太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

陳爾健，賈騰，姚劍，代彥軍

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

0 引言

太陽能分布廣泛，是對應(yīng)用選址要求較低的一種可再生能源，將其與建筑用能需求相結(jié)合，既符合目前建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢，也是太陽能規(guī)?；玫挠行緩?。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，太陽能與建筑節(jié)能相結(jié)合符合當(dāng)前低碳發(fā)展的戰(zhàn)略。然而，由于太陽能的間歇性與季節(jié)性，與建筑穩(wěn)定的用能需求存在矛盾，如何解決太陽能供熱制冷穩(wěn)定、高效的難題，是提高太陽能在建筑能源體系中貢獻(xiàn)率的關(guān)鍵所在［1-2］。

太陽能集熱是影響太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，集熱溫度和環(huán)境溫度的溫差是集熱效率的主要影響因素，對于中高溫?zé)嵩打?qū)動的太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)，太陽能轉(zhuǎn)化的制冷供熱效率受限于集熱效率［3］。

對于太陽能制冷，夏季太陽輻照強(qiáng)度高，因此集熱溫度與集熱效率較高，而冬季太陽能輻照強(qiáng)度低，其集熱溫度與集熱效率受到限制，進(jìn)而影響太陽能供熱制冷的轉(zhuǎn)化效率與穩(wěn)定。發(fā)展太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)，提高太陽能集熱全年運(yùn)行效率，提升太陽能在建筑能源體系中的貢獻(xiàn)率，是目前國內(nèi)外學(xué)者正在探索研究的方向。

1 太陽能空調(diào)與熱泵主要技術(shù)途徑

太陽能應(yīng)用于建筑供熱制冷有2 種利用方式，光熱與熱驅(qū)動空調(diào)（熱泵）相結(jié)合或光伏發(fā)電與蒸汽壓縮式空調(diào)（熱泵）相結(jié)合，目前太陽能熱驅(qū)動和電驅(qū)動空調(diào)與熱泵主要技術(shù)途徑分別如圖1、圖2所示。

圖1 太陽能熱驅(qū)動供熱制冷主要技術(shù)途徑Fig.1 Technical routs for cooling and heating technology driven by solar thermal power

圖2 太陽能電驅(qū)動供熱制冷主要技術(shù)途徑Fig.2 Technical routs for cooling and heating technology driven by PV power

在太陽能熱驅(qū)動制冷技術(shù)方面，可根據(jù)制冷循環(huán)與冷卻環(huán)境是否存在質(zhì)量交換分為閉式制冷循環(huán)或開式除濕循環(huán)。

1.1 太陽能熱驅(qū)動供熱制冷技術(shù)

吸收式制冷是目前最為成熟且應(yīng)用最多的熱驅(qū)動制冷技術(shù)。根據(jù)《〈蒙特利爾議定書〉的基加利修正案》，當(dāng)前需減少高全球變暖潛能值（GWP）制冷劑的使用來降低溫室氣體排放，吸收式制冷系統(tǒng)通常使用H2O 和NH3等天然制冷劑，是符合當(dāng)前發(fā)展需要的一個重要優(yōu)勢，科學(xué)界和商業(yè)界都在大力開發(fā)太陽能吸收式制冷系統(tǒng)。與其他太陽能制冷技術(shù)相比，吸收式制冷機(jī)熱力性能系數(shù)（COPth）更高，其單效循環(huán)驅(qū)動溫度為80～100 ℃，對應(yīng)的COPth為0.6～0.8，雙效循環(huán)利用高壓發(fā)生器發(fā)生蒸汽的冷凝熱量為低壓發(fā)生器提供發(fā)生熱量，可使COPth達(dá)到0.9～1.3（熱源溫度140～160 ℃），雖然在三效循環(huán)的COPth可提升至1.7（熱源溫度180～220 ℃），但由于驅(qū)動熱源溫度需達(dá)到180 ℃以上，實(shí)際運(yùn)用中LiBr-H2O 工質(zhì)對在高溫工況下的結(jié)晶風(fēng)險極大，且對銅管的腐蝕性增強(qiáng)，因此目前三效循環(huán)幾乎沒有商業(yè)應(yīng)用［4］，雖然半效循環(huán)驅(qū)動熱源溫度最低，但COPth也僅有單效循環(huán)的一半，因而對發(fā)生熱量的消耗量較高［5］，近年又有學(xué)者提出變效吸收（1. N 效）循環(huán)，其驅(qū)動熱源溫度介于單效與雙效之間，COP則隨驅(qū)動溫度升高連續(xù)提升，解決了單效循環(huán)熱源溫度提升性能無法持續(xù)增大，使?損失較大的缺陷［6］。

“發(fā)生器-吸收器熱交換”循環(huán)（Generator Absorber Heat Exchange，GAX）采用循環(huán)內(nèi)部回?zé)?，對外部輸入熱源總量要求不高，但其?qū)動溫度需達(dá)到接近雙效循環(huán)同等的溫度水平，且由于其高低壓側(cè)溶液濃度差范圍極大，因而不適用于使用LiBr-H2O 工質(zhì)對（易結(jié)晶），而使用NH3-H2O 工質(zhì)對則需增設(shè)精餾器，導(dǎo)致制冷性能不及LiBr-H2O 工質(zhì)對，因而GAX 循環(huán)目前尚無在制冷循環(huán)上使用，均利用其吸收器中較大的相變溫度滑移特性用于制熱循環(huán)內(nèi)部回?zé)嵋蕴岣咧茻嵝阅埽?］。

由于蒸汽噴射式能效較低，且噴射器運(yùn)行范圍受限于設(shè)計(jì)工況，存在較少應(yīng)用案例。硅膠-水吸附機(jī)驅(qū)動溫度相比吸收式更低，在低品位熱源高效利用上存在優(yōu)勢，COPth也相對較低，目前已有小批量生產(chǎn)。硅膠-水吸附機(jī)在建筑太陽能空調(diào)、太陽能低溫儲糧系統(tǒng)獲得應(yīng)用［8］。

開式除濕循環(huán)，主要有溶液除濕、除濕轉(zhuǎn)輪和除濕換熱器技術(shù)，這幾種技術(shù)通過吸濕材料（鹽溶液或干燥劑）界面處與處理空氣之間的水蒸氣分壓力差從空氣中吸附水蒸氣實(shí)現(xiàn)無水除濕，通常與常規(guī)壓縮式空調(diào)結(jié)合，分別處理熱濕負(fù)荷，通過熱濕解耦處理提高壓縮式空調(diào)蒸發(fā)溫度，達(dá)到能效提升的目的。

1.2 太陽能電驅(qū)動供熱制冷技術(shù)

太陽能熱驅(qū)動供熱技術(shù)圍繞第一類吸收式熱泵及其循環(huán)的各種變式，包括再吸收式熱泵和GAX吸收式熱泵等，在熱驅(qū)動溫度和能效水平上略有差異，該類型循環(huán)通過輸入高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩传@得大量的中溫?zé)崃浚坏诙愇帐綗岜脛t通過使用大量的中溫?zé)崃揩@得更高品位的熱量輸出，亦稱為升溫型熱泵。

太陽能電驅(qū)動制冷技術(shù)，通過光伏組件發(fā)電，用于驅(qū)動壓縮式制冷機(jī)，為了保證穩(wěn)定供冷與提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通常與蓄冰或蓄電裝置結(jié)合。太陽能熱+電驅(qū)動供熱技術(shù)，通過熱電耦合供熱，主要有太陽能熱驅(qū)動蒸汽壓縮式熱泵，太陽能直膨式熱泵，以及太陽能光伏/光熱一體化（PVT）熱泵。太陽能PVT熱泵通過熱泵系統(tǒng)為PV板降溫提高發(fā)電效率，同時提高熱泵供熱能效，實(shí)現(xiàn)高效的熱電聯(lián)產(chǎn)，是目前國內(nèi)外研究太陽能利用技術(shù)學(xué)者重點(diǎn)聚焦的技術(shù)。

從太陽能向供熱制冷能量轉(zhuǎn)換效率角度對比太陽能熱驅(qū)動與電驅(qū)動的供熱制冷技術(shù)，需從太陽能的發(fā)電/集熱轉(zhuǎn)化效率出發(fā)，結(jié)合電驅(qū)動或熱驅(qū)動供能設(shè)備的電力/熱力效率，獲得用于評價太陽能轉(zhuǎn)換效率的統(tǒng)一評價指標(biāo)（SCOP）。現(xiàn)有太陽能供熱技術(shù)的SCOP 如圖3 所示，當(dāng)前光伏發(fā)電效率為0.15，光熱集熱效率為0.50，可見由于光熱高效轉(zhuǎn)化使得太陽能熱驅(qū)動吸收式熱泵供熱技術(shù)SCOP 達(dá)到0.80，即單位太陽輻射能量輸入Q 可以產(chǎn)出0.80Q的供熱量，是所有供熱技術(shù)中的最高值。

圖3 太陽能供熱技術(shù)SCOPFig.3 SCOP of the solar heating technology

對于當(dāng)前應(yīng)用較多的太陽能空調(diào)技術(shù)而言，熱驅(qū)動吸收式制冷由于吸收式制冷循環(huán)的效率較低，其SCOP 低于結(jié)合蒸汽壓縮制冷的太陽能光伏空調(diào)。

2 太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)進(jìn)展

近年來，太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)在能效提升、驅(qū)動溫區(qū)與環(huán)境適應(yīng)性擴(kuò)展等技術(shù)要點(diǎn)上有了進(jìn)一步突破，相關(guān)總結(jié)與對比見表1。

表1 太陽能供熱制冷技術(shù)進(jìn)展總結(jié)與對比Tab.1 Summary and comparison of progresses on solar heating and cooling technologies

2.1 變效（1.N效）溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

上海交通大學(xué)提出一種1.N 效吸收式循環(huán)，如圖4所示。該循環(huán)采用吸收-發(fā)生熱耦合方式，其中低壓吸收器出口溶液分流后，分別進(jìn)入高壓吸收器和高壓發(fā)生器。利用高壓吸收器的吸收熱，對第二低壓發(fā)生器進(jìn)行加熱，該循環(huán)根據(jù)高壓發(fā)生器的發(fā)生溫度變化調(diào)節(jié)分流溶液的質(zhì)量比：當(dāng)高壓發(fā)生器溫度足夠高時，溶液更多流入高壓發(fā)生器，系統(tǒng)逐漸進(jìn)化為雙效循環(huán)；當(dāng)熱源溫度足夠低時，退化為單效循環(huán)，實(shí)現(xiàn)變效的目的［6］。

圖4 新型變效（1.N效）吸收式循環(huán)原理Fig.4 Working principle of the novel variable effect（1.N-effect）absorption cycle

基于中溫線性菲涅爾集熱器的太陽能利用系統(tǒng)建于廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，能夠?qū)崿F(xiàn)制冷、發(fā)電、儲熱、制取生活熱水等多項(xiàng)功能，集合了1. N 效吸收式制冷技術(shù)、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)、熔鹽相變蓄熱技術(shù)與板式換熱技術(shù)等，其工作原理如圖5所示。

圖5 太陽能跟蹤聚焦光熱系統(tǒng)Fig.5 Solar thermal power tracking and concentrating system

2.2 單效風(fēng)冷絕熱吸收閃蒸制冷機(jī)組

上海交通大學(xué)與山東祿禧新能源科技有限公司合作研發(fā)出一種單效風(fēng)冷絕熱吸收閃蒸制冷機(jī)組，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了吸收式制冷機(jī)組的小型化和風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并解決了風(fēng)冷散熱的高結(jié)晶風(fēng)險問題?？紤]到直膨式蒸發(fā)器不適合用于以水作為制冷劑的吸收式機(jī)組，為解決二次換熱損失引入絕熱閃蒸流程以提高蒸發(fā)溫度，從而提高風(fēng)冷溴化鋰吸收式循環(huán)制冷COPth，且節(jié)約了降膜蒸發(fā)器和冷劑水循環(huán)泵的設(shè)置而降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)在環(huán)境空氣溫度為29～35 ℃時可正常工作，COPth為0.64～0.76，可提供4.6～5.3 kW的制冷量［9］。

圖6 單效風(fēng)冷絕熱吸收閃蒸制冷循環(huán)原理Fig.6 Schematic of the air-cooled single effect absorption chiller with flash evaporator

2.3 采用除濕換熱器的連續(xù)型除濕空調(diào)系統(tǒng)

除濕換熱器是一種內(nèi)冷式除濕技術(shù)，通過在換熱器表面涂敷固體干燥劑的方式實(shí)現(xiàn)近似等溫除濕過程，克服除濕過程吸附熱效應(yīng)，降低再生熱量品位要求。Zhao 等［10］提出2 個除濕換熱器之間冷/熱水的自動切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)除濕/再生運(yùn)行，驗(yàn)證除濕換熱器技術(shù)的系統(tǒng)化和實(shí)用化設(shè)計(jì)，使用冷卻塔和太陽能集熱器分別提供除濕/再生過程的冷/熱水需求，通過風(fēng)道和水路切換實(shí)現(xiàn)除濕/再生模式的互相切換，系統(tǒng)原理如圖7 所示。系統(tǒng)平均除濕量和COPth分別可達(dá)到5.08 g/kg DA（g 水/kg 干空氣）和0.34 左右，該系統(tǒng)對熱水的溫度需求低至50 ℃左右，降低除濕空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源溫度。

圖7 采用除濕換熱器的連續(xù)型除濕系統(tǒng)原理Fig.7 Continuous dehumidification unit based on desiccant-coated heat exchanger

2.4 熱泵/太陽能驅(qū)動溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)

為提高吸收制冷系統(tǒng)對太陽能利用的靈活性與電能利用的經(jīng)濟(jì)性，學(xué)者提出一種由熱泵和太陽能共同驅(qū)動的溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)，循環(huán)原理如圖8 所示，通過溴化鋰溶液的濃度差儲能方式規(guī)避常規(guī)顯熱蓄能的熱損效應(yīng)。在太陽能條件良好時，多余的太陽能熱能以濃溶液與冷劑水的形式儲存，需釋冷時再通過冷劑水蒸發(fā)被濃溶液吸收；太陽能條件不佳時，由熱泵滿足吸收循環(huán)的發(fā)生熱量與冷凝排熱以進(jìn)行制冷或蓄冷，尤其對于夜間低谷電價時段，熱泵驅(qū)動具有更好的經(jīng)濟(jì)性。這種濃度差蓄能方式蓄能密度約為水蓄冷方式的13.4倍，即使考慮系統(tǒng)容積其蓄能密度也高于冰蓄冷系統(tǒng)［11］。

圖8 熱泵/太陽能驅(qū)動溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)Fig.8 LiBr-H2O concentration difference cold storage/cooling system driven by heat pump/solar energy

2.5 直膨式太陽能熱泵

直膨式太陽能熱泵主要由集熱/蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器與膨脹閥組成，將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器直接耦合，工質(zhì)通過在集熱/蒸發(fā)器中吸收太陽能和空氣能以提高蒸發(fā)溫度，可在太陽輻照下獲得比空氣源熱泵更好的供熱性能，直膨式太陽能熱泵原理如圖9所示?，F(xiàn)有的直膨式太陽能熱泵使用常規(guī)集熱/蒸發(fā)器表面溫度分布不均勻，過熱區(qū)域大，平均板溫與蒸發(fā)溫度的差值很大，冷媒在集熱/蒸發(fā)器中未能充分利用整板吸收的太陽能，陳道川［12］通過整板結(jié)構(gòu)及六邊形流道單元優(yōu)化提高均溫性并減小流道壓損，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證整板傳熱效果顯著提高，平均溫度略低于環(huán)境溫度，上海冬季白天良好工況下平均輻照度為732 W/m2、平均環(huán)境溫度為14 ℃時COPele為4.47。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的集熱/蒸發(fā)器已應(yīng)用于上海華漕養(yǎng)老院大型直膨式太陽能熱泵工程中，該工程設(shè)計(jì)制熱功率110 kW，為養(yǎng)老院提供全年生活熱水。相比常規(guī)太陽能集熱器陣列的集熱系統(tǒng)，直膨式太陽能熱泵可同時使用環(huán)境空氣熱量、太陽能熱量與電能3種能源驅(qū)動，在滿足相同生活熱水熱量需求時可使用更少的太陽能集熱面積，且供能穩(wěn)定性更優(yōu)。

圖9 直膨式太陽能熱泵原理Fig.9 Schematic of a DX-SAHP（direct expansion solar-assisted heat pump）

2.6 低溫型直膨式太陽能熱泵

常規(guī)直膨式太陽能熱泵在低溫工況下難以運(yùn)行，而低溫型直膨式太陽能熱泵通過將噴氣增焓循環(huán)與常規(guī)直膨式太陽能熱泵耦合，達(dá)到提升其低溫環(huán)境適應(yīng)性的作用，低溫型直膨式太陽能熱泵原理如圖10所示。環(huán)境溫度較高時，低溫型直膨式太陽能熱泵相比常規(guī)直膨式太陽能熱泵略有性能提升作用，但隨環(huán)境溫度下降性能提升比例逐漸增大，環(huán)境溫度降至-20 ℃時，低溫型直膨式太陽能熱泵COPele為2.51，常規(guī)直膨式太陽能熱泵COPele為1.35，該溫度下常規(guī)直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)效率極低，甚至無法正常運(yùn)行。此外，低溫型直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)在超低溫的夜晚工況下（環(huán)境溫度極低、無太陽輻照度），仍保證了較大的制熱能力且COPele>1.80，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)［12］。

圖10 低溫型直膨式太陽能熱泵原理Fig.10 Schematic of a low-temperature DX-SAHP

2.7 直膨式太陽能輔助PVT熱泵

PVT技術(shù)是一種利用集熱介質(zhì)冷卻光伏組件溫度從而提高光伏發(fā)電效率、同時回收廢熱用于滿足生活熱水或冬季供熱需求的太陽能綜合利用技術(shù)。區(qū)別于以水作為集熱介質(zhì)的PVT 技術(shù)，直膨式太陽能輔助PVT 熱泵使用制冷劑作為PVT 模塊的冷卻介質(zhì)，其蒸發(fā)過程對模塊散熱效果更優(yōu)。使用吹脹式冷板作為PVT 組件的冷卻板，由于增大了冷卻板與PV 板之間的換熱面積，其冷卻效果相比管板焊接式冷板更好，使得模塊熱效率和電效率得以提升。Yao 等［13］人對吹脹式冷板流道結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法研究流道內(nèi)兩相流動特性，提出降低壓損提高均溫性的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并對新設(shè)計(jì)所得吹脹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將該板型應(yīng)用于直膨式太陽能輔助PVT 熱泵，如圖11 所示。直膨式太陽能輔助PVT 熱泵可將光伏組件的工作溫度降低47.3 ℃，在上海夏季典型工況下可使光伏發(fā)電效率提升46.5%，平均發(fā)電效率和熱效率分別為16.7%和47.6%，可見其在太陽能高效利用、熱電聯(lián)產(chǎn)、建筑節(jié)能等方面具有極大的應(yīng)用潛力。

圖11 直膨式太陽能輔助PVT熱泵原理［13］Fig.11 Schematic of a direct-expansion solar-assisted PVT heat pump［13］

2.8 太陽能輔助單級氨水平衡式再吸收熱泵

傳統(tǒng)吸收式熱泵由溶液側(cè)半循環(huán)（發(fā)生器、吸收器）與冷劑側(cè)半循環(huán)（冷凝器、蒸發(fā)器）構(gòu)成完整熱泵循環(huán)，而再吸收熱泵與傳統(tǒng)吸收式熱泵差別在于其使用另一個溶液半循環(huán)（高壓吸收器、低壓發(fā)生器）替代傳統(tǒng)吸收式熱泵中的冷劑側(cè)半循環(huán)（冷凝器、蒸發(fā)器），由2個溶液半循環(huán)構(gòu)成吸收-再吸收熱泵循環(huán)，從而在同一供熱溫度下發(fā)生溫度相比傳統(tǒng)吸收式熱泵更低，相應(yīng)地其低溫環(huán)境適應(yīng)性也有所弱化。以往的非平衡式氨水再吸收循環(huán)中，為保持左右側(cè)半循環(huán)僅有氨蒸氣的質(zhì)量傳遞，必需在高壓發(fā)生器出口增設(shè)精餾器以分離氨蒸氣和水，而Jia等［14］人所構(gòu)建的平衡式再吸收熱泵循環(huán)，左右半循環(huán)之間同時存在氨蒸氣和氨水溶液的交換，因而節(jié)約了一個溶液循環(huán)泵與精餾器的設(shè)置，泵功減少且循環(huán)結(jié)構(gòu)也得以簡化，循環(huán)原理如圖12 所示，圖中Qhpa為高壓吸收器放熱量。平衡式再吸收熱泵循環(huán)的熱源溫度達(dá)到85 ℃即可正常運(yùn)行，與非平衡式再吸收熱泵循環(huán)相當(dāng)，顯著低于常規(guī)吸收式熱泵的驅(qū)動溫度（100 ℃），在同等環(huán)境溫度和供熱溫度條件下，非平衡式再吸收的COPth（1.357）低于平衡式再吸收熱泵循環(huán)COPth（1.442）。

圖12 單級氨水平衡式再吸收熱泵循環(huán)原理Fig.12 Cycle of a single-stage balanced ammonia-water absorption-resorption heat pump（ARHP）

2.9 基于GAX的兩級平衡多重回?zé)崾皆傥諢岜?/h3>

在單級平衡式再吸收熱泵循環(huán)的基礎(chǔ)上，增大壓差，引入由中壓發(fā)生器和中壓吸收器組成的中壓環(huán)節(jié)，可以構(gòu)建兩級再吸收熱泵循環(huán)，并通過結(jié)合GAX 內(nèi)部回?zé)峤Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高兩級循環(huán)COPth，其原理如圖13 所示，圖中Qmpg為中壓發(fā)生器吸熱量。不同于單級循環(huán)，兩級循環(huán)由于中間壓力級的存在，輸入驅(qū)動熱源同時為高壓發(fā)生器和中壓發(fā)生器提供驅(qū)動力產(chǎn)生氨蒸氣，低壓發(fā)生器則通過吸收周圍環(huán)境熱量完成發(fā)生過程，兩級循環(huán)供熱量由低壓吸收器、中壓吸收器和高壓吸收器3 部分吸收熱量組成。為通過循環(huán)內(nèi)部回?zé)崾沟蛪喊l(fā)生過程盡可能充分，低壓發(fā)生器被劃分為吸收環(huán)境空氣熱量的前段（低壓發(fā)生器1）和回收熱溶液顯熱的后段（低壓發(fā)生器2）。循環(huán)中GAX 內(nèi)部回?zé)岘h(huán)節(jié)體現(xiàn)在中壓發(fā)生器按驅(qū)動熱量來源劃分為低溫段與高溫段，高溫段使用外部輸入熱源，低溫段回收與低壓吸收器溫度重疊區(qū)段的出口溶液顯熱；同理，低壓吸收器低溫段作為對外供熱區(qū)段，高溫段則為GAX 環(huán)節(jié)的吸收器部分。兩級循環(huán)再吸收熱泵在驅(qū)動熱源溫度方面相比傳統(tǒng)再吸收循環(huán)（103 ℃）和單級循環(huán)（87 ℃）具有明顯優(yōu)勢，僅要求熱源溫度大于73 ℃，最大COPth可達(dá)1.45，且低溫環(huán)境適應(yīng)性（最低運(yùn)行環(huán)境溫度為-15.6 ℃）也優(yōu)于單級循環(huán)（最低運(yùn)行環(huán)境溫度為-5.8 ℃）［15］。

圖13 基于GAX的兩級平衡多重回?zé)崾皆傥諢岜醚h(huán)原理Fig.13 GAX-based two-stage balanced ARHP cycle with multiple heat recovery loops

2.10 再吸收與蒸汽壓縮耦合熱泵

盡管再吸收熱泵可在寒冷環(huán)境運(yùn)行，但要維持高效供暖需大幅提高驅(qū)動熱源溫度，傳統(tǒng)蒸汽壓縮熱泵的供暖穩(wěn)定性和低溫適應(yīng)性更優(yōu)，但需消耗大量電能。可通過結(jié)合再吸收熱泵循環(huán)與蒸汽壓縮熱泵循環(huán)兩者的優(yōu)勢，構(gòu)建可利用低品位太陽能熱驅(qū)動的再吸收與蒸汽壓縮耦合熱泵。

再吸收式與蒸汽壓縮式過冷卻耦合熱泵循環(huán)原理如圖14 所示，過冷卻耦合熱泵包含2 個子循環(huán)，即單級平衡式再吸收熱泵子循環(huán)與蒸汽壓縮式熱泵子循環(huán)。再吸收熱泵子循環(huán)的低壓發(fā)生器低溫段與蒸汽壓縮熱泵子循環(huán)的過冷器耦合，蒸汽壓縮熱泵子循環(huán)冷媒經(jīng)壓縮機(jī)增壓升溫，后在冷凝器中釋放高溫潛熱后進(jìn)入過冷器釋放高溫顯熱，為再吸收熱泵子循環(huán)提高低壓發(fā)生溫度，隨后進(jìn)入蒸發(fā)器中從環(huán)境空氣吸收熱量完成蒸汽壓縮熱泵子循環(huán)。循環(huán)供熱量由3 部分組成：再吸收子循環(huán)的低壓吸收器、高壓吸收器和蒸汽壓縮子循環(huán)的冷凝器。通過過冷卻耦合增加壓縮熱泵子循環(huán)的過冷度，可一定程度增強(qiáng)壓縮子循環(huán)低溫環(huán)境適應(yīng)性，再吸收子循環(huán)由于低壓發(fā)生溫度被提高至環(huán)境溫度以上，制熱性能和供熱量可分別提升5.7%和49.3%，且將熱驅(qū)動溫度降低至71.0 ℃。過冷卻循環(huán)相比常規(guī)空氣源熱泵的一次能源率利用率略有提升，設(shè)計(jì)工況下一次能源節(jié)約率達(dá)14.6%［16］。

圖14 單級平衡式再吸收與蒸汽壓縮式過冷卻耦合熱泵循環(huán)原理Fig.14 Cycle of a single-stage balanced resorption-sub-cooled compression hybrid heat pump

圖15 所示為單級平衡式再吸收與蒸汽壓縮式復(fù)疊耦合熱泵循環(huán)原理，與過冷卻耦合熱泵相同，循環(huán)中包含一個再吸收子循環(huán)和一個蒸汽壓縮式子循環(huán)。不同的是，復(fù)疊耦合熱泵中的壓縮子循環(huán)冷凝器的高溫潛熱不直接作為供熱量輸出，而是作為再吸收子循環(huán)的低壓發(fā)生所需熱量。因此，復(fù)疊耦合循環(huán)中再吸收子循環(huán)的低壓發(fā)生溫度運(yùn)行溫區(qū)相比過冷卻耦合循環(huán)更寬，通過降低壓縮子循環(huán)中壓縮機(jī)的壓比與功耗進(jìn)而提升供熱性能系數(shù)效果更為顯著；同時，再吸收子循環(huán)低壓發(fā)生溫度的提升使得其驅(qū)動熱源溫度的需求降低，循環(huán)供熱性能系數(shù)也得以提高。

圖15 單級平衡式再吸收與蒸汽壓縮式復(fù)疊耦合熱泵循環(huán)原理Fig.15 Cycle of a single-stage balanced resorption-steam compression cascade coupling heat pump

受壓縮機(jī)壓比實(shí)際運(yùn)行范圍限制，復(fù)疊耦合循環(huán)可將運(yùn)行蒸發(fā)溫度降至-35 ℃，驅(qū)動熱源溫度可降至66 ℃左右，這對于使用太陽能提供驅(qū)動熱源大有裨益，可解決冬季太陽能中溫集熱效率低下導(dǎo)致熱泵供熱性能與穩(wěn)定性較差的問題。復(fù)疊耦合循環(huán)的一次能源利用率在較高環(huán)境溫度下相比常規(guī)空氣源熱泵并不具備優(yōu)勢，隨環(huán)境溫度降低，常規(guī)空氣源熱泵由于壓比增大COPth急劇下降，復(fù)疊耦合循環(huán)的一次能源節(jié)約率才逐漸由負(fù)值提升為正值［17］。

2.11 雙熱源驅(qū)動的GAX氨水吸收式熱泵

雙熱源驅(qū)動的GAX 氨水吸收式熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)如圖16 所示。氨水溶液在發(fā)生器內(nèi)由外部熱源和內(nèi)部回?zé)醿刹糠旨訜?，外部熱源由天然氣和太陽能提供，?nèi)部回?zé)嵊砂l(fā)生器部分區(qū)段作為溶液顯熱回收區(qū)段實(shí)現(xiàn)。

圖16 雙熱源驅(qū)動的GAX氨水吸收式熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.16 Test system of the GAX ARHP driven by dual thermal sources

一方面，稀溶液離開發(fā)生器，并經(jīng)過一個節(jié)流閥成為低壓液體進(jìn)入吸收器。另一方面，解吸的蒸汽經(jīng)過精餾塔提純得到氨蒸氣，被冷凝下來的水回流到發(fā)生器。氨蒸氣離開精餾塔之后進(jìn)入冷凝器將熱量釋放到熱水循環(huán)并轉(zhuǎn)化為液氨。液氨在溶液熱交換器中與來自蒸發(fā)器的低溫低壓氨蒸氣換熱形成過冷液氨。在通過節(jié)流閥之后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收空氣中的熱能形成低溫低壓的氨蒸氣。經(jīng)過回?zé)岬牡蛪哼^熱氨蒸氣進(jìn)入吸收器與來自發(fā)生器的稀溶液相遇形成濃溶液，并且放出吸收熱。濃溶液經(jīng)過水冷吸收器釋放熱量給熱水循環(huán)，成為飽和液體，而后由溶液泵帶至精餾塔，吸收精餾塔的熱量之后經(jīng)過溶液冷卻吸收器得到進(jìn)一步的回?zé)?，最終回到精餾塔。系統(tǒng)的熱量由水冷吸收器和冷凝器2 部分提供。對該系統(tǒng)進(jìn)行3 種不同運(yùn)行模式的全天試驗(yàn)，即：雙能源驅(qū)動模式、太陽能驅(qū)動模式和液化石油氣驅(qū)動模式。平均環(huán)境溫度分別為17.52℃，20.00 ℃，8.77 ℃，3 種模式的平均一次能源利用率分別為1.54，1.63，1.32。在雙能源驅(qū)動模式下，太陽能保證率達(dá)到40.20%。在太陽能驅(qū)動模式下，制熱量達(dá)到額定制熱量（即太陽能保證率）的55.10%。系統(tǒng)的一次能源利用率（PEE）較低是由于液化石油氣燃燒產(chǎn)生的煙氣直接排放到環(huán)境中，其煙氣的損失達(dá)到19.25%～23.53%。而系統(tǒng)的制熱能效比COP在特定工況下能夠達(dá)到1.8以上［18］。

3 結(jié)束語

太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)是可再生能源與建筑用能需求緊密結(jié)合的綜合技術(shù)，在碳中和背景下具有極大的建筑用能減排潛力。

近年來，太陽能空調(diào)與熱泵技術(shù)主要聚焦于系統(tǒng)單一供能（供熱或制冷）上的能效提升與太陽能轉(zhuǎn)化效率，而忽視了建筑用能多樣性對系統(tǒng)供能的要求。未來的發(fā)展方向之一是太陽能空調(diào)與熱泵的供能多樣性及氣候適應(yīng)性上的推進(jìn)，利用太陽能滿足建筑夏季制冷、冬季供熱及全年生活熱水的用能需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全年利用太陽能高效供能，并進(jìn)一步縮小系統(tǒng)尺寸，降低初投資，通過模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)與建筑一體化相匹配，提高系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用的可行性。