蓄能技術在空氣源熱泵系統中的應用與發展

文 博,張子靜

1.蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730030 2.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030

1 蓄能技術的重要性

在空氣源熱泵系統中應用蓄能技術的重要性主要體現在以下四個方面：（1）傳統空氣源熱泵除霜系統需要由制冷替換供熱模式，再由冷凝器替換蒸發器實施除霜工作，而通過蓄能裝置進行除霜，則能有一定的熱量支撐，加上科學合理地采取運行策略，能在很大程度上避免在除霜階段對末端用戶的供熱效果造成影響；（2）在空氣源熱泵系統中應用蓄能技術，能夠有效調節電力負荷；（3）在對供熱進行調節的過程中，能避免出現用戶熱需求和熱供給不平衡的現象；（4）蓄能技術可應用在太陽能集熱系統、空氣源熱泵熱水機組等不同的熱泵系統中。

與傳統供熱方式相比，空氣源熱泵具有初投資低、安裝靈活，以及節能等優勢，正是因為這諸多優勢，空氣源熱泵的應用越來越普遍。值得注意的是，雖然空氣源熱泵發展前景大好，但在較為寒冷的地區，室外低溫環境會增加空氣源熱泵技術的壓縮比，對機組正常運行造成一定的影響。若想從根源上解決空氣源熱泵的這一不足，還需結合蓄能技術，進一步完善與優化空氣源熱泵，保證低溫工況效率。

2 蓄能技術的類型

（1）顯熱蓄能。顯熱蓄能主要是通過提高蓄能材料溫度的方式達到蓄能效果，這種熱能的儲存方式與蓄能材料的溫度和熱能量都有著密不可分的聯系。通常在顯熱蓄能密度較小的情況下，還需要有較大的蓄能容積來支撐。

（2）相變蓄能。通過蓄能材料的相變，能夠達到熱量儲存和釋放的目的。受蓄能材料相變潛熱高出顯熱的影響，相變蓄能的熱能密度要比顯熱蓄能高出很多。除此之外，相變蓄能具有諸多優勢，如設計簡單、熱能密度高等，可將相變蓄能技術與空氣源熱泵進行有機結合并加以應用。

（3）熱化學反應蓄能。若想更好地實現蓄能，利用可逆熱化學反應能實現這一目標。與顯熱蓄能和相變蓄能這兩種方式相比，熱化學反應蓄能所儲存的熱能密度更高。值得注意的是，受熱化學蓄能研究不充足的影響，其并未在商業方面進行應用。

3 蓄能技術在空氣源熱泵系統中的應用

3.1 雙級耦合熱泵系統

在普通風冷式空氣源熱泵系統供熱的過程中，其最低溫度一般不低于-7℃，如果低于最低溫度，則會出現結霜或者壓縮比過大等問題，從而降低系統效率。若想更加妥善地解決傳統空氣源熱泵在寒冷地區效率不高的問題，還需要對雙級耦合熱泵進行深入研究。雙級耦合熱泵系統如圖1所示。

圖1 雙級耦合熱泵系統原理

雙級耦合熱泵作為傳統空氣源熱泵系統的升級版，是低溫側空氣源熱泵機組、高溫側水源熱泵機組的結合版本。將封閉水系統安裝在兩個系統間，低溫側機組能為高溫側機組提供15℃左右的水，再由高溫側機組向末端用戶提供熱源，當然也可結合室外的真實溫度，隨時切換單、雙級，實現供熱效率的大幅度提高。與單級熱泵系統相比，雙級熱泵系統能有效減少壓縮機壓縮比，即使是在寒冷地區，也能有效改善空氣源熱泵性能，促進該系統的高效、持續運行。除此之外，雙級耦合熱泵需分別在低溫和高溫環境下同時運行，因此還需要利用不同的制冷劑。值得注意的是，受不同制冷劑蒸發溫度差異的影響，若想提高整個系統的運行效率，還需要明確最佳中間環路溫度。

3.2 蓄能除霜系統

從蓄能方式、空氣源熱泵的應用環境來看，空氣源熱泵和蓄能技術的組合方式有很多種。結合相變蓄能裝置的特點，帶有相變蓄能裝置的空氣源熱泵系統應運而生，其原理如圖2所示。

圖2 帶有相變蓄能裝置的空氣源熱泵空調系統原理

3.3 太陽能蓄熱系統

太陽能資源優勢諸多，主要體現在安全、潔凈以及儲量大等方面，可作為傳統不可再生能源的替代能源，但是在儲存與利用方面難度較大。隨著我國蓄能技術突飛猛進的發展，從中低溫熱能利用領域的角度來看，無論是太陽能地源熱泵系統、太陽能空氣源熱泵系統，還是太陽能吸收式熱泵系統都具備明顯的節能效果。這些系統都需要有蓄能裝置的支撐，以此為系統穩定性提供保障，同時也能進一步提升供熱效果。太陽能蓄熱系統是通過太陽能集熱器來達到收集熱量的目的，再通過顯熱蓄熱裝置對熱量進行有效的儲存，并通過熱泵利用熱源。為妥善解決冬、夏季節熱需求與熱供給的失衡問題，可設計季節性中央太陽能蓄熱裝置，如圖3所示。在寒冷區域，可設計太陽能與低溫空氣源熱泵復合空調系統，如圖4所示。

圖3 季節性中央太陽能蓄熱裝置

圖4 太陽能與低溫空氣源熱泵復合空調系統

太陽能與低溫空氣源熱泵復合空調系統可實現兩個熱源的優勢互補。首先，合理利用空氣源熱泵系統，不僅能有效減少太陽能集熱器數量、減小蓄熱水池體積，還能對初期投資進行嚴格把控。其次，設置太陽能季節性蓄熱水池可在實現調峰作用的同時，從根源上減少空氣源熱泵在低溫環境下的運行時間，從而為供熱系統的安全穩定提供保障。

在太陽能輔助空氣源熱泵系統的基礎上，也可結合實際情況增加蓄能裝置，形成太陽能輔助空氣源熱泵蓄能系統。太陽能輔助空氣源熱泵蓄能系統由3套管蓄能型換熱器組合而成，利用數據模擬等方式，可充分掌握蓄能容量和釋能速率之間的關系。在此基礎上，可構建二元串聯黏性模型，合理設計蓄能換熱器，并在最大程度上降低傳熱結構不對稱的影響，提升系統全年運行的節能效果。目前蓄能器種類繁多，相關工作人員在具體選擇時還需要結合實際情況，對各相變材料在各蓄能器中的蓄熱與放熱階段的優化進行更加深入且細致的探討。

4 結束語

綜上所述，通過蓄能技術雖然能改善供熱工況，利用峰谷電價實現經濟效益，但由于大規模供熱實例較少，還需要相關人員結合實際情況加強完善與優化蓄能型空氣源熱泵系統。蓄能熱泵應用于雙級耦合熱泵系統，主要是融合了蓄能與雙級耦合技術的優勢，不但解決了雙級耦合熱泵存在的缺點問題，而且也能有效降低空氣源熱泵系統的溫度。