中央式冷熱暖三聯供太陽能熱泵系統設計與運行模式分析

賈少剛 張五一 劉培陶 秦 桐

中央式冷熱暖三聯供太陽能熱泵系統設計與運行模式分析

賈少剛 張五一 劉培陶 秦 桐

（中國船級社質量認證公司青島分公司 青島 266071）

開發利用新能源和高效節能技術是解決能源與環境問題的重要途徑，太陽能和熱泵技術的有機結合應用具有顯著的節能環保效果。設計了一套中央式雙熱源冷熱暖三聯供太陽能系統，可滿足建筑物的夏季制冷、冬季供暖及全年熱水需求，并對其運行模式進行了分析，結果表明其節能效果良好，可以為太陽能熱泵系統的實際應用提供理論依據。

太陽能；熱泵；節能；運行模式

0 引言

能源與環境是當今突出的兩大問題，目前我國建筑能耗（采暖、制冷及熱水等）約占全社會總能耗的30%[1]，隨著社會發展這一比例會繼續上升。建筑能耗直接或間接地消耗了大量一次能源并污染了環境，因此通過新能源和節能技術的開發利用來降低建筑能耗越來越受到重視，作為清潔能源的太陽能和高效節能的熱泵技術得到了極大的關注和應用[2,3]。太陽能光熱利用和熱泵型空調已在我國得到廣泛應用，但兩者之間的有機結合應用還比較少，兩者的結合應用可以克服太陽能受天氣條件影響的缺點，也提高了系統穩定性，并拓寬了其應用范圍，可應用于建筑物制冷供暖、生活熱水供應、農業溫室供熱、農產品干燥等領域，目前國內學者對太陽能熱泵技術展開了積極研究[4-9]，因此將太陽能熱泵技術應用于建筑物的制冷、供暖和熱水的同時供給（冷熱暖三聯供）在有效降低建筑能耗的同時還可積極促進能源消費的轉型升級與節能環保技術的應用推廣，對社會的可持續發展具有重要意義。

1 太陽能熱泵系統簡介

太陽能熱泵系統由太陽能集熱器、熱泵機組、蓄熱水箱、供暖供水裝置等部件有機組合而成。根據熱泵蒸發器與太陽能集熱器的組合形式可分為直膨式和非直膨式兩大類，在直膨式系統中太陽能集熱器和蒸發器合二為一；在非直膨式系統中太陽能集熱器和熱泵蒸發器相對獨立工作，而非直膨式又可分為串聯、并聯和混聯三種方式。以提供熱水為目的四種類型的太陽能熱泵系統示意圖如圖1～圖4所示。

圖1 直膨式太陽能熱泵系統

圖2 非直膨串聯式太陽能熱泵系統

圖3 非直膨并聯式太陽能熱泵系統

圖4 非直膨混聯式太陽能熱泵系統

圖1所示為直膨式系統，制冷劑在集熱/蒸發器中接受太陽輻射吸熱而蒸發，之后制冷劑進入壓縮機被壓縮，然后進入冷凝器釋放熱量加熱水箱中的水后回到集熱/蒸發器形成循環。直膨式系統的結構簡潔部件少，可提高熱泵和集熱器的性能，但其制冷劑管路較長流動阻力大，無陽光時相當于空氣源熱泵運行，當前對直膨式系統的研究集中在集熱/蒸發器和系統容量匹配方面[10]。圖2所示為串聯式系統，太陽能加熱后的熱水作為熱泵蒸發器的低溫熱源，再經熱泵提升熱能品質后通過冷凝器釋放出來加以利用。串聯式系統的本質為水源熱泵，其COP高于空氣源熱泵，但其受天氣條件影響較大，無陽光時需使用輔助熱源。圖3所示為并聯式系統，太陽能與熱泵可相互獨立工作，互為補充，兩者既可單獨運行，也可一起聯合運行，并聯式系統對原有的太陽能和熱泵裝置無需做很大改動即可組合使用，系統穩定性較高。圖4所示為混聯式系統，其中熱泵設置了兩個蒸發器，一為水源，一為空氣源，系統的構成較為復雜，混聯式系統運行方式靈活，既可以串聯和并聯方式運行，也可以太陽能和熱泵單獨運行。

2 冷熱暖三聯供太陽能熱泵系統設計

為滿足較大建筑物（如賓館、酒店等公共場合）的冬季供暖、夏季制冷和全年生活熱水所需，結合不同類型太陽能熱泵系統的結構形式，設計了中央式雙熱源混聯式冷熱暖三聯供太陽能熱泵系統，如圖5所示，該系統由太陽能集熱器、熱泵機組、水箱、泵、換熱器等設備部件組成。

圖5 三聯供太陽能熱泵系統結構示意圖

太陽能采用閉式循環方式運行，其集熱介質在集熱器內部管路、水箱中的盤管換熱器及連接管路中循環流動，在集熱器中吸收陽光輻射能并通過盤管換熱器加熱水箱1中的水，集熱介質不與水箱1中的水直接接觸，因此集熱介質可以采用特殊流體（如乙二醇、丙二醇、丙三醇等水溶液）起到防凍、防腐蝕和防結垢的目的，既可延長設備壽命也可減少維護工作量。

熱泵裝置中設置了三個換熱器，一個空氣源換熱器，一個放置在水箱1中的水源換熱器以及一個放置在水箱2中水源換熱器。熱泵在工作過程中通過四通換向閥的切換，實現對水箱2中水的制冷或者制熱效果；通過電磁閥1和電磁閥2的開啟與關閉實現對水源換熱器1和空氣源換熱器的投入或者退出運行，當水源換熱器1投入運行時可實現水箱1中的水與熱泵的熱交換，熱泵既可以加熱水箱1中的水，也可以從水箱中的水吸取熱量，從而實現不同的應用目的；水源換熱器1退出運行即空氣源換熱器投入運行，熱泵此時向空氣釋放或者吸收熱量。

3 太陽能熱泵系統運行模式分析

結合建筑物不同季節的冷熱暖需求和三聯供太陽能熱泵系統的結構，其運行模式分析如下：

（1）太陽能運行模式。無論任何季節，只要在陽光輻照度較好的情況下太陽能均可運行來加熱水箱1中的水，獲得的熱水既可用于日常生活所需，也可以在冬季作為熱泵水源換熱器1的低溫熱源。太陽能為清潔可再生能源，對其有效利用可以大大節約其他能源。

（2）夏季熱泵制冷模式。此時水箱2中的水為冷水，供給到房間換熱器起到制冷作用；此種模式下水源換熱器2為蒸發器起到制冷作用使水箱2中的水變成冷水，水箱2中的冷水再被供冷循環泵供給到房間進行制冷；而空氣源換熱器或者水源換熱器1作為冷凝器起到散熱作用，當水箱1中的水溫未達到設定值時水源換熱器1投入運行，當水箱1中的水溫達到設定值時水源換熱器1退出運行同時空氣源換熱器投入運行，水箱1中的熱水直接供給到房間使用。

當空氣源換熱器投入運行時，熱泵運行過程中僅制冷效果得到利用；因陰雨天、夜間或者日間陽光輻照度較弱，太陽能無法提供足夠熱量時，水源換熱器1投入運行加熱水箱1中的水得到熱水，此時熱泵的運行過程制冷量和制熱量同時得到了利用，熱泵COP大大提高，相較熱泵單獨制冷或者使用電熱水器、燃氣熱水器獲得熱水，其節能效果十分顯著。

（3）冬季熱泵制熱模式。此種模式下水源換熱器2為冷凝器起到制熱作用，空氣源換熱器和水源換熱器1為蒸發器起到吸熱作用；此時水箱2中的水為熱水，供給到房間換熱器起到供暖或者直接使用；水箱1中的水為熱泵水源換熱器1的低溫熱源。因冬季環境溫度較低且太陽光輻照度較弱，此時太陽能熱泵系統宜以串聯方式運行——太陽能加熱水箱1制取的低溫熱水為熱泵水源蒸發器1的低溫熱源，一方面可以提高太陽能集熱器的效 率[11]，另一方面因蒸發溫度的提高，熱泵的COP也有效提高[12-14]，系統的COP也提高了，這意味著太陽能熱泵系統運行過程中的能耗減少了；當陰雨天或者陽光輻照度較弱時啟動電輔助加熱水箱1中的水，以改善熱泵的運行工況。

太陽能熱泵系統在不同季節條件下選擇不同的運行模式，既可以盡量多的利用太陽能，也提高了系統的能效比，獲得比較好的節能效益，使系統實現全年節能運行，系統的運行模式與效益分析見表1。

表1 太陽能熱泵系統運行模式與效益分析

4 結語

為滿足較大建筑物所需的制冷、供暖和熱水供給，設計了中央式冷熱暖三聯供太陽能熱泵系統，并對其運行模式與節能效益進行了分析，可得結論如下：

（1）冬季晴好天氣條件下太陽能熱泵系統宜以串聯模式運行，既提高了太陽能集熱器的效率，也提高了熱泵COP，改善了熱泵的工況，從而系統整體COP得到了有效提高，節能效果良好。

（2）夏季多云陰雨天氣時太陽能無法工作，熱泵可同時實現制冷和制取熱水，熱泵COP大大提高，節能效果顯著。

（3）任何季節天氣條件下，無論是太陽能還是熱泵制取熱水，相比較電熱水器或者燃氣熱水器制取熱水均可實現一定的節能效果。

我國太陽能資源豐富，隨著太陽能熱泵技術的進一步發展和成熟，會逐漸實現大型三聯供太陽能熱泵系統的實際應用，這對于緩解能源危機和減少環境污染具有重要意義，可以創造更大的節能環保效益，未來的應用前景十分廣闊。

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Design and Running Mode Analysis of Central Solar-assisted Heat Pump for Supplying Combined Cooling Heating and Hot Water

Jia Shaogang Zhang Wuyi Liu Peitao Qin Tong

( China Classification Society Certification Company Qingdao branch, Qigndao, 266071 )

The utilization of new energy resources and excellent energy saving technology is the significant way to solve the problem of energy and the environment, the combination of solar and heat pump technology application has outstanding effect of energy conservation and environmental protection. A central solar-assisted heat pump (SAHP) with dual heat source is designed for supplying combined cooling heating and hot water throughout the year, meanwhile its running mode are analyzed and the results show that the effect of energy saving is good, which can provide theoretical basis for its practical application.

Solar energy; heat pump; energy saving; running mode

TK512

A

1671-6612（2020）04-432-04

賈少剛（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：jsg.lq@163.com

2019-02-12