太陽能與空氣源熱泵耦合供熱技術(shù)應用研究

李旭林 張梓蘊 王云龍

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

引言

清潔供暖是我國大氣污染防治工作的重要組成部分，為充分實現(xiàn)供暖技術(shù)的清潔性，充分引導各地的供暖方式向低能耗、低排放的方向發(fā)展。北方農(nóng)村既有取暖方式主要以污染高的散煤燃燒為主，在浪費大量化石能源的同時，還造成嚴重的室內(nèi)外空氣污染，故在北方農(nóng)村推進清潔取暖對降低取暖能耗節(jié)約資源有積極影響。

近年來，空氣源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源，是目前建筑節(jié)能領域重要的供暖形式，太陽能集熱系統(tǒng)可全年使用。如果將二者系統(tǒng)耦合供熱，可提高能源利用率，彌補不足。因此，將太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)作為最佳耦合系統(tǒng)的研宄具有十分重要的意義。

1 常規(guī)太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)耦合方式

1.1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

直膨式太陽能熱泵(DXSAHP)有效地利用了太陽能光熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，來自太陽輻射或環(huán)境空氣中的熱量直接通過太陽能集熱裝置吸收熱量，經(jīng)過壓縮機直接將熱量傳遞給冷凝器至末端設備，是實現(xiàn)節(jié)約能源和可再生能源利用的有效方案。直膨式系統(tǒng)見圖1,其運行簡單，主要依靠太陽能輻射吸收熱量來供熱，但由于太陽能的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)受太陽能輻射強度影響較大，適用于太陽能資源充足的地區(qū)。

圖1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

學者們從不同的角度對直膨式系統(tǒng)進行了研究。方雷[1]采用R134a作為工質(zhì)建立了直膨式太陽能熱泵(DXSASHPWH)的系統(tǒng)性能系統(tǒng)數(shù)學模型。在春季和秋季晴天工況下平均COP為3.26，平均集熱效率為0.73，耗電量為1.50；在冬季，平均COP為3.27，平均集熱效率為0.68，耗電量為1.81。

蔣澄陽[2]等人提出了一種肋片式集熱器應用于DXSASHPWH，集熱器可以在空氣中吸收熱量，也可以在太陽能輻射吸收能量，系統(tǒng)的平均COP可達到6，遠高于常規(guī)型系統(tǒng)。由于常規(guī)機組受太陽輻射強度的影響較大，徐國英[3]等提出了一種新型耦合熱水器，當太陽輻射不足時，可吸收空氣中的熱量，使得系統(tǒng)能穩(wěn)定高效地運行。

1.2 非直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

1.2.1 串聯(lián)式系統(tǒng)

串聯(lián)式系統(tǒng)如圖2所示，是指太陽能集熱器與熱泵循環(huán)通過蓄熱水箱共同供給末端機組，但各自環(huán)路互不干涉。太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)共同運行，太陽能集熱器吸收的熱量傳遞給換熱器直至熱泵系統(tǒng)，集熱介質(zhì)在熱泵系統(tǒng)中循環(huán)吸熱，經(jīng)冷凝器傳遞到末端機組。串聯(lián)式系統(tǒng)受太陽能波動影響相對較小，在無太陽能時，會導致太陽能熱水的溫度過低，熱泵工作效率下降。太陽能系統(tǒng)不穩(wěn)定性的運行，可能會導致傳熱的溫度過低，熱泵系統(tǒng)能效降低。串聯(lián)式系統(tǒng)的COP高于單一空氣源熱泵，但無陽光時需要加入電磁能輔助熱源。

賈少剛[4]等人將太陽能和熱泵技術(shù)進行有機結(jié)合，實現(xiàn)建筑物的制冷、供暖和熱水的同時供給，研究表明串聯(lián)系統(tǒng)運行效率較好且耗電量少節(jié)能。張慈枝[5]建立串、并聯(lián)式數(shù)學模型進行耦合測定，當集熱水溫處于20.4～37.9℃，串聯(lián)運行模式COP值較高。但當太陽能集熱溫度到達一定值時，反而并聯(lián)模式運行性能相對較好。哈爾濱工業(yè)大學的余延順[6]等人在哈爾濱地區(qū)的氣象地理條件下分析研究了太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的不同運行工況，得到了動態(tài)運行工況下的太陽能總集熱量和集熱效率分別高出靜態(tài)運行工況下的23.1%和22.7%的結(jié)論。

圖2 串聯(lián)式系統(tǒng)

圖3 并聯(lián)式系統(tǒng)

1.2.2 并聯(lián)式系統(tǒng)

并聯(lián)式系統(tǒng)中有2種熱源分別提供熱量供熱，如圖3所示。太陽能集熱系統(tǒng)單獨供熱運行是在太陽輻射充足條件下，使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性；當陰雨天氣或太陽能強度弱時，空氣源熱泵單獨運行或開啟共同運行，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。并聯(lián)式系統(tǒng)可直接利用太陽能產(chǎn)生熱水，太陽能集熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)單獨工作互不干涉，便于控制且系統(tǒng)維修方便。劉杰[7]等人選取蘭州地區(qū)一幢別墅建筑作為供暖對象，結(jié)果表明，并聯(lián)耦合系統(tǒng)在太陽能輻射吸收量、熱泵運行效率上均優(yōu)于單一空氣源熱泵，大幅度提高了太陽能集熱器的運行效率，實現(xiàn)了24h供水運行，但耦合系統(tǒng)需要考慮集熱器面積大小，超過一定范圍會削弱集熱效率。

鐘浩[8]等根據(jù)昆明地區(qū)的氣候特點，對空氣源熱泵耦合太陽能系統(tǒng)進行了一系列測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，在耦合系統(tǒng)中空氣源熱泵系統(tǒng)COP值可達3.8以上。靳路[9]等人研究表明，在石家莊農(nóng)村獨立住宅中太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)中太陽能保證率平均為46%，空氣源熱泵系統(tǒng)COP值為4.5，其中太陽能集熱器的供熱占比為59%。

1.2.3 混合式系統(tǒng)

混聯(lián)式系統(tǒng)可實現(xiàn)不同熱源多種運行模式的轉(zhuǎn)換。當太陽能充足時，太陽能系統(tǒng)單獨供熱，多余的熱量可運送到儲熱水箱中；當太陽輻射不足時，太陽能熱泵系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運行；連續(xù)陰雨無太陽時，開啟空氣源熱泵系統(tǒng)供熱，優(yōu)先使用蓄熱水箱中的熱量輔助熱泵系統(tǒng)?；炻?lián)式系統(tǒng)運行模式復雜，精準度要求高，需要根據(jù)不同氣候特征及室內(nèi)外溫度轉(zhuǎn)換不同的運行模式。

單明[10]等人選取示范戶位于北京市平谷區(qū)農(nóng)村，取暖系統(tǒng)為太陽能熱水集熱系統(tǒng)加4kW流變頻低溫空氣源熱泵熱水機，末端機組采用地熱輻射采暖，整個取暖季太陽能熱水循環(huán)泵耗電約151kWh，低溫空氣源熱泵熱水系統(tǒng)耗電6104kWh。

天津大學陳雁、李新國[11]等學者通過建模模擬分析了復合系統(tǒng)，實驗結(jié)果顯示，在天津地區(qū)采用太陽能與熱泵系統(tǒng)耦合比氣源熱泵單獨供熱要經(jīng)濟很多。因此，太陽能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)能夠高效、可靠地運行，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，有望為國家的節(jié)能減排貢獻力量。

2 太陽能光伏耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

采用太陽能光伏與空氣源熱泵組合系統(tǒng)是一種新型建筑采暖方式，容易實現(xiàn)建筑一體化設計，適用我國北方寒冷地區(qū)氣候特點。采取空氣源熱泵和光伏發(fā)電系統(tǒng)，可充分利用自然的太陽能，避免長途運輸造成的損耗，易于操作，便于維修。太陽能光伏發(fā)電作為清潔新能源可以對空氣源熱泵進行供電補充，有效降低公用電網(wǎng)供給空氣源熱泵的電能使用量。但該系統(tǒng)需考慮高耗能、間歇工作的因素，對于供熱強度大的建筑需對應較大面積的光伏太陽能電池板。

圖4 光伏太陽能耦合空氣源熱泵運行原理圖

東南大學的周偉[12]等人研發(fā)了新型裸板式多孔扁盒集熱器，搭建了太陽能光伏耦合空氣源系統(tǒng)實驗平臺。根據(jù)系統(tǒng)不同運行模式，提出耦合運行、太陽能單獨運行、空氣源單獨運行3種不同模式。針對3種不同模式在夏季工況下，對比單獨運行的太陽能和空氣源模式，耦合熱源模式COP提高了24.47%和40.14%。

Meysam、符慧德[13-15]等將圓筒熱管與光伏組件結(jié)合設計出基于熱管的PV/T系統(tǒng)并將其與熱泵結(jié)合，設計出了基于圓筒熱管的太陽能熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)平均COP可達到4.87，光電效率基本在11%以上。杜伯堯[16]設計新型太陽能光伏/空氣集熱蒸發(fā)器并搭建了實驗臺，緩解了太陽能受天氣影響的弊端，光伏太陽能耦合空氣源模式下系統(tǒng)COP在3.2～4.2。

3 新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)

在我國北方村鎮(zhèn)地區(qū)，傳統(tǒng)型熱泵會出現(xiàn)凍裂無法運轉(zhuǎn)、制冷劑流量降低、供水溫度不高等問題，對整個系統(tǒng)造成影響。直膨式系統(tǒng)優(yōu)勢在于較高的集熱效率與系統(tǒng)性能，但受太陽能輻射強度影響較大，存在不穩(wěn)定性的特點；非直膨式的優(yōu)點在于系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，然而受天氣條件影響較大，不好單一控制，需要改善低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)的制熱性能，精度要求高；光伏太陽能空氣源熱泵更適合城市地區(qū)，初投資大，但這些形式并不適用于北方獨立村鎮(zhèn)供暖建筑。因此，針對北方大部分的獨立住宅供暖建筑及熱泵存在的問題，提出一種適用于北方村鎮(zhèn)建筑的供暖方式，對熱泵的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

太陽能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)采用雙源蒸發(fā)器為核心部件進行耦合供熱。該系統(tǒng)將太陽能未滿足供熱要求的熱水或循環(huán)介質(zhì)轉(zhuǎn)至空氣源熱泵中，促進空氣源系統(tǒng)運行，通過提高轉(zhuǎn)換溫度達到提升換熱效率。該系統(tǒng)可循環(huán)3種模式，空氣源熱泵單獨供熱蓄熱模式、太陽能集熱系統(tǒng)單獨供熱蓄熱模式、太陽能與空氣源熱泵耦合模式。雙源蒸發(fā)器可流通3種介質(zhì)進行熱交換，可使制冷劑同時與內(nèi)管的太陽能熱水和外表面的空氣進行換熱，熱泵同時或單獨與空氣和液態(tài)熱源2種熱源的熱交換，實現(xiàn)能源的T級利用。

圖5 新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論與展望

太陽能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)能有效提高冬季空氣源熱泵工作效率，對于緩解北方村鎮(zhèn)供暖造成的污染會有很大的改善，未來的市場應用前景十分廣闊。

不同地區(qū)的太陽能資源、輻射時間和室外環(huán)境溫度、太陽輻照量均有不同。因此不同地區(qū)耦合系統(tǒng)應選擇適合的耦合方式，避免系統(tǒng)受工況變化的影響，對應不同氣候特征的村鎮(zhèn)建筑供暖，提供一一對應的耦合熱源模式。

新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)充分實現(xiàn)了能源的最大化利用，通過電動閥門及溫度傳感器調(diào)節(jié)供回水的流向，大幅度提高空氣源熱泵的運行效率，將太陽能未滿足供熱需求的傳熱介質(zhì)傳遞給空氣源熱泵中，進行熱量傳遞，也保證了熱泵系統(tǒng)在低溫下防凍的效果，可適用于北方嚴寒地區(qū)的清潔供暖。

太陽能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)可以解決單一能源運用的局限性，合理應用可以減少運行能耗，大幅提高了整個系統(tǒng)的能源利用效率，且節(jié)能收益較好，可使系統(tǒng)實現(xiàn)全年節(jié)能運行。同時，可解決村鎮(zhèn)建筑供暖過程中存在的能源浪費、環(huán)境污染等問題，改善村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境、提高人民的生活質(zhì)量，真正實現(xiàn)了綠色取暖、零碳排放，在北方地區(qū)適合大面積推廣。