蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王軍杰

（中國(guó)人民解放軍61622部隊(duì)，北京 102202）

0 引言

太陽(yáng)能資源是潔凈能源，更是可再生能源，科學(xué)且高效的運(yùn)用太陽(yáng)能資源能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)生態(tài)社會(huì)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的提出，憑借著優(yōu)化改善熱能品位優(yōu)點(diǎn)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。從蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備性能角度分析，在氣候寒冷的地區(qū)推廣與普及該系統(tǒng)，具有先天的優(yōu)勢(shì)，由此也可以拓展寒冷地區(qū)的空氣源熱泵與蓄熱型空氣式太陽(yáng)能適應(yīng)能力。對(duì)于蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)而言，為了提升其在運(yùn)行過(guò)程中性能，必須與熱負(fù)荷系統(tǒng)以及氣象條件變化作為依據(jù)展開(kāi)運(yùn)行控制與優(yōu)化調(diào)整[2]。

1 蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)影響因素

1.1 氣候影響因素分析

在蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)安裝場(chǎng)地，隨著太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度上升，蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的效率也會(huì)隨之增加，但是增加的速度卻是呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，集熱器的出口位置溫度值表現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因?yàn)樘?yáng)能輻射的強(qiáng)度提升，入射輻射量也會(huì)隨之增加，集熱器的接收設(shè)備溫度值同樣上升，有效集熱量增多，造成大量的熱損失，所以，集熱器的熱效率將會(huì)在增加之后逐漸趨向于平緩[3]。外界環(huán)境溫度變化對(duì)集熱器效率與溫度的影響產(chǎn)生影響，呈現(xiàn)出正比變動(dòng)的趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)研究成果得知，當(dāng)室外的溫度變化幅度為40℃的時(shí)候，集熱器瞬時(shí)效率變化值大約維系在2%，出口位置的溫度值變化幅度大約維系在1℃。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是受到當(dāng)?shù)販囟茸兓绊懀谛顭嵝涂諝馐教?yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的玻璃管壁以及真空管金屬管道中的溫度，將會(huì)表現(xiàn)出小幅度的變化，與外界環(huán)境溫度之間的變化差距相對(duì)較小，流體出口位置的平均溫度值上升[4]。

1.2 運(yùn)行參數(shù)影響因素分析

隨著蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的集熱口入口位置的溫度上升，集熱器位置的瞬時(shí)效率將會(huì)大幅度降低，出口位置的溫度值將呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是由于入口位置的溫度值上升，真空管的管壁位置溫度值也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，與外界之間進(jìn)行熱交換，增加熱損失，降低瞬時(shí)效率。當(dāng)集熱器的入口位置處溫度值不超出60℃時(shí)，蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的集熱器效率水平可以實(shí)現(xiàn)60%乃至以上。蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，入口位置的溫度值屬于不可控因素，受控制參數(shù)、熱負(fù)荷以及室外參數(shù)值等各類因素的綜合性影響[5]。但是充分利用熱量，便可以將溫度降低，從而提升蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱效率。

1.3 幾何參數(shù)影響因素分析

聚光比增加，蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱效率也隨之增加，之后逐漸趨向于平緩，在集熱器的出口位置，其溫度值將會(huì)伴隨著聚光比增加而降低。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是聚光比上升，蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器所具備的聚熱能力也隨之強(qiáng)化，太陽(yáng)能在投射時(shí)效率相同，可以得到更多的能源，將集熱器工質(zhì)的溫度上升時(shí)，將會(huì)強(qiáng)化與外界環(huán)境之間的熱交換效率，增加熱損失，限制集熱效率[6]。蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器面積增加，流體出口位置的平均溫度值將會(huì)以線型態(tài)勢(shì)增加，集熱器的效率呈現(xiàn)出小程度下降。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因?yàn)樾顭嵝涂諝馐教?yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)具有較大的聚光面積，聚光反射器能夠在相同的時(shí)間和環(huán)境下獲得更多的太陽(yáng)能輻射。

2 蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)性能分析

2.1 蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器面積分析

當(dāng)蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器的面積上升時(shí)，將會(huì)增加有效集熱量，在供熱量供給中，太陽(yáng)能的參與度先增加，后平緩變動(dòng)，所以在集熱器中，太陽(yáng)能的保證率將會(huì)先增加，再趨向定值，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是由于集熱器的面積增加，造成大量的集熱器熱量損失殆盡，并且水箱具有有限的蓄熱能力，所以不能夠?qū)⑻?yáng)能熱量進(jìn)行充分存儲(chǔ)，降低利用效率，造成不能夠充分使用熱量[7]。

通過(guò)相關(guān)分析可知，當(dāng)集熱器的面積在1815m2的時(shí)候，太陽(yáng)能保證率能達(dá)到51.4%，當(dāng)面積超過(guò)2550m2的時(shí)候，太陽(yáng)能保證率增加的速度將會(huì)降低。分析費(fèi)用現(xiàn)值以及耗電量得知，當(dāng)增加集熱面積的時(shí)候，資金投入將呈現(xiàn)出線性上升的狀態(tài)，蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值呈現(xiàn)出增加態(tài)勢(shì)。耗電量先降低，再平衡，降低一次能源消耗量。

2.2 蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器聚光比

當(dāng)蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱器聚光比上升，太陽(yáng)能供熱量以及有效及熱量先上升，后下降，熱泵供熱量先呈現(xiàn)出小幅度降低，再呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，太陽(yáng)能的保證率先增加，后平緩，最后呈現(xiàn)出小幅度降低。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，主要是由于集熱器聚光比上升到某個(gè)特定值的時(shí)候，將會(huì)提升與周邊環(huán)境之間的熱交換能力，增加熱損失[8]。當(dāng)集熱器聚光比上升，有效熱量增加的幅度值將會(huì)低于熱損失增加的幅度值。

通過(guò)相關(guān)分析可以得知，太陽(yáng)能的保證率不低于50%的時(shí)候，聚光比需要達(dá)到30，聚光比的變化范圍在10-60時(shí)，太陽(yáng)能保證率的增加幅度僅僅維系在6.5%。

2.3 蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)集熱面積水箱容積

利用蓄熱水箱存儲(chǔ)太陽(yáng)能熱量，能夠?qū)⑻?yáng)能不連續(xù)的問(wèn)題作出彌補(bǔ)，保障蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)供熱能力提升。通過(guò)使用蓄熱水箱充分儲(chǔ)備熱量，能夠降低陰雨天氣或者是夜晚環(huán)境下天氣熱泵開(kāi)啟，將系統(tǒng)入口位置的溫度降低。倘若是水箱具有較大的容積，那么熱水箱溫度在上升的時(shí)候速度較慢，波動(dòng)幅度較低，延長(zhǎng)高溫區(qū)中水箱停留的時(shí)間，對(duì)存儲(chǔ)太陽(yáng)能熱量有著不利影響[9]。反之，當(dāng)水箱具有較小的容積，那么熱水箱蓄熱量水平降低，不能充分利用太陽(yáng)能熱量，降低系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率。

伴隨著集熱面積水箱的容積提升，水箱的供熱量以及蓄熱量都呈現(xiàn)出上升的變化趨勢(shì)，降低熱泵供熱量，增加太陽(yáng)能保證率。通過(guò)相關(guān)分析可知，當(dāng)集熱面積水箱的容積達(dá)到120L/m2的時(shí)候，太陽(yáng)能保證率能夠達(dá)到54%，若是水箱的容積不斷上升，水箱供熱量將會(huì)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，降低利用水箱熱量的效率，增加熱泵供熱量，降低太陽(yáng)能保證率。系統(tǒng)的耗電量將隨著太陽(yáng)能供熱量的變化而發(fā)生變化，當(dāng)供熱量一定，水箱的容積上升時(shí)，耗電量先下降，再增加，費(fèi)用支出先降低后上升，系統(tǒng)的資金投入呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，但是相對(duì)而言，水箱的資金投入占據(jù)總投資的比重不高，所以費(fèi)用值先小程度下降，再緩和上升[10-11]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)氣候參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及集合參數(shù)的影響，得知各類影響因素對(duì)蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的影響情況，其中影響幅度最大的是集熱器聚光比。最后簡(jiǎn)要分析了集熱器面積、集熱器聚光比以及水箱容積對(duì)蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)性能的影響，獲得太陽(yáng)能保證率、系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值等數(shù)據(jù)參數(shù)的變化規(guī)律。