蓄能式太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)研究綜述

龍一飛，郭曉琴，潘 嬋，劉秋新

(武漢科技大學(xué) 城市學(xué)院，湖北 武漢 430082)

0 前 言

近年來，我國隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展能源的需求量也持續(xù)攀升。同時(shí)，我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展給我國能源消耗帶來了直接明顯的影響。我國建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的33%[1]，其中占比最大的是空調(diào)、供暖等建筑設(shè)備利用產(chǎn)生的能耗。如何平衡好耗能與舒適的關(guān)系，是當(dāng)下許多學(xué)者面臨的難題。充分利用太陽能等可再生能源是緩解這一矛盾的有效舉措，也是我國在節(jié)能減排工作中的重要方向。

1 太陽能耦合空氣源熱泵

建筑節(jié)能設(shè)備中以空氣作為高溫(低溫)熱源來進(jìn)行供熱(供冷)的裝置稱為空氣源熱泵(ASHP)。與其他熱泵相比，ASHP具有初投資低，便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于制冷、供暖、生活熱水供給以及工業(yè)除濕和產(chǎn)品干燥等方面。最近兩年，北方冬季供暖的“煤改電”工程引起了許多學(xué)者的熱切關(guān)注，許多學(xué)者基于ASHP已有的研究和技術(shù)手段提出了相應(yīng)的建議。江億等[2]曾指出，在農(nóng)村地區(qū)用ASHP供暖方案，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)宅采暖清潔化的同時(shí)為電力削峰填谷，從熱效率、維護(hù)費(fèi)用以及安全性等各方面都比目前各種供熱鍋爐具有優(yōu)勢(shì)，可以說是“煤改電”工程的最優(yōu)選擇。得益于“煤改電”工程的推動(dòng)，2017年ASHP采購規(guī)模首次突破百億元，市場前景十分可觀。

ASHP的使用限制主要是在低溫環(huán)境下的供暖性能和除霜問題，如遇極端天氣，性能會(huì)大打折扣，在黃河以北等寒冷地區(qū)冬季供熱運(yùn)行時(shí)受到很大限制，多用于長江中下游的夏熱冬冷地區(qū)。當(dāng)然這些應(yīng)用限制在技術(shù)快速發(fā)展情況下已經(jīng)開始有所改善。其中最直接便捷的方法是增設(shè)輔助加熱器，利用太陽能等可再生能源替代化石能源作為輔助熱能是未來重要的發(fā)展趨勢(shì)。

太陽能存在能流密度低、間歇性和不穩(wěn)定性的問題，使得太陽能耦合空氣源熱泵(SC-ASHP)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，蓄能技術(shù)是改善太陽能熱質(zhì)量的不穩(wěn)定性及熱能供需時(shí)間不匹配的有效技術(shù)手段之一。基于此設(shè)計(jì)的蓄能式SC-ASHP系統(tǒng)既充分利用了可再生能源，減少一次能源的消耗，響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策，又?jǐn)U大了ASHP系統(tǒng)的適用范圍，從而進(jìn)一步提升其市場價(jià)值。

2 太陽能耦合空氣源熱泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 SC-ASHP系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

ASHP歷史悠久，最早可追溯到1824年Sadi Carnot提出卡諾熱機(jī)和卡諾循環(huán)概念，奠定了熱泵理論基礎(chǔ)。1852年，Thomson指出制冷機(jī)也可以用來供熱，首次提出了一個(gè)正式的熱泵系統(tǒng)[3]。這是ASHP的理論基礎(chǔ)，即利用少量電能驅(qū)動(dòng)把熱量從低品位能轉(zhuǎn)化成中高品位能，達(dá)到節(jié)約高位能的目的。發(fā)展至今，太陽能與 ASHP耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，就其原理來說，可分為直膨式和非直膨式。

2.1.1 直膨式SC-ASHP

1955年，Sporn和Ambrose首次提出直膨式太陽能輔助熱泵(DX-SAHP)的概念。DX-SAHP是指將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器使用，制冷劑吸收集熱器中太陽能的熱量而受熱蒸發(fā)，能有效節(jié)省空間，但是對(duì)于集熱器/蒸發(fā)器部件有強(qiáng)度和承壓需求，系統(tǒng)循環(huán)如圖1。

圖1 直膨式SC-ASHP

Scarpa等將研究的重點(diǎn)放在潮濕空氣潛熱利用上，控制裸露的太陽能集熱板表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，使其發(fā)生冷凝。結(jié)果顯示，在夜間或低輻射環(huán)境特別是高相對(duì)濕度條件下，DX-SAHP的COP可達(dá)5.8，冷凝熱的貢獻(xiàn)效果顯著，約占總獲得能量的20%～30%[4]。

國內(nèi)對(duì)于DX-SAHP的研究始于21世紀(jì)初。曠玉輝等[5]通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其熱工性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，在各種天氣條件下持續(xù)供應(yīng)50 ℃的生活熱水，平均COP達(dá)到3.1。孔祥強(qiáng)等[6]研究DX-SAHP熱水器在R22、R410A和R290三種不同循環(huán)工質(zhì)下性能表現(xiàn)，結(jié)果表明R290系統(tǒng)COP值明顯高于其他兩種，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)R410A系統(tǒng)影響顯著，而水箱水溫的變化對(duì)R290系統(tǒng)影響較大。邢琳等[7]提出一種DX-SAHP柔性設(shè)計(jì)方案，以Matlab為平臺(tái)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法。

2.1.2 非直膨式SC-ASHP

非直膨式SC-ASHP中，太陽能集熱器不作為熱泵的組成部分，通過介質(zhì)在熱交換器中與之換熱，以此提高ASHP蒸發(fā)器側(cè)的熱源溫度，進(jìn)而提高系統(tǒng)COP值。根據(jù)連接方式的不同，可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和雙源式。并聯(lián)式是將太陽能作為熱源直接向用戶供熱，串聯(lián)式和雙源式是將太陽能作為熱泵的熱源側(cè)供熱，這是兩者的本質(zhì)區(qū)別。雙源式比串聯(lián)式多一個(gè)熱源，根據(jù)氣象條件可靈活切換熱源，使系統(tǒng)保持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

1979年，F(xiàn)reeman等便利用TRNSYS對(duì)兩種不同氣候下的三種SC-ASHP進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明并聯(lián)式系統(tǒng)在采暖季節(jié)是最實(shí)用的太陽能熱泵配置，在給定集熱器面積的條件下，其性能優(yōu)于串聯(lián)式和雙源式SC-ASHP系統(tǒng)。Lerch等利用TRNSYS重點(diǎn)研究小型單體建筑(140 m2)，熱需求為45 kW·h/m2下，并聯(lián)式SC-ASHP和普通ASHP系統(tǒng)的性能差距，研究表明并聯(lián)式SC-ASHP的季節(jié)性能系數(shù)(SPFSystem=3.65)比典型的ASHP系統(tǒng)(SPFSystem=2.55)要高很多[8]。Starke等利用TRNSYS軟件對(duì)應(yīng)用于Florianopolis的戶外泳池水加熱的四種SC-ASHP系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真研究，四種系統(tǒng)分別是典型ASHP、并聯(lián)式、串聯(lián)并聯(lián)混合式(太陽能集熱器既為熱泵蒸發(fā)器供應(yīng)熱量、也直接為熱水供應(yīng)熱量)、串聯(lián)并聯(lián)雙源混合式SC-ASHP系統(tǒng)(在串聯(lián)并聯(lián)混合式基礎(chǔ)上另加入一個(gè)蒸發(fā)器)，結(jié)果顯示，后兩者的季節(jié)性能系數(shù)(SPF)分別為6.2、8.7，比傳統(tǒng)的ASHP的季節(jié)性能系數(shù)(SPF=4.3)要高[9]。

國內(nèi)相應(yīng)研究對(duì)象更偏向雙源式系統(tǒng)。李新銳等[10]對(duì)太陽能光伏光熱組件與雙源熱泵一體化系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于室外環(huán)境溫度和儲(chǔ)熱水箱水溫變化而啟閉的雙源式熱泵比常規(guī)的SC-ASHP和ASHP節(jié)能。佟建南等搭建雙源式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究結(jié)果顯示制冷兼制熱水模式下，系統(tǒng)的EER=2.26，較ASHP單獨(dú)制冷的EER=1.96高，制熱工況下，雙源模式較單一模式的平均COP要高[11]。

2.2 蓄能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

蓄能技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域主要是指蓄熱、蓄冷技術(shù)。蓄熱技術(shù)應(yīng)用廣泛，在太陽能熱存儲(chǔ)、熱泵系統(tǒng)中均有涉及。蓄熱技術(shù)主要目的是減少熱能損失，彌補(bǔ)可再生能源不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，緩解熱能供需不匹配的問題。

相變蓄熱技術(shù)的研究發(fā)展離不開材料的研發(fā)與創(chuàng)新，從經(jīng)濟(jì)成本和制備難易度角度考慮，目前使用最為廣泛的是石蠟和石蠟基復(fù)合材料。石蠟作為一種常見的有機(jī)類PCM，其化學(xué)穩(wěn)定性好，過冷度極小且相變潛熱大，非常適合在熱泵系統(tǒng)中使用。

蓄冷技術(shù)主要應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，是一種削峰填谷，調(diào)節(jié)電能供需的手段，目前冰蓄冷技術(shù)應(yīng)用最廣泛。冰蓄冷技術(shù)屬于相變制冷技術(shù)的一種，但相變溫度過低，制冷機(jī)在制冰時(shí)，其蒸發(fā)溫度比常規(guī)系統(tǒng)低8 ℃～10 ℃，限制了冷機(jī)的類型，多用于大型項(xiàng)目。

3 蓄能式熱泵的研究現(xiàn)狀

蓄能技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合應(yīng)用按蓄能和釋能周期可分為兩類：長期的季節(jié)性蓄能、短期蓄能，這兩者的側(cè)重點(diǎn)不同。季節(jié)性蓄能系統(tǒng)所需蓄能容量大，多在大中型系統(tǒng)中使用，常見有地源熱泵系統(tǒng)；短期蓄能熱泵系統(tǒng)主要解決負(fù)荷與能源在一天之內(nèi)的供需不匹配的問題。蓄能技術(shù)的使用能減小系統(tǒng)設(shè)備尺寸，節(jié)能的同時(shí)減小對(duì)環(huán)境的影響。按照蓄能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合方式不同，其功能作用也不相同。從功能需求角度劃分，主要在以下四個(gè)方面。

1)供熱。蓄熱(TES)系統(tǒng)一般是熱泵循環(huán)中的一部分。Hamada和Fukai等對(duì)采暖用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，熱泵的冷凝器側(cè)連接兩個(gè)不同的TES箱，蒸發(fā)器側(cè)連接著一個(gè)蓄冰箱，TES箱內(nèi)裝有相變點(diǎn)為49 ℃的石蠟，研究重點(diǎn)側(cè)重于對(duì)TES箱的熱導(dǎo)性能提升。研究結(jié)果表明在TES箱內(nèi)加入碳纖維，有利于增強(qiáng)石蠟與流體的換熱，減小TES箱的尺寸，但忽略了PCM 箱中其他因素對(duì)系統(tǒng)的影響。Agyenim等[12]則利用縱向翅片加強(qiáng)PCM與流體的換熱，同樣證明增強(qiáng)換熱有利于減小TES箱的尺寸。對(duì)于系統(tǒng)性能而言，單純的將PCM箱用于熱泵蓄熱，性能提升有限。因此，若要提高系統(tǒng)供熱COP值，已有文獻(xiàn)中的普遍策略是將熱泵系統(tǒng)與太陽能等可再生能源結(jié)合使用。韓宗偉等對(duì)太陽能輔助地源熱泵蓄能供熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，在采暖季節(jié)，系統(tǒng)的平均COP值可達(dá)3.28。牛福新等研制的三套管蓄能型熱泵的季節(jié)COP值則可達(dá)3.9。這兩類系統(tǒng)都充分利用可再生能源來提高系統(tǒng)的“免費(fèi)能”利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的COP值，由此可見蓄熱系統(tǒng)與太陽能的結(jié)合應(yīng)用在節(jié)能效果上十分可觀。

2)除霜。蓄熱除霜是在空氣源熱泵的制冷劑循環(huán)回路中并聯(lián)一個(gè)PCM蓄熱設(shè)備，在系統(tǒng)制熱模式下，能利用其熱量進(jìn)行快速除霜。早在1989年，日本的大金公司便進(jìn)行了此類設(shè)備的試制與研究，該措施在保證室內(nèi)溫度不下降的條件下，系統(tǒng)的制熱能力約提高10%，COP值提高50%。可見蓄熱除霜在很多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)除霜方式，但是目前仍然存在蓄熱器體積大、蓄熱量不足等問題，因此，不能得到廣泛推廣。

3)制冷。小型的空調(diào)系統(tǒng)需要使用相變溫度較高的材料來提高系統(tǒng)的制冷效率，這方面已有研究不多。Moreno等通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比熱泵在水蓄冷和PCM蓄冷兩種方案下的蓄冷特性。研究表明，PCM蓄冷比水蓄冷可多提供14.5%的冷量。除此之外，還有一些學(xué)者對(duì)PCM應(yīng)用于空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此類系統(tǒng)在負(fù)荷高峰時(shí)段，有利于維持室溫穩(wěn)定。

4)熱回收。夏季空調(diào)制冷產(chǎn)生的冷凝熱約是制冷量的1.25倍，若能將其回收利用，不僅節(jié)能，也有利于降低室外散熱。冷凝器的冷凝溫度一般為45 ℃，考慮損失和傳熱效率，將回收熱用于生活熱水供應(yīng)會(huì)略顯不足，因此，需結(jié)合太陽能或電輔熱使用保證全天的熱水供應(yīng)。

4 結(jié) 論

從上述文獻(xiàn)的結(jié)論中不難看出，蓄能系統(tǒng)與太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，的確能提高系統(tǒng)的制熱性能，但不同結(jié)構(gòu)的蓄能裝置對(duì)于系統(tǒng)性能的提升程度不盡相同，同一形式的太陽能耦合熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的性能也略有差異。

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