太陽能與空氣源熱泵集成供熱系統

申 鵬

（北京熱力集團輸配分公司，北京 100000）

目前，許多研究人員針對太陽能的利用開展了研究，而針對供熱系統，雖然已經有了許多太陽能供熱系統，但是其受到外界條件影響較大，存在運行穩定性不足的問題。而空氣源熱泵結構較為簡單，并且性價比較高，可以直接從空氣中獲得熱量，具有極高的推廣價值，并且全球許多地區已經將空氣認定為可再生資源，加強了對空氣能利用的重視程度。但是，空氣源熱泵在低溫環境下運行效率差，并且在冬季容易產生結霜的問題。因此，本文將針對太陽能與空氣源熱泵的集成模式展開研究，分析探討目前主流的幾種集成系統，以及其系統類設備的優化改進方法，并針對目前集成系統存在的問題提出了展望建議。

1 太陽能與空氣源熱泵集成方式

1.1 噴射器與蒸發器和集熱器結合

系統中過高的壓縮比，作為限制空氣源熱泵在低溫條件下運行的重要因素之一，通過降低系統中的壓縮比能夠提升系統在低溫條件下的運行效能，因此，將噴射器與空氣源熱泵相結合，能夠通過回收利用節流時損失的膨脹功，使得壓縮機吸氣壓力提升，降低系統中壓縮機的壓縮比。目前一種新的集成系統，在此基礎上，引入了太陽能集熱器，通過用太陽能輔助噴射器，達到提高系統運行效率的目的。通過將太陽能集熱器的進口與冷凝器的出口相連，將太陽能集熱器的出口與噴射器的噴嘴相連，使得冷凝器中傳輸的飽和或過冷制冷劑液體，在太陽能集熱器中吸收熱量，進入噴射器中作引射流體。當外界工作條件缺少太陽能輻射時，通過將集熱器旁通的方式，系統的運行方式又變回之前普通的噴射器增效。根據電腦模擬得出的數據，引入太陽能集熱器輔助的噴射器增效空氣源熱泵系統，平均COP（系統制冷性能系數）分別比普通的噴射器增效系統，以及傳統空氣源熱泵高出14%和25%[1]（圖1）。

圖1 噴射器與蒸發器和集熱器結合系統示意圖

國外針對噴射器與集熱器和蒸發器相連，設計了一種集成系統，使制冷劑從冷凝器輸出之后分為兩股，一股直接進入翅片管換熱器，另一股經過液體泵之后，進入平板太陽能集熱器。與此同時，集熱器輸出的過熱蒸汽在噴射器內膨脹為兩相流體，然后引射蒸發器出口的制冷劑蒸氣，幫助系統提高吸氣壓力。該系統通過將太陽能集熱器串聯噴射器，有兩個優勢：首先，通過太陽能集熱器額外吸收的清潔熱能，能夠有效地提高系統的冷凝功率；其次，通過引入噴射器，能夠提高系統的吸氣壓力，進一步強化系統中壓縮機的運行效率。經過計算機模型分析，這種集成模式的系統COP 以及冷凝功率分別較傳統的空氣源熱泵提高了15%和38%左右（圖2）。

圖2 噴射器與蒸發器和集熱器結合系統示意圖

1.2 集熱器與翅片管換熱器并聯、串聯

在20世紀末，國外設計了一種利用太陽能集熱器輔助空氣熱泵的集成系統，在這個系統中，將太陽能集熱器與備用冷卻空氣型蒸發器進行并聯，并通過設置切換閥門，使得集成系統在運行過程中，太陽能集熱器與空氣型蒸發器中的一個單獨作為熱泵蒸發器。當外界光照條件充足時，使用太陽能集熱器，而當外界光照較少，太陽能集熱器運行效率較低時，則使用冷卻空氣型蒸發器。該系統將太陽能集熱器的蛇形銅管，直接暴露在外界空氣中，并且沒有設置透明蓋板，根據大量的實驗結果表明，在外界光照條件充足，溫度在0～10℃時，該系統的局熱效率為55%左右，并且在太陽能集熱器模式下，系統COP 比冷卻空氣型蒸發器模式高40%左右[2]。

由于受到當時客觀條件的影響，太陽能集熱器并沒有設置透明蓋板，雖然降低了系統造價，并且增加了光照輻射，但是集熱器的散熱損失也相應增大。因此，之后有人對該系統進行了優化改進，設計了一種雙熱源集成系統，具有兩種運行模式，分別是太陽能集熱器模式，以及太陽能與空氣能結合模式。在結合模式下，制冷劑分別同時流過太陽能集熱器以及翅片管換熱器，并通過電子閥門控制流量分配，這個時候制冷劑既可以對太陽能進行利用，也能夠吸收空氣中的熱量，使得系統在外界光照輻射較低的條件下，也能夠高效穩定地運行。實驗表明，雙熱源系統較之前系統中太陽能集熱器模式，節約了約20%的加熱時間，且COP 平均提高了14%左右，雙熱源集合系統能適應嚴寒的惡劣工作環境（圖3）。

圖3 集熱器與翅片管換熱器并聯雙熱源系統示意圖

陳雁等設計了一個集成系統，使用平板太陽能集熱器，直接對空氣進行加熱，并用風機將加熱之后的空氣傳輸至熱泵蒸發器側[3]。由于傳輸的空氣溫度高于外界環境溫度，因此，使用預熱空氣能夠有效地提高空氣熱泵的蒸發溫度。與此同時，陳雁提出了應該根據現場實際情況，對太陽能集熱器面積進行控制，將集成系統的蒸發溫度控制在-7～0℃。劉鵬等對這種集成模式進行了經濟效益研究分析，根據他們的研究結果顯示，將集熱器與翅片管換熱器串聯的集成模式，相較于單層的空氣源熱泵系統，每年能夠節約至少138元的運行費用。

2 太陽能與空氣源熱泵集成系統現狀與展望

從宏觀角度來講，太陽能與空氣源熱泵集成供熱系統，進一步推動了清潔能源供暖，對保護環境、節約資源有著重要的意義，但是部分集成技術還有待進一步優化改進。根據目前太陽能與空氣源熱泵集成系統現狀，提出以下幾點展望：

1）目前太陽能與空氣源熱泵集成系統，主要針對幾種特定的工作環境，因此，在實際運行過程，如果外界環境變化過大，現有集成系統則不能夠保證穩定有效的運行。因此，需要結合更加廣泛的外界環境條件，對集成系統進行進一步的優化改進，保障其在各種環境條件下的穩定有效運行。

2）目前集成系統主要針對外界太陽輻射強度，以及環境溫度來進行系統模式的切換，但卻并沒有明確切換的臨界值，難以最有效地對系統進行運行控制。因此，需要進一步明確系統與外界環境變換的臨界值，設置最優的系統控制方案，使得集成系統具有更加高效可靠的動態運行。

3）經濟效益作為集成系統推廣的基礎保障，需要進一步加強集成系統的經濟性與運行性能的平衡，通過優化集成系統的配置，使得太陽能與空氣源熱泵集成供熱系統兼具較高的工作效率與較好的經濟效益。

3 結束語

通過將太陽能與空氣源熱泵結合，能夠將兩者的優勢與缺陷進行互補，提高供熱系統的運行性能以及適用范圍。但是，不同的集成系統，由于自身系統特點的不同，因此適用范圍也不同，噴射器增效與雙熱源系統能夠在寒冷以及嚴寒地區使用。而蓄能型集成系統相較于噴射增效以及雙熱源系統，具有更加廣泛的適用范圍。其余集成系統雖然相較于傳統空氣源熱泵供熱系統，具有更好的性能，但其受到系統特點的限制，只能應用于非嚴寒地區。