基于鹽溶液儲(chǔ)能的熱回收型熱泵系統(tǒng)特性研究

摘 要：提出一種基于鹽溶液儲(chǔ)能的熱回收型熱泵（SEHHP）系統(tǒng)，由熱回收型壓縮熱泵子系統(tǒng)和鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)組成，夜間電力低谷時(shí)段利用富裕電能驅(qū)動(dòng)熱泵子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鹽溶液與相變材料耦合儲(chǔ)存熱能，白天供熱時(shí)段，電能驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵子系統(tǒng)與鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)構(gòu)成熱泵復(fù)疊循環(huán)制取供熱量，從而有效降低社會(huì)用電高峰期供熱的電力消耗。建立SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，評(píng)估SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)制熱性能與經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明：SEHHP系統(tǒng)的制熱性能與經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于相變儲(chǔ)能空氣源熱泵（PEAHP）系統(tǒng)，其日能耗比PEAHP系統(tǒng)降低34.18%。與PEAHP系統(tǒng)相比，SEHHP系統(tǒng)的綜合制熱性能系數(shù)（CCOP）提高52.20%，而其費(fèi)用年值降低9.23%。該系統(tǒng)適用于電力峰谷差大的供熱地域或場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞：熱回收；熱泵；溶液儲(chǔ)能；性能系數(shù)；經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號(hào)：TK51 " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

減小電力負(fù)荷，緩解電網(wǎng)壓力是迫切需要解決的問題［1］。為減少熱泵在建筑供熱中的電力負(fù)荷占比，儲(chǔ)能技術(shù)成為供冷供熱領(lǐng)域可利用的手段［2］。

改善儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)/釋熱效率有助于提升熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱性能，因此被應(yīng)用到不同系統(tǒng)中。方桂花等［3］通過模擬和實(shí)驗(yàn)研究了影響球形相變單元蓄熱的影響因素以提高裝置蓄熱效率；陳海飛等［4］通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能空氣源熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的性能；趙洪運(yùn)等［5］研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速制熱和除霜；王彥龍等［6］通過實(shí)驗(yàn)研究了將相變蓄能裝置作為復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)高溫級(jí)蒸發(fā)器時(shí)不同天氣工況下系統(tǒng)的性能，其均優(yōu)于單級(jí)空氣源熱泵系統(tǒng)；巫江虹等［7］通過實(shí)驗(yàn)研究將相變材料應(yīng)用于太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)端時(shí)，在冬季極端天氣下的儲(chǔ)能和釋能特性。相比之下，熱化學(xué)儲(chǔ)能可彌補(bǔ)顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能的密度低的弊端。Rizza ［8］采用R-123制冷系統(tǒng)作為溴化鋰吸收儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，將兩系統(tǒng)耦合解決電力負(fù)荷問題；曹藝飛等［9］研究了電壓縮制冷循環(huán)與溴化鋰吸收系統(tǒng)復(fù)疊時(shí)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

綜上，傳統(tǒng)熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量利用效率尚有進(jìn)一步提升空間。為此，本文提出基于鹽溶液儲(chǔ)能的熱回收型熱泵系統(tǒng)，研究新系統(tǒng)穩(wěn)定工況以及典型日變化工況下的逐時(shí)制熱性能，并評(píng)估新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 工作原理

圖1為基于鹽溶液儲(chǔ)能的熱回收型熱泵（solution-based energy-storage heat-recovery heat pump， SEHHP）系統(tǒng)原理，該熱泵系統(tǒng)包括鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)和空氣源熱泵子系統(tǒng)。選擇溴化鋰水溶液為鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)工質(zhì)，制冷劑R134a為空氣源熱泵子系統(tǒng)工質(zhì)。在儲(chǔ)熱階段和釋熱階段，鹽溶液分別經(jīng)歷低壓濃縮過程與高壓稀釋過程，相變儲(chǔ)能換熱器中相變材料分別經(jīng)歷融化過程與凝固過程。SEHHP系統(tǒng)的熱力過程線如圖2所示。

在儲(chǔ)熱階段，鹽溶液儲(chǔ)熱子系統(tǒng)與空氣源熱泵子系統(tǒng)同時(shí)工作，但空氣源蒸發(fā)器停止工作，其中空氣源熱泵子系統(tǒng)由壓縮機(jī)、四通換向閥、溶液發(fā)生器、相變儲(chǔ)能換熱器、熱力膨脹閥1和蒸發(fā)冷凝器組成制熱循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存。如圖2所示，制冷劑R134a在冷凝壓力下由高壓過熱制冷劑蒸汽2，經(jīng)溶液發(fā)生器、相變儲(chǔ)能換熱器冷凝為高壓飽和液態(tài)制冷劑3，然后經(jīng)過熱力膨脹閥1節(jié)流降壓成低壓低溫氣液兩相制冷劑蒸汽4并在蒸發(fā)冷凝器中蒸發(fā)為低壓飽和氣態(tài)制冷劑1，進(jìn)入壓縮機(jī)升溫升壓為高壓過熱制冷劑蒸汽后重新進(jìn)入溶液發(fā)生器、相變儲(chǔ)能換熱器進(jìn)行下一次循環(huán)。并且R134a蒸汽通過溶液發(fā)生器提供冷凝熱實(shí)現(xiàn)溴化鋰水溶液的組分分離為制冷劑水蒸汽5與濃縮的溴化鋰水溶液b，其中制冷劑水蒸汽5通過蒸發(fā)冷凝器被冷凝為液態(tài)冷劑水6儲(chǔ)存于冷劑水儲(chǔ)罐中，溴化鋰水溶液b則儲(chǔ)存于鹽溶液儲(chǔ)罐中，其余R134a蒸汽的冷凝熱則通過相變儲(chǔ)能換熱器加熱相變材料以熱能的形式儲(chǔ)存起來。

在釋熱階段，首先是相變儲(chǔ)能釋熱階段，然后是鹽溶液釋熱階段。在相變儲(chǔ)能釋熱階段，空氣源熱泵子系統(tǒng)不工作，50 ℃的供熱回水進(jìn)入相變儲(chǔ)能換熱器吸收相變材料凝固熱，將回水加熱至60 ℃，在鹽溶液釋熱階段，空氣源熱泵子系統(tǒng)與鹽溶液釋熱子系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器組成復(fù)疊循環(huán)，由壓縮機(jī)、四通換向閥、蒸發(fā)冷凝器、熱力膨脹閥2和空氣源蒸發(fā)器組成空氣源熱泵子系統(tǒng)。如圖2所示，在釋熱階段空氣源蒸發(fā)器從環(huán)境中取熱將低壓氣液兩相R134a制冷劑3″蒸發(fā)為低壓飽和氣態(tài)制冷劑蒸汽2，進(jìn)入壓縮機(jī)升溫升壓為高壓的過熱制冷劑蒸汽1，并在蒸發(fā)冷凝器中冷凝為高壓飽和液態(tài)制冷劑4，其冷凝熱提供冷劑水變成水蒸汽7所需的熱量，鹽溶液儲(chǔ)罐的溴化鋰水溶液b吸收水蒸氣7所釋放吸收熱經(jīng)溶液冷卻器將供熱水50 ℃加熱至60 ℃，而高壓飽和液態(tài)制冷劑4則經(jīng)過熱力膨脹閥2節(jié)流降壓為低壓氣液兩相制冷劑3″重新進(jìn)入空氣源蒸發(fā)器進(jìn)行下一次循環(huán)。該系統(tǒng)通過儲(chǔ)熱階段與釋熱階段實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與供給，在電力峰值時(shí)段提供60 ℃熱水用于供熱。

還要說明的是，作為比較對(duì)象的相變儲(chǔ)能空氣源熱泵（phase-change energy-storage air-source heat pump， PEAHP）系統(tǒng)由空氣源熱泵子系統(tǒng)和相變儲(chǔ)熱槽構(gòu)成。通過將相變儲(chǔ)熱槽與空氣源熱泵子系統(tǒng)的冷凝器耦合運(yùn)行，利用相變材料的融化與凝固過程實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)移。其中，空氣源熱泵子系統(tǒng)僅在儲(chǔ)熱階段運(yùn)行。在儲(chǔ)熱階段，利用相變材料的熔化過程儲(chǔ)存空氣源熱泵子系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷凝熱；在釋熱階段，利用相變材料的凝固過程釋放熱量，用于制取用戶端60 ℃的熱水。對(duì)于相變材料的換熱過程，其在儲(chǔ)熱階段利用空氣源熱泵子系統(tǒng)冷凝溫度與相變材料溫度之差進(jìn)行相變材料的融化過程，在釋熱階段則利用相變材料溫度與用戶端熱水溫度之差進(jìn)行相變材料的凝固過程，在兩個(gè)階段均依次經(jīng)歷顯熱換熱、潛熱換熱和顯熱換熱這3個(gè)過程。

2 熱力學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

假設(shè)SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)模型滿足以下條件：1）不考慮部件與外界環(huán)境熱量交換；2）鹽溶液循環(huán)泵的泵功忽略不計(jì)；3）空氣源蒸發(fā)器出口、蒸發(fā)冷凝器出口、相變儲(chǔ)能換熱器出口的制冷劑為飽和狀態(tài)；4）各換熱部件夾點(diǎn)溫差為5 ℃；5）節(jié)流過程前后制冷劑焓不變；6）空氣源熱泵子系統(tǒng)壓縮機(jī)的指示效率根據(jù)文獻(xiàn)［10］計(jì)算[ηis=0.874-0.0135Po/Pi]。

遵循能量守恒與質(zhì)量守恒，系統(tǒng)各部件的質(zhì)量守恒方程為：

[miXi-moXo=0] （1）

式中：[m]——部件質(zhì)量流量，kg/s；[X]——鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；下標(biāo)i——部件的入口；下標(biāo)o——部件的出口。

各部件的能量守恒方程為：

[Q+W+mihi-moho=0] （2）

式中：[Q]——部件吸收的熱量，kW；[W]——部件的能耗，kW；[h]——部件內(nèi)流體工質(zhì)焓，kJ/kg。

在定初始鹽溶液濃度、鹽溶液濃度差的條件下，鹽溶液的質(zhì)量根據(jù)溶液冷卻器在釋熱階段所需承擔(dān)用戶端供熱量可以確定。由于儲(chǔ)熱階段溶液發(fā)生器、相變儲(chǔ)能換熱器作為空氣源熱泵子系統(tǒng)的冷凝器，其冷凝熱用于鹽溶液的分離與相變材料的融化，實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)能換熱器的相變儲(chǔ)熱量與溶液發(fā)生器的發(fā)生熱之和等于空氣源熱泵子系統(tǒng)的冷凝器中R134a蒸汽的冷凝熱。因此，根據(jù)相變材料的相變儲(chǔ)熱量可獲得相變材料的質(zhì)量。根據(jù)上述建立新系統(tǒng)的熱力學(xué)模型如表1所示。

將逐時(shí)性能系數(shù)（HCOP）定義為儲(chǔ)熱階段儲(chǔ)熱功率或釋熱階段制熱功率與逐時(shí)壓縮機(jī)能耗之比，日性能系數(shù)（CCOP）定義為全天總供熱功率與壓縮機(jī)總能耗之比，儲(chǔ)熱密度（ESD）定義為全天總儲(chǔ)熱功率與總儲(chǔ)熱容積之比。

[δCCOP=（Qabs+Qpcm）Wcom] （3）

[δESD=（Qabs+Qpcm）VLiBr+Vw+Vpcm] （4）

式中： [Qabs]——釋熱階段溶液冷卻器的逐時(shí)供熱功率，kW；[Qpcm]——釋熱階段相變儲(chǔ)能換熱器的逐時(shí)供熱功率，kW；[Wcom]——壓縮機(jī)的逐時(shí)能耗功率，kW；[VLiBr]——鹽溶液儲(chǔ)罐的容積，m3；[Vw]——冷劑水儲(chǔ)罐的容積，m3；[Vpcm]——相變儲(chǔ)能換熱器中相變材料的容積，m3。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)模型，采用Visual C++模擬新系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。其空氣源熱泵子系統(tǒng)在冷凝溫度313 K、蒸發(fā)溫度263 K、制冷功率50 kW的工況下，與文獻(xiàn)［11］的空氣源熱泵系統(tǒng)模型相比最大誤差為0.057%；鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)在制冷功率為57.41 kW、蒸發(fā)溫度為283 K、冷凝溫度為313 K、發(fā)生溫度為363 K的工況下，與文獻(xiàn)［11］的吸收熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)模型相比最大誤差為0.097%。因此，本文所建熱力學(xué)模型適用于SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)性能評(píng)估。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述所建系統(tǒng)熱力學(xué)模型，在用戶端50 ℃/60 ℃的熱水需求下，選擇相變材料為某公司產(chǎn)品RT65，其物理性質(zhì)：相變溫度65 ℃，密度780 kg/m3，比熱2 kJ/（kg·K），相變潛熱150 kJ/kg。在稀溶液濃度和溫度分別為50%、60 ℃以及濃溶液濃度和溫度分別為55%、65 ℃的條件下研究SEHHP系統(tǒng)熱力學(xué)性能。

3.1 穩(wěn)定工況熱力學(xué)性能評(píng)估

穩(wěn)定工況下，用戶端熱負(fù)荷恒定為300 kW，儲(chǔ)熱時(shí)間為8 h，釋熱時(shí)間為10 h，室外環(huán)境溫度為[-10 ℃]。在儲(chǔ)熱狀態(tài)，無論是SEHHP系統(tǒng)還是PEAHP系統(tǒng)，空氣源熱泵子系統(tǒng)冷凝溫度設(shè)定在70 ℃。經(jīng)過熱力學(xué)模擬，所獲得兩種系統(tǒng)在儲(chǔ)熱和釋熱狀態(tài)熱力學(xué)參數(shù)如表2所示。

在儲(chǔ)熱狀態(tài)，SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度為26.66 ℃，而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度為[-15 ℃]。因此，在儲(chǔ)熱狀態(tài)下與PEAHP系統(tǒng)相比，SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)逐時(shí)能耗降低64.67%，且其HCOP增加2.92。經(jīng)歷8 h儲(chǔ)熱和10 h釋熱過程（一個(gè)周期）后，SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)總能耗比PEAHP系統(tǒng)降低31.63%，而SEHHP系統(tǒng)的CCOP比PEAHP系統(tǒng)提升45.70%， 相應(yīng)的SEHHP系統(tǒng)的ESD也比PEAHP系統(tǒng)增大1.08倍。原因在于：一方面，在儲(chǔ)熱狀態(tài)下SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度高于PEAHP系統(tǒng)，前者壓縮機(jī)的壓縮比為3.0，而后者壓縮機(jī)的壓縮比為12.89，因此SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)能耗顯著降低，且其HCOP也遠(yuǎn)高于PEAHP系統(tǒng)；另一方面，盡管SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)在釋熱階段的部分時(shí)段運(yùn)行，而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)在釋熱階段始終不運(yùn)行，但SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)的壓縮比僅為6.25，其在較低壓縮比條件下壓縮機(jī)能耗較低且HCOP較高，而且SEHHP系統(tǒng)先由相變材料儲(chǔ)存的熱能提供加熱量時(shí)間為1.12 h，這個(gè)階段是不消耗電能的，然后又減少了壓縮機(jī)總能耗。

因此，一個(gè)周期內(nèi)，從能耗、CCOP和ESD綜合評(píng)價(jià)，SEHHP系統(tǒng)比PEAHP系統(tǒng)具有更好的制熱性能。此外，SEHHP系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)周期后，冷劑水儲(chǔ)罐的水量仍剩余462.49 kg，所以從系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行的角度評(píng)價(jià)，SEHHP系統(tǒng)也比PEAHP系統(tǒng)具有更大節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

3.2 變工況熱力學(xué)性能評(píng)估

為研究SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)制熱特性，以位于鄭州市某辦公樓建筑作為供熱對(duì)象，以SEHHP系統(tǒng)作為該辦公建筑的熱源。建筑面積3976.56 m2。結(jié)合鄭州市電力峰谷時(shí)段，儲(chǔ)熱時(shí)段為23：00—07：00，共計(jì)8 h；釋熱時(shí)段為08：00—18：00，共計(jì)10 h。供暖季為11月15日—次年3月15日，選擇1月7日作為典型日，并利用Dest軟件模擬該建筑逐時(shí)熱負(fù)荷。下面評(píng)估SEHHP和PEAHP兩種系統(tǒng)的逐時(shí)熱力學(xué)特性。

圖3為某辦公建筑的逐時(shí)室外溫度與逐時(shí)建筑熱負(fù)荷變化曲線。逐時(shí)建筑熱負(fù)荷與逐時(shí)室外溫度呈負(fù)相關(guān)變化，釋熱（供熱）時(shí)段08：00—18：00，室外溫度先增加后減少，在15：00達(dá)到最大值2.5 ℃，而逐時(shí)建筑熱負(fù)荷則先減少后增加，在15：00室外達(dá)到最低值122.17 kW，釋熱階段累計(jì)供熱量6503004? kJ。

此外，在儲(chǔ)熱時(shí)段，即從1月6日23：00逐漸推移到1月7日07：00，室外溫度在[-8.4～-4.9 ℃]變化，總體上呈逐漸下降趨勢(shì)，中間呈鋸齒形變化，SEHHP系統(tǒng)與室外空氣之間無熱交換，因此其HCOP恒定不變，然而PEAHP系統(tǒng)通過空氣源蒸發(fā)器從室外吸收熱量，因此隨室外溫度降低，蒸發(fā)壓力下降，壓縮機(jī)的壓縮比增加，其逐時(shí)能耗增加，且其HCOP逐漸下降。在釋熱時(shí)段，即從08：00—18：00，室外溫度在[-8.7～2.5 ℃]變化，呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，SEHHP系統(tǒng)通過空氣源蒸發(fā)器從室外吸收熱量，因此其壓縮機(jī)能耗和HCOP受室外溫度影響，但PEAHP系統(tǒng)僅通過相變材料釋放供熱量，故不受室外溫度影響?？梢姡琒EHHP系統(tǒng)性能在釋熱階段受室外溫度制約，而PEAHP系統(tǒng)性能在儲(chǔ)熱階段受室外溫度制約。

圖4為SEHHP和PEAHP兩種系統(tǒng)的逐時(shí)能耗變化曲線。儲(chǔ)熱階段，SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)能耗保持52.96 kW不變，而PEAHP系統(tǒng)的逐時(shí)能耗緩慢增加。這是因?yàn)樵趦?chǔ)熱階段兩種系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的冷凝溫度均恒定為70 ℃，SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器吸收水蒸氣冷凝熱，而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)通過空氣源蒸發(fā)器從室外空氣吸收熱量，由于水蒸氣冷凝溫度高于室外環(huán)境溫度，因此SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，而且隨著室外溫度降低，PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)蒸發(fā)壓力下降，壓縮機(jī)的壓縮比增加，其逐時(shí)能耗增加，結(jié)果，在儲(chǔ)熱階段，SEHHP系統(tǒng)能耗平均比PEAHP系統(tǒng)低62.62 %。

但是，在釋熱階段，SEHHP系統(tǒng)的能耗最初為零，然后呈先減少后增加的變化趨勢(shì)，而PEAHP系統(tǒng)能耗始終為零。這是因?yàn)樵卺専犭A段SEHHP系統(tǒng)首先進(jìn)入相變儲(chǔ)能釋熱階段，從08：00開始持續(xù)運(yùn)行了39 min，在該階段不消耗電能，然后從08：39—18：00進(jìn)入鹽溶液釋熱階段，空氣源熱泵子系統(tǒng)與鹽溶液釋熱子系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器組成復(fù)疊循環(huán)制備建筑供熱量。但當(dāng)完成8 h儲(chǔ)熱和10 h釋熱（一個(gè)周期）后，盡管SEHHP系統(tǒng)在儲(chǔ)熱和釋熱階段都需要消耗電能，而PEAHP系統(tǒng)只在儲(chǔ)熱階段消耗電能，但SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)的壓縮比遠(yuǎn)低于PEAHP系統(tǒng)，即在儲(chǔ)熱階段SEHHP系統(tǒng)的壓縮機(jī)的壓縮比僅為3.03，而在釋熱階段最大壓縮比也僅為5.93，相應(yīng)地，在儲(chǔ)熱階段PEAHP系統(tǒng)的壓縮比在10.5～12.03，因此SEHHP系統(tǒng)的日總能耗僅達(dá)到2685492 kJ，相比PEAHP系統(tǒng)仍減少了34.18%?？梢?，SEHHP系統(tǒng)具有良好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

圖5為SEHHP和PEAHP兩種系統(tǒng)的冷凝器熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化關(guān)系。在儲(chǔ)熱階段，SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷恒定為266.44 kW， 而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷恒定為316.12 kW。這是因?yàn)閮煞N系統(tǒng)在儲(chǔ)熱階段均儲(chǔ)存08：00—18：00供熱所需的熱量，SEHHP系統(tǒng)通過空氣源熱泵子系統(tǒng)的相變儲(chǔ)熱和鹽溶液儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的溶液儲(chǔ)熱提供用戶端所需熱量，而PEAHP系統(tǒng)單獨(dú)由空氣源熱泵子系統(tǒng)的相變儲(chǔ)熱提供，并且由于兩種系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的相變儲(chǔ)熱量均由其冷凝器提供相變材料融化所需的熱量，因此在儲(chǔ)熱階段SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷明顯低于PEAHP系統(tǒng)。在釋熱階段，SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)首先進(jìn)入相變儲(chǔ)能釋熱階段，在該階段空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷為零，然后呈先減小后增加的變化趨勢(shì)，而PEAHP系統(tǒng)在整個(gè)釋熱階段空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷始終為零。這是因?yàn)镾EHHP系統(tǒng)在相變儲(chǔ)能釋熱階段空氣源熱泵子系統(tǒng)不運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的通過相變儲(chǔ)能換熱器與用戶端50 ℃的回水直接換熱，然后相變儲(chǔ)能釋熱階段運(yùn)行39 min后，空氣源熱泵子系統(tǒng)開始工作，通過空氣源熱泵子系統(tǒng)冷凝器的R134a蒸汽冷凝熱驅(qū)動(dòng)鹽溶液釋熱子系統(tǒng)進(jìn)行鹽溶液釋熱，由于此時(shí)空氣源熱泵子系統(tǒng)的空氣源蒸發(fā)器在室外環(huán)境下運(yùn)行，該階段SEHHP系統(tǒng)空氣源熱泵子系統(tǒng)的逐時(shí)冷凝器熱負(fù)荷的與建筑逐時(shí)熱負(fù)荷變化趨勢(shì)相同。而PEAHP系統(tǒng)在整個(gè)的釋熱階段空氣源熱泵子系統(tǒng)均不運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的PEAHP系統(tǒng)則通過相變儲(chǔ)熱槽與用戶端50 ℃的回水直接換熱。另外，SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)達(dá)到5.03，而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)最大僅達(dá)到2.31?？梢姡琒EHHP系統(tǒng)相比PEAHP系統(tǒng)極大的提高了空氣源熱泵子系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)。

圖6為SEHHP和PEAHP兩種系統(tǒng)的HCOP隨時(shí)間的變化關(guān)系。在儲(chǔ)熱階段，SEHHP系統(tǒng)的HCOP保持4.26不變，而PEAHP系統(tǒng)的HCOP則呈略微減小的趨勢(shì)且平均值只有1.59。這是因?yàn)樵趦?chǔ)熱階段中兩系統(tǒng)的逐時(shí)儲(chǔ)熱量相等，但SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)能耗為52.96 kW，PEAHP系統(tǒng)的逐時(shí)能耗隨時(shí)間不斷增大且其平均值達(dá)到141.67 kW。因此，逐時(shí)能耗成為影響兩種系統(tǒng)儲(chǔ)熱階段HCOP的主要因素，儲(chǔ)熱階段SEHHP系統(tǒng)的HCOP相比PEAHP系統(tǒng)平均增加2.67倍。在釋熱階段，SEHHP系統(tǒng)在相變儲(chǔ)能釋熱階段逐時(shí)壓縮機(jī)能耗為零，PEAHP系統(tǒng)則在整個(gè)釋熱階段逐時(shí)壓縮機(jī)能耗為零，所以不考慮SEHHP系統(tǒng)在相變儲(chǔ)能釋熱階段以及PEAHP系統(tǒng)在整個(gè)釋熱階段的HCOP。但當(dāng)SEHHP系統(tǒng)進(jìn)入鹽溶液釋熱階段，空氣源熱泵子系統(tǒng)的運(yùn)行將產(chǎn)生壓縮機(jī)能耗，SEHHP系統(tǒng)HCOP呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)镾EHHP系統(tǒng)在鹽溶液釋熱階段空氣源熱泵子系統(tǒng)的空氣源蒸發(fā)器在室外環(huán)境下運(yùn)行，此時(shí)SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)能耗先減少后增加，SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)釋熱量與建筑逐時(shí)熱負(fù)荷相等也呈先減少后增加的趨勢(shì)，故而SEHHP系統(tǒng)HCOP與室外環(huán)境溫度呈正相關(guān)，與室外環(huán)境溫度變化趨勢(shì)一致。并且SEHHP系統(tǒng)在釋熱階段最小HCOP也達(dá)到4.17。所以從HCOP的角度來看，盡管在釋熱階段只有SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)運(yùn)行，但與PEAHP系統(tǒng)相比，SEHHP系統(tǒng)無論在儲(chǔ)熱階段還是釋熱階段均能夠保證較高的HCOP，有效提高了整個(gè)系統(tǒng)的逐時(shí)性能。

綜合考慮兩種系統(tǒng)的逐時(shí)能耗和HCOP，當(dāng)完成8 h儲(chǔ)熱和10 h釋熱（一個(gè)周期）后，兩系統(tǒng)的ESD、壓縮機(jī)總能耗和CCOP如表3所示。與PEAHP系統(tǒng)相比，SEHHP系統(tǒng)的CCOP增加52.20%，對(duì)應(yīng)的SEHHP系統(tǒng)的總能耗減少34.18%。并且SEHHP系統(tǒng)的ESD為243648 kJ/m3， 相比PEAHP系統(tǒng)ESD增加1.08倍，有效減少相變儲(chǔ)能材料的使用。究其原因?yàn)椋涸趦?chǔ)熱階段，SEHHP系統(tǒng)的逐時(shí)壓縮機(jī)能耗遠(yuǎn)小于PEAHP系統(tǒng)，且其HCOP也遠(yuǎn)高于PEAHP系統(tǒng)；在釋熱階段，SEHHP系統(tǒng)在相變儲(chǔ)能釋熱階段持續(xù)運(yùn)行了39 min，在該階段不消耗電能，在鹽溶液釋熱階段雖然產(chǎn)生壓縮機(jī)能耗，但最大壓縮比也僅為5.93，且在較低壓縮比條件下的壓縮機(jī)能耗較低且HCOP較高。此外，經(jīng)歷一個(gè)周期后，SEHHP系統(tǒng)冷劑水儲(chǔ)罐中仍剩余冷劑水278.48 kg，可有效減少下一周期儲(chǔ)熱階段的時(shí)間，進(jìn)而減小在儲(chǔ)熱階段中的壓縮機(jī)能耗。由此可見， SEHHP系統(tǒng)不僅能夠提高儲(chǔ)熱密度，獲得更大的節(jié)能量，長(zhǎng)期運(yùn)行上相比PEAHP系統(tǒng)具有更大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

綜上所述，SEHHP系統(tǒng)具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。但SEHHP系統(tǒng)與PEAHP系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行時(shí)間的不同，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的初投資與運(yùn)行費(fèi)用具有差距。因此，對(duì)SEHHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性效益進(jìn)行評(píng)價(jià)非常重要。

鄭州市峰電時(shí)段為10：00—14：00、17：00—18：00，平電時(shí)段為08：00—10：00、14：00—17：00，谷電時(shí)段為23：00—次日07：00。電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：峰、平、谷電價(jià)分別為1.29889、0.746489、0.3508498元/kWh。結(jié)合鄭州市峰谷電價(jià)政策，以位于鄭州市某辦公樓建筑作為供熱對(duì)象，建筑面積為3976.56 m2，分別以SEHHP系統(tǒng)和PEAHP系統(tǒng)作為該辦公建筑的熱源，在供暖季每日的23：00—07：00進(jìn)行儲(chǔ)熱，以滿足用戶端每日08：00—18：00、供回水溫度50 ℃/60 ℃的熱需求，并采用費(fèi)用年值進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算。

[Aa=i（i+1）m（i+1）m-1×Cp，j+A] （5）

式中：[Aa]——費(fèi)用年值，元；[Cp，j]——初投資費(fèi)用，元；[i]——標(biāo)準(zhǔn)收益率，取8%；[m]——壽命周期，取20 a；[A]——年運(yùn)行費(fèi)用，元。

空氣源熱泵子系統(tǒng)的初投資取決于建筑面積，其單位建筑面積為200元；相變儲(chǔ)能換熱器的初投資取決于每噸相變材料的價(jià)格，其每噸相變材料為9400元；鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)的初投資取決于供熱量，其每千瓦供熱量為260元［12-13］。基于所選擇的辦公建筑在典型日供熱季逐時(shí)熱負(fù)荷，計(jì)算供暖季逐日能耗值和設(shè)備的逐時(shí)運(yùn)行費(fèi)用，其中運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按照初投資的1%計(jì)算，水泵、閥門、管道等費(fèi)用以及安裝費(fèi)用取初投資的50%計(jì)算［14］。SEHHP系統(tǒng)、PEAHP系統(tǒng)的初投資、年運(yùn)行費(fèi)用以及費(fèi)用年值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

就系統(tǒng)初投資而言，SEHHP系統(tǒng)雖然增加了鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)，但相比PEAHP系統(tǒng)仍減少17.37%。這是因?yàn)镾EHHP系統(tǒng)與PEAHP系統(tǒng)相比相變材料減少88.72%。由此可見，相比PEAHP系統(tǒng)，SEHHP系統(tǒng)增加鹽溶液儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)所帶來的初投資增量小于相變材料減少所帶來的初投資減少量。但對(duì)于兩種系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，由于SEHHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)不僅在電價(jià)低谷時(shí)段運(yùn)行，在峰、平電價(jià)時(shí)段也要運(yùn)行，而PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)僅在電價(jià)低谷時(shí)段運(yùn)行，故有利于PEAHP系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用降低。但相比SEHHP系統(tǒng)，PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)在電價(jià)低谷時(shí)段需承擔(dān)全部?jī)?chǔ)熱量，導(dǎo)致其所承擔(dān)逐時(shí)熱負(fù)荷均增加17.46%，并且該時(shí)段PEAHP系統(tǒng)的空氣源熱泵子系統(tǒng)的蒸發(fā)器從室外環(huán)境中取熱，導(dǎo)致空氣源熱泵子系統(tǒng)的壓比較大，使得PEAHP系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用增加。在兩者的綜合作用下，最終使得PEAHP系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用相比SEHHP系統(tǒng)僅減小了10.31%。

與PEAHP系統(tǒng)相比，雖然SEHHP系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用有所增加，但初投資減小。最終SEHHP系統(tǒng)的費(fèi)用年值相比PEAHP系統(tǒng)減少9.23%。所以從經(jīng)濟(jì)性分析角度來看，SEHHP系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益良好，利用該系統(tǒng)有顯著經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在工程上具有一定應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

相變儲(chǔ)能空氣源熱泵系統(tǒng)利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)緩解了電網(wǎng)壓力，但系統(tǒng)能量利用率低，儲(chǔ)熱密度較低，為提高系統(tǒng)儲(chǔ)熱密度，進(jìn)一步減少系統(tǒng)能耗，本文提出SEHHP系統(tǒng)，利用夜間低谷電價(jià)進(jìn)行相變儲(chǔ)熱與溶液儲(chǔ)熱，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。為了對(duì)SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。在用戶端逐時(shí)熱負(fù)荷300 kW的穩(wěn)定工況下，分析SEHHP系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，并與PEAHP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。此外，為了更加準(zhǔn)確的評(píng)估SEHHP系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中用戶端熱負(fù)荷逐時(shí)變化時(shí)SEHHP系統(tǒng)在變工況下的逐時(shí)熱力學(xué)性能，以位于河南省鄭州市的一棟辦公樓建筑為例，分析了SEHHP系統(tǒng)在變工況下的逐時(shí)運(yùn)行特性，并與PEAHP系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。最后，為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)SEHHP系統(tǒng)和PEAHP系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。得到如下結(jié)論：

1）新的SEHHP系統(tǒng)的制熱性能優(yōu)于PEAHP系統(tǒng)。與PEAHP系統(tǒng)相比，在穩(wěn)定工況下，SEHHP系統(tǒng)的能耗減少31.63%，CCOP提高45.70%；在變工況下，SEHHP系統(tǒng)能耗減少34.18%，CCOP提高52.20%。

2）SEHHP系統(tǒng)利用富裕電能驅(qū)動(dòng)熱泵子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鹽溶液與相變材料耦合儲(chǔ)存熱能， 可實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的ESD顯著增加。在穩(wěn)定工況下，SEHHP系統(tǒng)的ESD增加1.08倍；在變工況下，SEHHP系統(tǒng)的ESD增加1.08倍。

3）SEHHP系統(tǒng)具有更好經(jīng)濟(jì)性。與PEAHP系統(tǒng)相比，SEHHP系統(tǒng)的初投資減少了17.37%，費(fèi)用年值降低了9.23%。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 蔣愛華， 黃竹青， 鄒新遠(yuǎn). 冰蓄冷空調(diào)與電網(wǎng)調(diào)峰［J］. 制冷， 2002， 21（1）： 41-43.

JIANG A H， HUANG Z Q， ZOU X Y. Ice storage air conditioning and the peak regulation in power grid［J］. Refrigeration， 2002， 21（1）： 41-43.

［2］ SAID M A， HASSAN H. Effect of using nanoparticles on the performance of thermal energy storage of phase change material "coupled "with "air-conditioning "unit［J］. "Energy conversion and management， 2018， 171： 903-916.

［3］ 方桂花， 王峰， 劉穎杰， 等. 球形單元儲(chǔ)熱裝置蓄熱特性的分析與優(yōu)化［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2023， 44（2）： 9-14.

FANG G H， WANG F， LIU Y J， et al. Analysis and optimization of heat storage characteristics of spherical unit heat storage device［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（2）： 9-14.

［4］ CHEN H F， WANG Y J， LI J， et al. Experimental research on a solar air-source heat pump system with phase change energy storage［J］. Energy and buildings， 2020， 228： 110451.

［5］ 趙洪運(yùn)， 邱國(guó)棟， 宇世鵬. 可實(shí)現(xiàn)快速制熱和除霜的蓄能型空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（3）： 184-190.

ZHAO H Y， QIU G D， YU S P. Experimental study on energy storage air source heat pump system with quick heating and defrosting［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（3）： 184-190.

［6］ 王彥龍， 蔣綠林， 沈冰燕， 等. 空氣源相變蓄能復(fù)疊式熱泵供暖系統(tǒng)的研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（9）： 14-18.

WANG Y L， JIANG L L， SHEN B Y， et al. Research on air source phase change energy storage cascade heat pump heating system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（9）： 14-18.

［7］ WU J H， XIAN T， LIU X. All-weather characteristic studies of a direct expansion solar integrated air source heat pump system based on PCMs［J］. Solar energy， 2019， 191： 34-45.

［8］ RIZZA J J. Aqueous lithium bromide TES and R-123 chiller in series［J］. Journal of solar energy engineering， 2003， 125（1）： 49-54.

［9］ 曹藝飛， 王林， 王占偉， 等.利用電壓縮制冷循環(huán)的鹽溶液蓄冷系統(tǒng)特性研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)， 2022， 43（6）： 1478-1484.

CAO Y F， WANG L， WANG Z W， et al. Study on salt solution cold storage system with electric compression refrigeration cycle［J］. Journal of engineering thermophysics， 2022， 43（6）： 1478-1484.

［10］ LAWRENCE N， ELBEL S. Theoretical and practical comparison of two-phase ejector refrigeration cycles including First and Second Law analysis［J］. International journal of refrigeration， 2013， 36（4）： 1220-1232.

［11］ CIMSIT C， OZTURK I T. Analysis of compression-absorption cascade refrigeration cycles［J］. Applied thermal engineering， 2012， 40： 311-317.

［12］ 洪文鵬， 何建軍. 回收電廠余熱的新型吸收式熱泵系統(tǒng)［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 39（3）： 67-73.

HONG W P， HE J J. Thenew absorption heat pump system to "reclam "waste "heat "in "power "plant［J］. "Journal "of Northeast Electric Power University， 2019， 39（3）： 67-73.

［13］ YU M， LI S， ZHANG X J， et al. Techno-economic analysis of air source heat pump combined with latent thermal energy storage applied for space heating in China［J］. Applied thermal engineering， 2021， 185： 116434.

［14］ LIN Y， FAN Y B， YU M， et al. Performance investigation on an air source heat pump system with latent heat thermal energy storage［J］. Energy， 2022， 239： 121898.

STUDY ON SALT SOLUTIONN-BASED ENERGY-STORAGE

HEAT-RECOVERY HEAT PUMP SYSTEM

Wang Lin1，Ji Yanfang，Tan Yingying，Li Xiuzhen，Wang Zhanwei，Chang Minghui

（Institute of Building Energy and Thermal Science， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

Abstract：A salt solution-based energy-storage heat-recovery heat pump （SEHHP） system is proposed in this paper， which consists of a heat-recovered compression heat pump subsystem and solution-based heat storage/release subsystem. At power-valley hours，the air source heat pump subsystem is used to convert electric energy to chemical energy which is stored in salt solution and phase change material. During the heating hours， the cascaded heat pump system， where air source heat pump subsystem is cascaded with the salt solution-based heat storage/release subsystem， is used for space heating， and helps decrease the total electricity consumption for heating at power-peak hours. The thermodynamic model of SEHHP system is developed to compare the hourly heating performance of SEHHP with phase-change energy-storage air-source heat pump （PEAHP） system，and the economy for the two systems are evaluated. The results show that the heating performance and economy of SEHHP system are better than that of PEAHP system. The daily energy consumption of SEHHP system is 34.18% lower than that of PEAHP system，and the comprehensive heating performance coefficient （CCOP） of SEHHP system is increased by 52.20%，as compared with PEAHP system，while the annual cost of SEHHP system is reduced by 9.23%. The proposed system is suitable for the heating areas with large difference between peak and valley power price.

Keywords：heat recovery； heat pump； solution energy storage； heating coefficient of performance（CCOP）； economic analysis