空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的運行分析

梁琦 王卓

?摘 要 空氣能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，已廣泛應用于供熱裝置中?？諝庠礋岜米鳛橐环N將低能轉(zhuǎn)化為高能，即將空氣能轉(zhuǎn)化為熱能的節(jié)能裝置，受到國內(nèi)外學者的高度關注。負荷頻率法通常用于比較托盤式空氣熱泵供暖系統(tǒng)與由不同輔助熱源加熱的復合系統(tǒng)的能耗和熱源利用效率。人們發(fā)現(xiàn)，當溫度非常低時，空氣熱泵很容易受到環(huán)境的影響。

關鍵詞 空氣源熱泵 相變儲能 儲能除霜 經(jīng)濟性 環(huán)保性

中圖分類號：TK02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）05-0007-03

空氣源熱泵是使用環(huán)境空氣制冷和取暖等外部熱源的供熱和制冷及低溫熱能轉(zhuǎn)換中的熱能高的電能來控制工作材料的熱循環(huán)制冷的空氣調(diào)節(jié)?？諝庠礋岜脧V泛應用于辦公樓、賓館、工廠及各類住宅建筑?？諝庠礋岜脵C組占建筑空調(diào)的45%以上。空氣源熱泵機組部分負荷為45%～70%，機組性能系數(shù)高;當部分負載小于45%或大于70%時，機組性能系數(shù)顯著降低。因此必須對其進行調(diào)整，以致熱泵裝置滿負荷或部分負荷與性能系數(shù)高，這有利于發(fā)揮績效目標股的工作量熱泵性能系數(shù)，實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的改進。

1 空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的原理及其組成

空氣源相變儲能復合熱泵系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)運行時，通過一級熱泵（空氣源熱泵）將低溫循環(huán)工質(zhì)溫度提升至23℃左右;升溫后的循環(huán)工質(zhì)通過相變儲能箱進行恒溫調(diào)節(jié)，在此過程中將循環(huán)工質(zhì)中多余的熱量儲存在相變儲能箱中，為二級熱泵提供20℃左右的熱源;然后，二級熱泵將循環(huán)工質(zhì)溫度提升至60℃以上，升溫后的循環(huán)工質(zhì)將熱量傳遞給末端循環(huán)水，使循環(huán)水溫度升高至60℃左右;最后，系統(tǒng)將60℃的高溫循環(huán)水傳遞給用戶末端供用戶使用。

1.一級熱泵工作原理為制冷劑通過蒸發(fā)器從空氣中吸收熱量，形成低溫低壓的氣體，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在冷凝器中放熱，將熱量傳遞給低溫循環(huán)工質(zhì)，冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次進入蒸發(fā)器吸熱，如此往復循環(huán)。

2.相變儲能箱的工作原理為從一級熱泵冷凝器中吸熱升溫的低溫循環(huán)工質(zhì)，經(jīng)過閥門進入相變儲能箱中進行恒溫調(diào)節(jié)。當進入相變儲能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度低于23℃時，相變儲能箱中的無機相變材料放熱，低溫循環(huán)工質(zhì)吸熱;當進入相變儲能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度高于23℃時，低溫循環(huán)工質(zhì)放熱，將多余的熱量儲存在相變儲能箱中，為二級熱泵提供恒定的熱源。此外，在一級熱泵除霜期間，相變儲能箱為一級熱泵提供低溫熱源，使系統(tǒng)實現(xiàn)高效除霜，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

3.二級熱泵的工作原理為蒸發(fā)器中的制冷劑吸收低溫循環(huán)工質(zhì)的熱量，形成低溫低壓的氣體;低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑通過冷凝器放熱，將熱量傳遞給用戶末端的循環(huán)水，使循環(huán)水溫度升高至60℃左右，冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次回到蒸發(fā)器中吸熱，如此往復循環(huán)。

2 空氣熱泵的分類

2.1 雙蒸發(fā)器型

雙蒸發(fā)器型是目前最常見的雙源熱泵系統(tǒng)，蒸發(fā)器由兩個介質(zhì)換熱器組合而成，復合熱源分別為空氣和淺層地能，工質(zhì)可以通過兩種不同形式的蒸發(fā)器，分別與兩種熱源的熱媒進行獨立的熱交換。其工作原理為：將空氣源熱泵系統(tǒng)和水地源熱泵系統(tǒng)進行結合，并共用系統(tǒng)的冷凝器、壓縮機和蒸發(fā)器，將空氣源與地源結合在一起，根據(jù)冬夏季不同工況切換兩種熱泵的使用模式。

雙蒸發(fā)器型雙源熱泵的實際應用性需要進行測試分析，進一步分析其在各個地區(qū)的推廣適用性。某學者測試了空氣源輔熱的雙源熱泵對土壤熱不平衡率的影響，得出當空氣源輔熱采用“過渡季節(jié)補熱、供暖季優(yōu)先”運行策略時，可有效降低地源熱泵取熱量。某學者基于某綠色辦公建筑，對比分析了土壤源熱泵單獨運行和雙源熱泵運行時供回水溫度、換熱量和性能系數(shù)以及能耗的差異。某學者測算出雙源熱泵全年EER（系統(tǒng)能效系數(shù)）為傳統(tǒng)空氣源熱泵+燃氣鍋爐方案的兩倍之多。以上案例均顯現(xiàn)出通過不同的運行策略，雙源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的應用前景。

2.2 復合蒸發(fā)器型

復合蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)用一個三介質(zhì)換熱器替代兩個單獨的換熱器，既能實現(xiàn)單一熱源換熱，也可以實現(xiàn)空氣和水兩種非同態(tài)熱源與制冷劑同步換熱。復合熱源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的核心設備是三介質(zhì)復合式換熱器，復合熱源大多為太陽能、淺層地能、廢熱和空氣，其中制冷劑可以通過三介質(zhì)復合式蒸發(fā)器，同步或交替與兩種熱源進行熱交換。工作時，將地下埋管換熱器中的熱媒水送至空氣-地源雙熱源復合換熱器，同時開啟復合換熱器水側的閥門和空氣側風機的開關，形成空氣-地源雙熱源復合供熱，通過進入的水提高熱泵系統(tǒng)的制熱量。

復合換熱器型雙源熱泵系統(tǒng)的性能分析，可以從土壤熱平衡性、系統(tǒng)COP、經(jīng)濟性等方面研究。某學者提出以土壤熱平衡為基準，綜合考慮土壤熱不平衡和空氣源熱泵的運行特性，確定了復合換熱器中兩種熱源最佳復合溫度的方法，證明了空氣-土壤源雙熱源熱泵比單一的土壤源熱泵系統(tǒng)運行更穩(wěn)定且COP更高，能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的長期高效運行。某學者從系統(tǒng)COP的角度，得到該系統(tǒng)可解決低溫環(huán)境下單一空氣源熱泵制熱量不足、能效比顯著下降的結論。但是，該測試僅從提升空氣源熱泵性能的角度分析，沒有針對單一（水）源模式進行數(shù)據(jù)采集，無法綜合得出系統(tǒng)優(yōu)越性的結論。某學者的實驗顯示，蒸發(fā)器進風溫度和進水溫度的有效溫差是空氣-水雙熱源模式中制熱的關鍵因素，但是并沒有給出最佳有效溫差控制范圍。對此，某學者通過結合室外空氣溫度、室外空氣流量、水側溫度和水側流量，提供了不同條件下，計算復合供熱模式有效溫差的方法，確定了熱源工作模式合理的工作溫度范圍。455B36CD-4520-458B-A52A-A8DF97DC5278

對復合換熱器型的雙源熱泵而言，仍存在需要解決和討論的問題，如溫差較大的兩種熱源混合引起的熵產(chǎn)、結構復雜造價偏高、維護管理成本偏大等問題。復合式換熱器的兩種介質(zhì)處于同一蒸發(fā)溫度，在低溫環(huán)境下，空氣介質(zhì)通道蒸發(fā)能力減弱，不僅無法吸收空氣中的熱量，甚至會惡化水介質(zhì)通道的蒸發(fā)吸熱，所以復合式換熱器形式的雙源熱泵不適合嚴寒地區(qū)[2]。

3 生物質(zhì)耦合發(fā)電技術

3.1 熱泵系統(tǒng)熱風風量的影響

熱泵系統(tǒng)參數(shù)隨熱風風量的變化，在熱風風量逐漸增加時，系統(tǒng)的制熱量先增加后趨于穩(wěn)定，壓縮機的功耗在增加，這是因為風速較小時，在過熱區(qū)還來不及蒸發(fā)的液態(tài)制冷劑進入兩相區(qū)，由于兩相區(qū)所占比例更大，在風速增大的過程中液態(tài)制冷劑在兩相區(qū)域內(nèi)得到完全蒸發(fā)換熱，因此在風量剛開始增大時蒸發(fā)器側的換熱良好。在風速持續(xù)變大的過程中，過熱區(qū)長度增大，同時兩相區(qū)長度減小，這促使在過熱區(qū)中大部分液態(tài)制冷劑被蒸發(fā)，雖然蒸發(fā)器側的傳熱系數(shù)增大，但是換熱量卻基本維持不變。因此，系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，存在一個最大值。增大熱風風量時壓縮機的功耗增大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，但系統(tǒng)的制熱量先增加較快，后基本保持不變，綜合考慮系統(tǒng)的制熱量和壓縮機功耗以及COP，得出熱風風量控制在5000m3/h以內(nèi)時系統(tǒng)的各項參數(shù)較佳，而不是越大越好，較大的風速也會使風機發(fā)出的噪聲更大。系統(tǒng)的排氣溫度和熱風風量呈正相關，偏差基本保持在 10%以內(nèi)。

3.2 多源耦合熱泵循環(huán)

空氣源熱泵空調(diào)在嚴寒地區(qū)的應用受到限制，存在低溫適應性差和負荷匹配性問題，而與其他可再生能源熱泵相結合，采用多源耦合的熱泵可彌補單一空氣源熱泵空調(diào)的不足，獲得高效復合熱泵系統(tǒng)。太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能為蒸發(fā)器提供熱源，只能在白天間歇性工作，空氣源-太陽能復合熱泵可持續(xù)供熱，實現(xiàn)高效運行。采用雙套管蒸發(fā)器，太陽能熱水流經(jīng)內(nèi)管，制冷劑在內(nèi)外管之間的環(huán)形通道流動，外管則從空氣中吸收熱量，實現(xiàn)太陽能、空氣熱能與制冷劑同時換熱，該系統(tǒng)的熱效率高于傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)。新型的太陽能輔助空氣源復合熱泵，在室外溫度為-7℃時，復合熱泵較單一空氣源熱泵空調(diào)制熱量提高約24%，能效提高25%以上。地源熱泵將地下淺層土壤的熱能作為熱源，是一種高效、節(jié)能的熱泵系統(tǒng)，但長期不間斷運行會導致土壤出現(xiàn)取排熱失衡等問題，空氣源-地源復合熱泵可減小埋管面積，降低成本。將傳統(tǒng)的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結合，作為空氣-地源雙熱源熱泵系統(tǒng)的復合換熱器，實現(xiàn)了不同熱源在同一換熱器中與制冷劑同時進行換熱。

3.3 生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵聯(lián)合供暖

我國的資源儲備十分豐富，尤其生物質(zhì)能源數(shù)量很大，有很高的利用潛能。我國目前生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)換為能源的潛力約5億t標準煤[3]，今后隨著造林面積的擴大和經(jīng)濟社會的發(fā)展，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)換為能源的潛力可達10億t標準煤。目前，使用生物質(zhì)能源的方法有以下幾點：（1）通過生物質(zhì)進行發(fā)電。2020年通過生物質(zhì)的發(fā)電量為510億kW時，利用生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)很普遍了。（2）生物質(zhì)成型燃料。我國2020年使用生物質(zhì)成型燃料的總量約為5000萬t，這些燃料大多使用在城鎮(zhèn)采暖或者工業(yè)上的供熱等方面。（3）生物質(zhì)氣體。2020 年，我國的沼氣年產(chǎn)量約為190億m3，大部分都用于各個家庭，約4000萬戶。美國、丹麥、挪威的生物質(zhì)能源的利用情況都非常好，在這三個國家，將生物質(zhì)作為能源占總能源的比例分別是5%、17%、15%。在美國市場上，有一些使用生物質(zhì)顆粒作為燃料的取暖爐，已經(jīng)在很多家庭使用起來了。與其他國家相比，歐盟在生物質(zhì)能源方面的科技水平非常高，發(fā)展得也很快，現(xiàn)在已經(jīng)十分完善了。歐洲在采暖方面，利用生物質(zhì)能源的采暖量大概為總采暖量的 12% 。鍋爐熱損失最大的是排煙熱損失，所以如果可以盡可能地回收煙氣的熱量，便可以很大程度上提高鍋爐的制熱效率。而空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的制熱效率不高，且容易結霜，使設備壽命縮短，兩種供暖方式都有缺點，可以將鍋爐的排煙熱量利用起來給空氣源熱泵進行預熱，不僅回收了鍋爐的排煙熱損失，又能防止蒸發(fā)器結霜，還可以提高整體系統(tǒng)的供暖效率，從而使兩種供暖方式的缺點互補。

4 蓄熱運行策略優(yōu)化

4.1 相變蓄能模塊性能分析

選取晴天工況下進行整機模擬運行，在15：00-18：00共3h系統(tǒng)不間斷運行向相變蓄能換熱器提供熱量，通過實驗數(shù)據(jù)得出，從15：00開始相變材料內(nèi)部溫度呈逐步上升趨勢，直至15：45接近相變溫度點23℃，這一階段是相變材料的蓄熱過程，且蓄熱速度大于取熱速度，內(nèi)部相變材料進行顯熱蓄能;15：45-17：10之間相變材料內(nèi)部溫度一直維持在約23℃，此時相變材料溫度已達到其相變點，熱量開始轉(zhuǎn)化為潛熱存儲在相變蓄能換熱器中;17：10后相變材料的溫度又開始呈上升趨勢，這一階段表示相變潛熱蓄能已接近飽和狀態(tài)，且蓄熱速度仍然大于取熱速度，又開始顯熱蓄能，直到18：00相變蓄能換熱器容量儲存結束。此后相變蓄能換熱器主要起到調(diào)節(jié)中間溫度的作用，使二級熱泵始終在高效區(qū)穩(wěn)定工作，并在極端工況下釋放熱量，能滿足用戶至少2h需熱量。

4.2 系統(tǒng)在陰雨雪工況下制熱量與耗熱量

選取陰雨雪天氣工況進行測試，平均溫度僅為-7℃，最低溫度達到-10℃，最高溫度僅為-3℃，且溫度波動較大，最大溫差達到10℃。同時室外的相對濕度也相對較高，全天中約有20h的空氣相對濕度超過65%，空氣源熱泵室外機易結霜，對于空氣源熱泵的運行會產(chǎn)生較大影響。

5 結語

本系統(tǒng)主要針對空氣源復疊式相變蓄能熱泵供暖系統(tǒng)進行試驗測試，試驗表明：

1.系統(tǒng)在晴天工況下運行時，在滿足室內(nèi)20℃供暖要求時，能在供暖負荷較低的情況下將空氣能進行相變蓄能儲存;系統(tǒng)的瞬時COP值始終處于較高的

水平。

2.系統(tǒng)在陰雨雪天氣工況運行時，相較于晴天時COP值有大幅下降，但相對于傳統(tǒng)的供暖方式，此系統(tǒng)具有波動幅度小、供暖舒適性優(yōu)越且經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

3.綜合在兩個典型工況下系統(tǒng)的運行狀況可知，系統(tǒng)運行制熱量大于耗熱量，且在更低的蒸發(fā)溫度情況下具有良好的除霜性能，有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵頻繁除霜的低效性。

參考文獻：

[1] 曹穎.信息化背景下談低溫空氣源熱泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科學與信息化，2017（14）：71-72.

[2] 金磊，何永寧，楊東方，等.CO2熱泵在低溫寒冷地區(qū)供暖應用的研究分析[J].流體機械，2015，43（09）：67-72.

[3] 楊永安，李瑞申，李坤，等.采用R410A單一工質(zhì)的復疊式空氣源熱泵[J].化工學報，2020，71（04）：1812-1821.455B36CD-4520-458B-A52A-A8DF97DC5278