太陽能-空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)供暖性能研究

汪青青，王芳，劉登輝，王宇翔，何澤輝

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 制冷及低溫研究所）

0 引言

建筑節(jié)能對于我國節(jié)能減排戰(zhàn)略具有重要意義。建筑節(jié)能需要因地制宜、順應(yīng)地區(qū)氣候條件。傳統(tǒng)的集中供暖環(huán)境污染嚴(yán)重，資源利用率低，且上海地區(qū)缺少基礎(chǔ)的供暖管網(wǎng)系統(tǒng)，無法復(fù)制北方集中式供暖模式[1]。將太陽能集熱和空氣源熱泵有機(jī)結(jié)合，可避免單一太陽能利用受氣候環(huán)境影響，也改善了空氣源熱泵在環(huán)境溫度低時(shí)性能降低的弊端[2]。

太陽能熱利用的先驅(qū)者Jordan 和Therkeld[3-4]指出太陽能和熱泵聯(lián)合運(yùn)行可以同時(shí)提高太陽能集熱器的效率和熱泵系統(tǒng)性能；Freeman[5]等人利用TRNSYS 軟件對串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式3 種非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明，在以空氣作為熱泵熱源的情況下,并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)可能是最實(shí)用的系統(tǒng)，熱性能更優(yōu)越；Poppi[6]等從經(jīng)濟(jì)角度分析了太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的可行性，重點(diǎn)指出以太陽能和蒸汽壓縮循環(huán)產(chǎn)生的余熱來提高系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)在制冷模式下相較傳統(tǒng)技術(shù)可節(jié)省50%～60%的能量，在制熱模式下，能耗則降低了3～4 倍。天津大學(xué)的趙軍[7]等設(shè)計(jì)搭建了串聯(lián)式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果表明，可滿足全年50 ℃的熱水供給，COP 在冬季可達(dá)2.64～2.85，夏季達(dá)到2.61～3.5；黃紫祺[8]等構(gòu)建了一種直膨式太陽能空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)可滿足冷暖聯(lián)供，即在不同工作模式下產(chǎn)生熱水和冷凍水，其中在冬季，系統(tǒng)制生活熱水平均COP 為4.32。杜海存[9]等把空氣源熱泵、太陽能系統(tǒng)和地板輻射采暖結(jié)合，搭建一套太陽能-空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)，并在甘肅蘭州地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在晴天、陰天和雪天3 種天氣運(yùn)行的平均COP 分別為3.4，2.6，3.1。室溫在20 ℃左右波動(dòng)，故可滿足室內(nèi)供暖和舒適性需求。

本文針對輻射地暖與風(fēng)機(jī)盤管兩種不同供暖末端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，通過具體數(shù)據(jù)體現(xiàn)使用不同末端時(shí)房間內(nèi)溫度情況，結(jié)合模擬證實(shí)可靠性，在上海地區(qū)進(jìn)行太陽能、熱泵單獨(dú)供暖以及兩者聯(lián)合供暖實(shí)驗(yàn)，對比各模式下的溫度變化和能量消耗，探尋太陽能熱泵復(fù)合系統(tǒng)在供暖時(shí)期的性能特性。

1 實(shí)驗(yàn)原理及工作模式

本文設(shè)計(jì)的太陽能熱泵復(fù)合系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，由太陽能集熱部分、空氣源熱泵以及室內(nèi)換熱末端3 部分構(gòu)成。選用非直膨并聯(lián)形可以保證熱泵模塊的相對獨(dú)立，具有更高的能效[10-12]，且并聯(lián)式系統(tǒng)對熱泵改動(dòng)少，便于維護(hù)和修理。太陽能集熱模塊由太陽能集熱器、電磁閥、變頻循環(huán)泵和太陽能集熱水箱組成，空氣源熱泵主要由變頻壓縮機(jī)、四通換向閥、翅片管換熱器、電子膨脹閥以及內(nèi)含換熱器的熱泵集熱水箱構(gòu)成，主要作用是在太陽輻射不足的條件下完成制熱蓄熱供熱。此外，在供冷工況下通過四通換向閥改變制冷劑流向，從而實(shí)現(xiàn)制冷蓄冷供冷。室內(nèi)換熱末端模塊主要由地暖盤管、風(fēng)機(jī)盤管以及變頻循環(huán)泵構(gòu)成，主要作用是完成與室內(nèi)換熱工作，達(dá)到供暖供冷的目的。

圖1 太陽能空氣熱泵復(fù)合系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar assisted air-source heat pump system

依據(jù)GB/T 50364《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，選取全玻璃真空管式集熱裝置，選用50 根規(guī)格為 58 mm×1 800 mm 的集熱管，收集總面積約17 m2，安裝角度30°。根據(jù)房間負(fù)荷計(jì)算并考慮熱損耗、熱儲(chǔ)存等實(shí)際情況，系統(tǒng)制熱量和制冷量不低于3 000 W，擬制取最低7 ℃、最高55 ℃的水溫，決定系統(tǒng)冷凝溫度取60 ℃、蒸發(fā)溫度取5 ℃，制冷工質(zhì)R410A，參考相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況，得到設(shè)計(jì)制熱量3 600 W,理論輸氣量0.64 L/s，制冷劑流量0.021 kg/s。

系統(tǒng)有太陽能供暖、熱泵供暖以及聯(lián)合供暖3 種工作模式。太陽能模塊供暖模式：包括集熱水箱預(yù)熱模式和供暖模式，通過循環(huán)泵使水在集熱器和集熱水箱間循環(huán)流動(dòng)從而加熱水箱，當(dāng)水箱達(dá)到一定溫度時(shí)，開啟水箱與地暖盤管或風(fēng)機(jī)盤管間的循環(huán)進(jìn)行供暖；空氣源熱泵模塊供暖模式：進(jìn)行熱泵循環(huán)，所生成的熱量通過集熱水箱內(nèi)的換熱器（冷凝器）釋放加熱水源，進(jìn)一步通過循環(huán)泵完成集熱水箱與地暖盤管或風(fēng)機(jī)盤管間的熱水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)供暖；聯(lián)合供暖模式：在有一定太陽輻照但不足以滿足供暖溫度需求時(shí)啟動(dòng)該模式，先以太陽能集熱供暖，熱量缺口以熱泵模塊填補(bǔ)，相互配合完成供暖。

2 換熱末端對比

2.1 實(shí)驗(yàn)對比

以空氣源熱泵作為供暖熱源時(shí)，有如圖2 所示的2 種常見的換熱末端：風(fēng)機(jī)盤管和地暖輻射。風(fēng)機(jī)盤管預(yù)熱速度快，但是房間溫度分布不均勻，氣流擾動(dòng)劇烈，人體熱感覺差；地暖輻射時(shí)房間溫度分布均勻，人體熱感覺良好，但是房間預(yù)熱升溫速慢。在本實(shí)驗(yàn)中，地暖盤管選取外徑為16 mm 的PE-X 管，采用單路回字式排布方式，管路間隔150 mm，管路總長50 mm。地暖結(jié)構(gòu)由下至上依次為隔熱板、反射膜、地暖盤管、混凝土填充層、硅酸鹽水泥找平層以及瓷磚地板。風(fēng)機(jī)盤管選取吊頂暗裝3 排盤管式，可實(shí)現(xiàn)3 擋風(fēng)量，分別為680，520，380 m3/h，在流量為0.201 L/s 工況下，額定制冷量和額定制熱量分別為4 170，6 680 W。由于房間結(jié)構(gòu)不宜暗裝，故為風(fēng)機(jī)盤管設(shè)計(jì)風(fēng)道，風(fēng)道材質(zhì)為聚苯乙烯硬泡沫板，風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口位于房間同面兩側(cè)高2.2 m 處，風(fēng)道參數(shù)2.75 m×0.78 m×0.2 m。

圖2 不同供暖末端實(shí)物圖Fig.2 Different heating terminals

如圖3 所示，假定當(dāng)房間0.9 m 處溫度維持在21 ℃時(shí)，視為房間預(yù)熱完成，此時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)回水溫差維持在2 ℃左右，進(jìn)回風(fēng)溫差維持在5℃ 左右，5 個(gè)室內(nèi)測點(diǎn)中最高溫度24.5 ℃，最低溫度18 ℃，溫差約為6.5 ℃。而地暖穩(wěn)定在同樣工況下時(shí)，高低處溫差維持在1.6 ℃，地暖進(jìn)出口溫差維持在4 ℃。

圖3 房間不同高度溫度Fig.3 Room temperature at different heights

2.2 模擬對比

選取實(shí)驗(yàn)當(dāng)日室外氣溫為7 ℃、室內(nèi)初始?xì)鉁貫?2 ℃，其他設(shè)置如地暖進(jìn)水溫度、風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度也靠近實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，房間初始溫度為285 K,各家具壁面視為絕熱，房間壁面厚度50 mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.068 W/(m2·K)，對流換熱系數(shù)23 W/(m2·K)，外界環(huán)境溫度280 K；無地暖時(shí)地面邊界設(shè)絕熱壁面，有地暖時(shí),地面邊界與上方空氣形成流固耦合開啟Coupled 模型；風(fēng)道初始風(fēng)速2 m/s，預(yù)熱完成后為1 m/s。水管壁面溫度308 K。

模擬結(jié)果如圖4 所示。由房間內(nèi)部整體溫度場可以看出，當(dāng)使用地暖供暖時(shí)，房間的整體溫度基本全部在18℃以上，且只有房間邊緣處靠墻壁溫度較低，在地暖盤管正上方的人體活動(dòng)區(qū)，地面被加熱到26 ℃，房間空氣被加熱到20 ℃以上，達(dá)到人體需求的溫度范圍；當(dāng)使用風(fēng)機(jī)盤管時(shí)房間內(nèi)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，房間上半部分空氣已被加熱到26 ℃以上，最底部卻只有18 ℃，溫度梯度明顯比地暖輻射供熱要大，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是熱空氣無法到達(dá)房間下部，改進(jìn)辦法是通過導(dǎo)風(fēng)柵使出風(fēng)方向更向下，或?qū)⒊鲲L(fēng)口朝向人體活動(dòng)區(qū)，但這無法改變熱空氣向上浮升的本質(zhì)，且會(huì)增加人體的吹風(fēng)不適感。

圖4 供暖時(shí)實(shí)驗(yàn)房間溫度場Fig.4 Room temperature distribution with radiant

圖5 表示的是高度在1.2 m 的平面上的溫度分布圖?？梢钥闯觯?dāng)使用風(fēng)機(jī)盤管供暖時(shí)，房間內(nèi)的溫度分布不均勻，人體舒適感差；而使用地暖供暖時(shí)，雖然整體溫度比風(fēng)機(jī)盤管的低，但是都處在人體舒適范圍（20～21.5℃）。

圖5 供暖 Z=1.2 m 處房間溫度分布Fig.5 Temperature distribution in Z=1.2 m with radiant

3 不同供暖模式

3.1 太陽能供暖

實(shí)驗(yàn)當(dāng)日室外平均氣溫約為8 ℃。實(shí)驗(yàn)從早8 點(diǎn)開始，首先將真空管集熱器經(jīng)太陽悶曬2 h 加熱內(nèi)部水，然后打開循環(huán)泵啟動(dòng)太陽能+地暖末端供暖模式，系統(tǒng)實(shí)測循環(huán)流量為0.58 m3/h。穩(wěn)定后,測得集熱水箱溫度35 ℃，地暖出口溫度25 ℃。

圖6 顯示了實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)被測房間平均溫度隨時(shí)間的變化。8 時(shí)～10 時(shí)房間雖還沒有供熱，但因室外氣溫的升高、太陽輻射進(jìn)窗、室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行等因素，房間溫度升高，10 時(shí)開始供暖循環(huán)，12 時(shí)房間內(nèi)溫度已高于18 ℃，基本滿足房間供暖需求。13 時(shí)后,房間溫度逐漸平緩，隨后趨于緩慢下降。

圖6 一天內(nèi)房間溫度變化Fig.6 Room temperature changes within a day

由太陽能單獨(dú)供暖實(shí)驗(yàn)得出35 ℃的地暖進(jìn)水可以滿足房間供暖需要，但要先有一定蓄熱量才適宜加入系統(tǒng)。水箱中溫度應(yīng)不低于35 ℃，當(dāng)需要穩(wěn)定供熱時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)熱泵輔助或單獨(dú)供暖。

3.2 熱泵供暖

在同樣的環(huán)境溫度下進(jìn)行熱泵的供暖實(shí)驗(yàn)。控制地暖進(jìn)水溫度同樣為35 ℃運(yùn)行2 h，由圖7表示的初始加熱水箱消耗功率隨加熱水溫的變化趨勢可以看出，因水溫升高導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度冷凝壓力升高，壓縮機(jī)耗能增加。在整個(gè)期間熱泵的耗能參數(shù)如表1 所示。

圖7 加熱水箱消耗功率Fig.7 Power consumption of heating water tank

表1 熱泵運(yùn)行耗能參數(shù)Tab.1 Energy dissipation parameters of heat pump operation

3.3 聯(lián)合供暖

太陽能供暖適合于晴朗的上午10 時(shí)左右開啟，至下午4 時(shí)左右，太陽輻照度減弱不能維持室溫時(shí)開啟熱泵供暖，直到次日10 時(shí)，這樣可以最大程度地利用能源減少能耗。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)日天氣多云，室外溫度最高9 ℃，最低3 ℃。實(shí)驗(yàn)從當(dāng)日8 時(shí)持續(xù)到次日8 時(shí)。由于本熱泵機(jī)組有設(shè)定溫度后自動(dòng)啟停的控制邏輯，即水箱達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)熱泵會(huì)停止工作，水箱溫度不足時(shí)會(huì)開始工作，故采用太陽能集熱器和熱泵兩熱源同時(shí)加熱熱泵集熱水箱，使整個(gè)供暖過程更流暢，本次實(shí)驗(yàn)熱泵加熱溫度設(shè)定在35 ℃，太陽能集熱器9 時(shí)～16 時(shí)工作。

圖8 為不同位置溫度隨時(shí)間的變化趨勢。房間初始平均溫度11 ℃，到13 時(shí)，房間平均溫度升至22 ℃，之后緩慢下降，5 時(shí)為19 ℃，而地面溫度穩(wěn)定后維持在28 ℃基本不變。水箱溫度先升后降，在13 時(shí)可達(dá)38 ℃，這是由于此時(shí)間段內(nèi)集熱器集熱效果好。水箱內(nèi)的熱量在不同時(shí)間內(nèi)是來自不同熱源的，如在早上和傍晚，熱泵貢獻(xiàn)的熱量要大于太陽能，而在晚上則是完全由熱泵供熱，在太陽輻照充足的中午前后，集熱器則貢獻(xiàn)了大部分甚至全部的熱量。而地暖出水溫度和進(jìn)水溫度溫差維持在8 ℃左右，在午夜溫差逐漸增加，這是由于室外溫度降低導(dǎo)致室內(nèi)熱量需求增加，吸收地暖盤管熱量導(dǎo)致出水溫度下降。

圖8 不同位置溫度隨時(shí)間變化Fig.8 Temperature at different locations varies with time

圖9 為實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻系統(tǒng)耗電量。10 時(shí)～15時(shí)太陽能提供熱量，沒有耗能，其余時(shí)刻由熱泵輔助或者完全提供熱量，隨著環(huán)境溫度的降低熱泵耗能逐漸增高，總耗能8.8 kW·h，故在實(shí)驗(yàn)工況下完成對房間的全天供暖，計(jì)算得到每平米需耗能0.6 kW·h。

計(jì)算得到本次實(shí)驗(yàn)熱泵貢獻(xiàn)熱量84 680 kJ，太陽能貢獻(xiàn)熱量38 500 kJ，熱泵單獨(dú)工作運(yùn)行COP 為2.67，系統(tǒng)COP 為3.89，太陽能保證率為31.7%。

為比較該系統(tǒng)在不同天氣條件下性能及經(jīng)濟(jì)性，選擇4 種不同天氣運(yùn)行該系統(tǒng)進(jìn)行供暖，上海市目前居民用戶第一電價(jià)為：波峰期（6 時(shí)～22 時(shí)）0.617 元/kW·h；波谷期（22 時(shí)～次日6 時(shí)）0.307 元/kW·h，對比結(jié)果見表2。

表2 不同工況下系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)對比Tab.2 System performance and economic comparison under different working conditions

因被測日室外氣溫不同，熱泵用電谷期能耗有輕微的浮動(dòng)。由表可知，太陽能熱泵復(fù)合系統(tǒng)供暖費(fèi)用是熱泵獨(dú)立供暖費(fèi)用的57.1%，聯(lián)合供暖相較熱泵單獨(dú)供暖在經(jīng)濟(jì)性上有著明顯的優(yōu)勢，除此之外，聯(lián)合供暖系統(tǒng)COP 也比熱泵單獨(dú)供暖COP 有明顯的上升，這充分證明了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和高效性。

4 結(jié)論

本文在上海地區(qū)搭建了一套太陽能空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)，供暖時(shí)針對不同的換熱末端進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比，使用地暖盤管時(shí)的最大溫差比使用風(fēng)機(jī)時(shí)最大溫差小5 ℃，并經(jīng)過模擬驗(yàn)證得出地暖輻射具有更優(yōu)越的熱舒適性；太陽能熱泵聯(lián)合供暖時(shí)COP 由熱泵單獨(dú)供暖的2.67 提升至3.89，聯(lián)合供暖費(fèi)用是熱泵獨(dú)立供暖費(fèi)用的57.1%。在對比不同天氣下均證明，該系統(tǒng)在上海地區(qū)運(yùn)行的可行性和經(jīng)濟(jì)節(jié)能性為長三角地區(qū)供暖模式提供新的策略。