助于加速太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的發(fā)展，助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”。