太陽能與空氣源熱泵耦合供熱技術應用研究

李旭林 張梓蘊 王云龍

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

引言

清潔供暖是我國大氣污染防治工作的重要組成部分，為充分實現供暖技術的清潔性，充分引導各地的供暖方式向低能耗、低排放的方向發展。北方農村既有取暖方式主要以污染高的散煤燃燒為主，在浪費大量化石能源的同時，還造成嚴重的室內外空氣污染，故在北方農村推進清潔取暖對降低取暖能耗節約資源有積極影響。

近年來，空氣源熱泵系統作為可再生能源，是目前建筑節能領域重要的供暖形式，太陽能集熱系統可全年使用。如果將二者系統耦合供熱，可提高能源利用率，彌補不足。因此，將太陽能耦合空氣源熱泵系統作為最佳耦合系統的研宄具有十分重要的意義。

1 常規太陽能與空氣源熱泵系統耦合方式

1.1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統

直膨式太陽能熱泵(DXSAHP)有效地利用了太陽能光熱系統和熱泵系統，來自太陽輻射或環境空氣中的熱量直接通過太陽能集熱裝置吸收熱量，經過壓縮機直接將熱量傳遞給冷凝器至末端設備，是實現節約能源和可再生能源利用的有效方案。直膨式系統見圖1,其運行簡單，主要依靠太陽能輻射吸收熱量來供熱，但由于太陽能的不穩定性，系統受太陽能輻射強度影響較大，適用于太陽能資源充足的地區。

圖1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統

學者們從不同的角度對直膨式系統進行了研究。方雷[1]采用R134a作為工質建立了直膨式太陽能熱泵(DXSASHPWH)的系統性能系統數學模型。在春季和秋季晴天工況下平均COP為3.26，平均集熱效率為0.73，耗電量為1.50；在冬季，平均COP為3.27，平均集熱效率為0.68，耗電量為1.81。

蔣澄陽[2]等人提出了一種肋片式集熱器應用于DXSASHPWH，集熱器可以在空氣中吸收熱量，也可以在太陽能輻射吸收能量，系統的平均COP可達到6，遠高于常規型系統。由于常規機組受太陽輻射強度的影響較大，徐國英[3]等提出了一種新型耦合熱水器，當太陽輻射不足時，可吸收空氣中的熱量，使得系統能穩定高效地運行。

1.2 非直膨式太陽能耦合空氣源熱泵系統

1.2.1 串聯式系統

串聯式系統如圖2所示，是指太陽能集熱器與熱泵循環通過蓄熱水箱共同供給末端機組，但各自環路互不干涉。太陽能集熱系統與熱泵系統共同運行，太陽能集熱器吸收的熱量傳遞給換熱器直至熱泵系統，集熱介質在熱泵系統中循環吸熱，經冷凝器傳遞到末端機組。串聯式系統受太陽能波動影響相對較小，在無太陽能時，會導致太陽能熱水的溫度過低，熱泵工作效率下降。太陽能系統不穩定性的運行，可能會導致傳熱的溫度過低，熱泵系統能效降低。串聯式系統的COP高于單一空氣源熱泵，但無陽光時需要加入電磁能輔助熱源。

賈少剛[4]等人將太陽能和熱泵技術進行有機結合，實現建筑物的制冷、供暖和熱水的同時供給，研究表明串聯系統運行效率較好且耗電量少節能。張慈枝[5]建立串、并聯式數學模型進行耦合測定，當集熱水溫處于20.4～37.9℃，串聯運行模式COP值較高。但當太陽能集熱溫度到達一定值時，反而并聯模式運行性能相對較好。哈爾濱工業大學的余延順[6]等人在哈爾濱地區的氣象地理條件下分析研究了太陽能熱泵熱水系統的不同運行工況，得到了動態運行工況下的太陽能總集熱量和集熱效率分別高出靜態運行工況下的23.1%和22.7%的結論。

圖2 串聯式系統

圖3 并聯式系統

1.2.2 并聯式系統

并聯式系統中有2種熱源分別提供熱量供熱，如圖3所示。太陽能集熱系統單獨供熱運行是在太陽輻射充足條件下，使系統具有更好的經濟性；當陰雨天氣或太陽能強度弱時，空氣源熱泵單獨運行或開啟共同運行，使系統具有較好的穩定性。并聯式系統可直接利用太陽能產生熱水，太陽能集熱系統和熱泵系統單獨工作互不干涉，便于控制且系統維修方便。劉杰[7]等人選取蘭州地區一幢別墅建筑作為供暖對象，結果表明，并聯耦合系統在太陽能輻射吸收量、熱泵運行效率上均優于單一空氣源熱泵，大幅度提高了太陽能集熱器的運行效率，實現了24h供水運行，但耦合系統需要考慮集熱器面積大小，超過一定范圍會削弱集熱效率。

鐘浩[8]等根據昆明地區的氣候特點，對空氣源熱泵耦合太陽能系統進行了一系列測試。結果表明，該系統具有較大的節能潛力，在耦合系統中空氣源熱泵系統COP值可達3.8以上。靳路[9]等人研究表明，在石家莊農村獨立住宅中太陽能與空氣源熱泵系統中太陽能保證率平均為46%，空氣源熱泵系統COP值為4.5，其中太陽能集熱器的供熱占比為59%。

1.2.3 混合式系統

混聯式系統可實現不同熱源多種運行模式的轉換。當太陽能充足時，太陽能系統單獨供熱，多余的熱量可運送到儲熱水箱中；當太陽輻射不足時，太陽能熱泵系統與熱泵系統串聯運行；連續陰雨無太陽時，開啟空氣源熱泵系統供熱，優先使用蓄熱水箱中的熱量輔助熱泵系統。混聯式系統運行模式復雜，精準度要求高，需要根據不同氣候特征及室內外溫度轉換不同的運行模式。

單明[10]等人選取示范戶位于北京市平谷區農村，取暖系統為太陽能熱水集熱系統加4kW流變頻低溫空氣源熱泵熱水機，末端機組采用地熱輻射采暖，整個取暖季太陽能熱水循環泵耗電約151kWh，低溫空氣源熱泵熱水系統耗電6104kWh。

天津大學陳雁、李新國[11]等學者通過建模模擬分析了復合系統，實驗結果顯示，在天津地區采用太陽能與熱泵系統耦合比氣源熱泵單獨供熱要經濟很多。因此，太陽能與空氣源熱泵耦合系統能夠高效、可靠地運行，具有節能、環保的優點，有望為國家的節能減排貢獻力量。

2 太陽能光伏耦合空氣源熱泵系統

采用太陽能光伏與空氣源熱泵組合系統是一種新型建筑采暖方式，容易實現建筑一體化設計，適用我國北方寒冷地區氣候特點。采取空氣源熱泵和光伏發電系統，可充分利用自然的太陽能，避免長途運輸造成的損耗，易于操作，便于維修。太陽能光伏發電作為清潔新能源可以對空氣源熱泵進行供電補充，有效降低公用電網供給空氣源熱泵的電能使用量。但該系統需考慮高耗能、間歇工作的因素，對于供熱強度大的建筑需對應較大面積的光伏太陽能電池板。

圖4 光伏太陽能耦合空氣源熱泵運行原理圖

東南大學的周偉[12]等人研發了新型裸板式多孔扁盒集熱器，搭建了太陽能光伏耦合空氣源系統實驗平臺。根據系統不同運行模式，提出耦合運行、太陽能單獨運行、空氣源單獨運行3種不同模式。針對3種不同模式在夏季工況下，對比單獨運行的太陽能和空氣源模式，耦合熱源模式COP提高了24.47%和40.14%。

Meysam、符慧德[13-15]等將圓筒熱管與光伏組件結合設計出基于熱管的PV/T系統并將其與熱泵結合，設計出了基于圓筒熱管的太陽能熱泵系統，熱泵系統平均COP可達到4.87，光電效率基本在11%以上。杜伯堯[16]設計新型太陽能光伏/空氣集熱蒸發器并搭建了實驗臺，緩解了太陽能受天氣影響的弊端，光伏太陽能耦合空氣源模式下系統COP在3.2～4.2。

3 新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統

在我國北方村鎮地區，傳統型熱泵會出現凍裂無法運轉、制冷劑流量降低、供水溫度不高等問題，對整個系統造成影響。直膨式系統優勢在于較高的集熱效率與系統性能，但受太陽能輻射強度影響較大，存在不穩定性的特點；非直膨式的優點在于系統具有更好的經濟性和穩定性，然而受天氣條件影響較大，不好單一控制，需要改善低溫環境下熱泵系統的制熱性能，精度要求高；光伏太陽能空氣源熱泵更適合城市地區，初投資大，但這些形式并不適用于北方獨立村鎮供暖建筑。因此，針對北方大部分的獨立住宅供暖建筑及熱泵存在的問題，提出一種適用于北方村鎮建筑的供暖方式，對熱泵的結構進行調整。

太陽能集熱系統與空氣源熱泵系統采用雙源蒸發器為核心部件進行耦合供熱。該系統將太陽能未滿足供熱要求的熱水或循環介質轉至空氣源熱泵中，促進空氣源系統運行，通過提高轉換溫度達到提升換熱效率。該系統可循環3種模式，空氣源熱泵單獨供熱蓄熱模式、太陽能集熱系統單獨供熱蓄熱模式、太陽能與空氣源熱泵耦合模式。雙源蒸發器可流通3種介質進行熱交換，可使制冷劑同時與內管的太陽能熱水和外表面的空氣進行換熱，熱泵同時或單獨與空氣和液態熱源2種熱源的熱交換，實現能源的T級利用。

圖5 新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統流程圖

4 結論與展望

太陽能與空氣源熱泵耦合系統能有效提高冬季空氣源熱泵工作效率，對于緩解北方村鎮供暖造成的污染會有很大的改善，未來的市場應用前景十分廣闊。

不同地區的太陽能資源、輻射時間和室外環境溫度、太陽輻照量均有不同。因此不同地區耦合系統應選擇適合的耦合方式，避免系統受工況變化的影響，對應不同氣候特征的村鎮建筑供暖，提供一一對應的耦合熱源模式。

新型太陽能—空氣雙熱源耦合系統充分實現了能源的最大化利用，通過電動閥門及溫度傳感器調節供回水的流向，大幅度提高空氣源熱泵的運行效率，將太陽能未滿足供熱需求的傳熱介質傳遞給空氣源熱泵中，進行熱量傳遞，也保證了熱泵系統在低溫下防凍的效果，可適用于北方嚴寒地區的清潔供暖。

太陽能與空氣源熱泵耦合系統可以解決單一能源運用的局限性，合理應用可以減少運行能耗，大幅提高了整個系統的能源利用效率，且節能收益較好，可使系統實現全年節能運行。同時，可解決村鎮建筑供暖過程中存在的能源浪費、環境污染等問題，改善村鎮生態環境、提高人民的生活質量，真正實現了綠色取暖、零碳排放，在北方地區適合大面積推廣。