一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的性能研究

摘 要：傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組在低環(huán)境溫度中運(yùn)行的能效低，隨環(huán)境溫度的降低，制熱量衰減嚴(yán)重，且存在潮濕天氣下運(yùn)行時(shí)結(jié)霜嚴(yán)重、化霜時(shí)影響用戶(hù)采暖效果等問(wèn)題。以一體式多能源耦合熱泵機(jī)組為研究對(duì)象，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)試對(duì)該熱泵機(jī)組的性能系數(shù)（COP）進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明：1）一體式多能源耦合熱泵機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝快捷方便，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，且初始投資較低。2）通過(guò)全流道雙效集熱板和風(fēng)冷換熱器可吸收自然環(huán)境中的太陽(yáng)能、空氣能、水汽能等多種能源，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能源互補(bǔ)，有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組在環(huán)境溫度低時(shí)能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運(yùn)行的問(wèn)題。3）在環(huán)境溫度為2.2～3.8 ℃，日均太陽(yáng)輻照度為476 W/m2的條件下，一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間，比傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組的COP提高了22%左右。

關(guān)鍵詞：多能源耦合；熱泵機(jī)組；制熱量；性能系數(shù)；全流道雙效集熱板；風(fēng)冷換熱器

中圖分類(lèi)號(hào)：TK01+9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

在當(dāng)今能源資源短缺的時(shí)代背景下，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，節(jié)能減排及能源高效利用受到極高的關(guān)注，建筑采暖、工業(yè)用熱和養(yǎng)殖業(yè)供熱等領(lǐng)域均在尋求可高效利用能源的設(shè)備。目前，僅建筑采暖的能源消耗量在整個(gè)能源消耗總量中的占比就達(dá)到21%左右，通過(guò)技術(shù)革新或系統(tǒng)優(yōu)化等方式減小建筑耗能勢(shì)在必行。熱泵技術(shù)是近年來(lái)在全球倍受關(guān)注的新能源技術(shù)，熱泵行業(yè)的快速發(fā)展，一方面是由于能源緊張使熱泵技術(shù)在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)日益凸顯；另一方面，是由于近年來(lái)采暖季空氣質(zhì)量的持續(xù)惡化和“煤改電”政策的實(shí)施，使熱泵技術(shù)的環(huán)保特性受到格外青睞。

近年來(lái)，空氣源熱泵系統(tǒng)在一定程度上提高了能源利用率，且能達(dá)到零排放、零污染[1]；盡管其憑借低能耗、安裝便捷、智能化運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，但是在快速發(fā)展的同時(shí)也暴露了極大的問(wèn)題，例如：環(huán)境溫度低時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)能效低，制熱量隨環(huán)境溫度的降低而衰減嚴(yán)重；在極端寒冷天氣下空氣源熱泵系統(tǒng)不能正常運(yùn)行；在潮濕天氣下運(yùn)行時(shí)熱泵機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重，化霜時(shí)在用戶(hù)側(cè)吸熱，影響用戶(hù)體驗(yàn)等。為了解決這些問(wèn)題，多能源熱泵技術(shù)受到廣泛關(guān)注，大量研究人員從不同方面對(duì)該技術(shù)開(kāi)展了研究，并取得了一定成果和突破。

張超等[2]設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，其采用翅片-套管式雙熱源復(fù)合換熱器，然后對(duì)該復(fù)合熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)有效解決了在低室外溫度條件下空氣源熱泵蒸發(fā)器易結(jié)霜、系統(tǒng)性能降低的問(wèn)題。在額定制熱工況下，當(dāng)水流量為0.6 m3/h、

太陽(yáng)能熱水的進(jìn)水溫度達(dá)到14 ℃時(shí)，該復(fù)合熱泵系統(tǒng)的制熱功率可以達(dá)到2923 W，性能系數(shù)（COP）為2.99；在額定制熱（超低溫）工況下，當(dāng)水流量為0.6 m3/h、太陽(yáng)能熱水的進(jìn)水溫度為0 ℃時(shí)，該復(fù)合熱泵系統(tǒng)的制熱功率可以達(dá)到2080 W，COP為2.56。

彭浩等[3]采用驗(yàn)證后的TRNSYS模型，對(duì)采用水工質(zhì)的光伏/光熱（PV/T）集熱器及系統(tǒng)的性能進(jìn)行了優(yōu)化研究。研究結(jié)果表明：在基準(zhǔn)工況下，優(yōu)化后PV/T集熱器的發(fā)電效率、熱效率和總效率分別提升了50.22%、27.47%和32.92%。以CO2排放量最低為優(yōu)化目標(biāo)，PV/T集熱系統(tǒng)存在最佳工質(zhì)質(zhì)量流量、最佳溫控器設(shè)置溫差和最佳水箱體積，在杭州應(yīng)用時(shí)，優(yōu)化后PV/T集熱系統(tǒng)的年熱效率、發(fā)電效率和總效率分別為32.41%、18.65%和51.06%；且該系統(tǒng)無(wú)論采用耦合電加熱還是熱泵，在CO2排放或成本上都具有一定競(jìng)爭(zhēng)性。

黃國(guó)和等[4]提出了一種水汽能熱泵機(jī)組，其是以水汽能型熱源塔熱泵為核心，利用水蒸氣的相變過(guò)程，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將常規(guī)的空氣能熱泵與空氣的換熱方式升級(jí)為與空氣中的水汽能熱量的精確收集和循環(huán)換熱方式，解決了因室外溫度低導(dǎo)致的水蒸氣結(jié)冰問(wèn)題；同時(shí)由于太陽(yáng)能加熱空氣會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，因此實(shí)際上該熱泵機(jī)組還對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行了利用。

孔祥強(qiáng)等[5]在北方寒冷地區(qū)搭建了以R290為工質(zhì)的直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)冬季不同運(yùn)行工況下環(huán)境參數(shù)對(duì)該熱泵供暖系統(tǒng)熱力性能的影響進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：R290直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的COP保持在2.57～4.30之間。太陽(yáng)輻照度每增加50 W/m2，該熱泵供暖系統(tǒng)的COP提升4.9%；環(huán)境溫度每升高1 ℃，該熱泵供暖系統(tǒng)的COP提升2.4%。

目前，研究人員對(duì)于多能源耦合的熱泵機(jī)組已經(jīng)進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，雖然提高了熱泵機(jī)組的制熱效率，但在熱泵機(jī)組的制熱量、運(yùn)行和系統(tǒng)復(fù)雜程度上還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間?；诖?，本研究提出一種一體式多能源耦合熱泵機(jī)組，以其作為研究對(duì)象，在介紹此類(lèi)熱泵機(jī)組的工作原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)此類(lèi)熱泵機(jī)組的COP進(jìn)行測(cè)試及分析。

1" 一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的工作原理

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組主要由全流道雙效集熱板、風(fēng)冷換熱器、壓縮機(jī)、套管冷凝器、電子膨脹閥、壓力平衡閥組成。全流道雙效集熱板和風(fēng)冷換熱器用于提取自然環(huán)境中的太陽(yáng)能、空氣能、水汽能等多種能源，以風(fēng)、水、防凍液等作為能量的輸送介質(zhì)，為建筑供暖、制冷及提供生活熱水。其中，全流道雙效集熱板為鋁板一次吹脹成型，表面具有雙效光敏熱敏涂層，通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行鏡面處理，使其在選擇性吸收太陽(yáng)能的同時(shí)，還可吸收空氣中的水汽能并形成水膜，通過(guò)重力作用實(shí)現(xiàn)水自流。一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的運(yùn)行原理圖如圖1所示。

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組可分為3個(gè)子循環(huán)系統(tǒng)，具體為：

1）雙效集熱熱泵循環(huán)系統(tǒng)，由全流道雙效集熱板、壓縮機(jī)、套管冷凝器、電子膨脹閥、壓力平衡閥組成，此部分的循環(huán)工質(zhì)為R410a；

2）風(fēng)冷熱泵循環(huán)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、套管冷凝器、電子膨脹閥、風(fēng)冷換熱器和壓力平衡閥組成，此部分的循環(huán)工質(zhì)為R410a；

3）供熱循環(huán)系統(tǒng)，由套管冷凝器和保溫水箱組成，此部分的循環(huán)工質(zhì)為水[6]。

當(dāng)天氣晴好時(shí)，利用全流道雙效集熱板表面的雙效光敏熱敏涂層，選擇性吸收太陽(yáng)能和空氣中的水汽能，為雙效集熱熱泵循環(huán)系統(tǒng)提供熱量，同時(shí)還可以減少風(fēng)冷換熱器翅片結(jié)霜的現(xiàn)象；當(dāng)太陽(yáng)能輻照儀監(jiān)測(cè)到太陽(yáng)輻照度不足時(shí)，雙效集熱熱泵循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同工作，為供熱循環(huán)系統(tǒng)提供熱量；當(dāng)陰雨天或夜間時(shí)，由風(fēng)冷換熱器和全流道雙效集熱板吸收空氣中的空氣能和水汽能，共同為供熱循環(huán)系統(tǒng)提供熱量。在供熱循環(huán)系統(tǒng)中，可以利用水、風(fēng)等作為能量的輸送工質(zhì)，直接為用戶(hù)供暖、制冷及提供生活熱水。

2" 一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的特點(diǎn)

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上均具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)如下：

1）一體式多能源耦合熱泵機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝快捷方便，且可以根據(jù)項(xiàng)目具體的環(huán)境因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2）相較于傳統(tǒng)的多能源獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)結(jié)合的應(yīng)用方式，一體式多能源耦合熱泵機(jī)組減少了管路、換熱器等的熱損失，整個(gè)系統(tǒng)的初始投資較低；且系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，不存在由于多種運(yùn)行模式頻繁啟停導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高的情況。

3）全流道雙效集熱板表面的雙效光敏熱敏涂層一方面可選擇性吸收太陽(yáng)能，增加一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的制熱量，提高其COP，且不受低環(huán)境溫度的影響；另一方面，可吸收周?chē)諝庵械乃?，使周?chē)目諝鉂穸认陆担抑車(chē)諝鉂穸仍酱?，吸收的水汽能越多，從而有效緩解了熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的結(jié)霜現(xiàn)象，提高了一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的COP。

4）通過(guò)全流道雙效集熱板和風(fēng)冷換熱器可吸收自然環(huán)境中的太陽(yáng)能、空氣能、水汽能等多種能源，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能源互補(bǔ)，有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組在環(huán)境溫度低時(shí)能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運(yùn)行的問(wèn)題。

3" 一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1" 實(shí)驗(yàn)方案

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備太陽(yáng)能輻照燈，用于模擬太陽(yáng)輻照情況；配備容積為8 m3的水箱和60 m3/h的冷卻塔，用于模擬用戶(hù)側(cè)的熱負(fù)荷；一體式多能源耦合熱泵機(jī)組采用集熱面積為12 m2的全流道雙效集熱板。

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)的主要測(cè)試參數(shù)為：1）太陽(yáng)輻照度；2）環(huán)境溫度（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)）；3）全流道雙效集熱板的表面溫度，進(jìn)、出口溫度；4）進(jìn)、出風(fēng)溫度，進(jìn)、出水溫度；5）輸入功率；6）工質(zhì)水的體積流量。

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)采用的各設(shè)備和儀器如表1所示。

3.2" 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

一體式多能源耦合熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間為2022年12月4—7日，測(cè)試時(shí)段為09：00～16：00。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，太陽(yáng)能輻照燈模擬的日均太陽(yáng)輻照度為476 W/m2，環(huán)境溫度為2.2～3.8 ℃；循環(huán)風(fēng)量為22000 m3/h，進(jìn)出風(fēng)溫差約為4～5 ℃；該熱泵機(jī)組輸入功率為21.0～22.0 kW。一體式多能源耦合熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)環(huán)境溫度在2.2～3.8 ℃之間時(shí)，一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間。而根據(jù)資料，在相同工況下，傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組的COP為2.7～2.9左右，可以看出，一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的COP提高了22%左右。

需要說(shuō)明的是，目前一體式多能源耦合熱泵機(jī)組尚處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，缺乏針對(duì)惡劣工況下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的特性研究[7]。

4" 結(jié)論與展望

本文建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度，通過(guò)對(duì)一體式多能源耦合熱泵機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)，對(duì)其性能進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

1）一體式多能源耦合熱泵機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝快捷方便，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，且初始投資較低。

2）通過(guò)全流道雙效集熱板和風(fēng)冷換熱器可吸收自然環(huán)境中的太陽(yáng)能、空氣能、水汽能等多種能源，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能源互補(bǔ)，有效解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組在環(huán)境溫度低時(shí)能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運(yùn)行的問(wèn)題。

3）在環(huán)境溫度為2.2～3.8 ℃，日均太陽(yáng)輻照度為476 W/m2的條件下，一體式多能源耦合熱泵機(jī)組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間，比傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組的COP提高了22%左右。

未來(lái)需要進(jìn)一步提高該熱泵機(jī)組在多變、惡劣天氣條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低其運(yùn)行能耗，逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 沈俊躍，陳磊. 太陽(yáng)能-空氣復(fù)合熱源熱泵的研究[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2013（6）：104-105，107.

[2] 張超，趙曉丹，周光輝. 太陽(yáng)能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)性能研究[J]. 流體機(jī)械，2011，39（8）：74-77.

[3] 彭浩，王靜毅，壽春暉，等. 太陽(yáng)能PV/T集熱系統(tǒng)性能優(yōu)化研究[J]. 可再生能源，2023，41（5）：604-610.

[4] 黃國(guó)和，黃秭卿. 水汽能熱泵及其應(yīng)用[J]. 管理觀察，2017（8）：177-178.

[5] 孔祥強(qiáng)，張鵬，徐顯，等. R290直膨式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2023，44（6）：323-329.

[6] 褚磊馳，趙善國(guó)，高遠(yuǎn)志，等. 光伏直驅(qū)PV/T雙源熱泵熱水系統(tǒng)性能研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2023，44（5）：188-194.

[7] 龔贊，劉益才，鄧炎，等. 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)配置形式及其研究進(jìn)展[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2023，44（4）：506-515.

PERFORMANCE STUDY OF INTEGRATED MULTI-ENERGY COUPLINGLING HEAT PUMP UNIT

Li Jia，Liu Jingjing

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou 253000，China）

Abstract：Traditional air source heat pump units have low energy efficiency when operating in low ambient temperatures. As the ambient temperature decreases，the heating capacity decays severely，and there are problems such as severe frosting during operation in humid weather，and the defrosting process affects the heating efficiency of users. This paper takes the integrated multi-energy coupling heat pump unit as the research object，establishes an experimental platform，and analyzes and studies the COP of the heat pump unit through testing. The research results show that：1） The integrated multi-energy coupling heat pump unit adopts a modular design，which is fast and convenient to install，has simple system control，and has a low initial investment. 2） Through the use of full flow channel double-effect collectors and air-cooled heat exchangers，various energy sources such as solar energy，air energy，and water vapor energy from the natural environment can be absorbed，achieving multi-energy complementarity for one machine. This effectively solves the problem of low energy efficiency when the ambient temperature is low and inability to operate normally in extreme cold weather conditions of traditional air source heat pump units. 3） Under the conditions of ambient temperature of 2.2～3.8 ℃ and daily average solar irradiance of 476 W/m2，the integrated multi-energy coupling heat pump unit has a output power of 72.3～76.1 kW and a COP between 3.4～3.5，which is about 22% higher than that of traditional air source heat pump units.

Keywords：multi-energy coupling；heat pump unit；heating capacity；COP；full flow channel double-effect collector；air-cooled heat exchanger