空氣源相變儲能復合熱泵系統的運行分析

梁 琦 王 卓

（沈陽恒久安泰環保與節能科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

空氣源熱泵是使用環境空氣制冷和取暖等外部熱源的供熱和制冷及低溫熱能轉換中的熱能高的電能來控制工作材料的熱循環制冷的空氣調節。空氣源熱泵廣泛應用于辦公樓、賓館、工廠及各類住宅建筑。空氣源熱泵機組占建筑空調的45%以上。空氣源熱泵機組部分負荷為45%～70%，機組性能系數高；當部分負載小于45%或大于70%時，機組性能系數顯著降低。因此必須對其進行調整，以致熱泵裝置滿負荷或部分負荷與性能系數高，這有利于發揮績效目標股的工作量熱泵性能系數，實現熱泵系統的改進。

1 空氣源相變儲能復合熱泵系統的原理及其組成

空氣源相變儲能復合熱泵系統的工作原理：系統運行時，通過一級熱泵（空氣源熱泵）將低溫循環工質溫度提升至23℃左右；升溫后的循環工質通過相變儲能箱進行恒溫調節，在此過程中將循環工質中多余的熱量儲存在相變儲能箱中，為二級熱泵提供20℃左右的熱源；然后，二級熱泵將循環工質溫度提升至60℃以上，升溫后的循環工質將熱量傳遞給末端循環水，使循環水溫度升高至60℃左右；最后，系統將60℃的高溫循環水傳遞給用戶末端供用戶使用。

1.一級熱泵工作原理為制冷劑通過蒸發器從空氣中吸收熱量，形成低溫低壓的氣體，低溫低壓的氣態制冷劑進入壓縮機壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態制冷劑在冷凝器中放熱，將熱量傳遞給低溫循環工質，冷凝后的高溫高壓液態制冷劑經過節流閥節流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次進入蒸發器吸熱，如此往復循環。

2.相變儲能箱的工作原理為從一級熱泵冷凝器中吸熱升溫的低溫循環工質，經過閥門進入相變儲能箱中進行恒溫調節。當進入相變儲能箱的低溫循環工質的溫度低于23℃時，相變儲能箱中的無機相變材料放熱，低溫循環工質吸熱；當進入相變儲能箱的低溫循環工質的溫度高于23℃時，低溫循環工質放熱，將多余的熱量儲存在相變儲能箱中，為二級熱泵提供恒定的熱源。此外，在一級熱泵除霜期間，相變儲能箱為一級熱泵提供低溫熱源，使系統實現高效除霜，保障了系統的穩定性[1]。

3.二級熱泵的工作原理為蒸發器中的制冷劑吸收低溫循環工質的熱量，形成低溫低壓的氣體；低溫低壓的氣態制冷劑進入壓縮機壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態制冷劑通過冷凝器放熱，將熱量傳遞給用戶末端的循環水，使循環水溫度升高至60℃左右，冷凝后的高溫高壓液態制冷劑經過節流閥節流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次回到蒸發器中吸熱，如此往復循環。

2 空氣熱泵的分類

2.1 雙蒸發器型

雙蒸發器型是目前最常見的雙源熱泵系統，蒸發器由兩個介質換熱器組合而成，復合熱源分別為空氣和淺層地能，工質可以通過兩種不同形式的蒸發器，分別與兩種熱源的熱媒進行獨立的熱交換。其工作原理為：將空氣源熱泵系統和水地源熱泵系統進行結合，并共用系統的冷凝器、壓縮機和蒸發器，將空氣源與地源結合在一起，根據冬夏季不同工況切換兩種熱泵的使用模式。

雙蒸發器型雙源熱泵的實際應用性需要進行測試分析，進一步分析其在各個地區的推廣適用性。某學者測試了空氣源輔熱的雙源熱泵對土壤熱不平衡率的影響，得出當空氣源輔熱采用“過渡季節補熱、供暖季優先”運行策略時，可有效降低地源熱泵取熱量。某學者基于某綠色辦公建筑，對比分析了土壤源熱泵單獨運行和雙源熱泵運行時供回水溫度、換熱量和性能系數以及能耗的差異。某學者測算出雙源熱泵全年EER（系統能效系數）為傳統空氣源熱泵+燃氣鍋爐方案的兩倍之多。以上案例均顯現出通過不同的運行策略，雙源熱泵系統在不同地區的應用前景。

2.2 復合蒸發器型

復合蒸發器熱泵系統用一個三介質換熱器替代兩個單獨的換熱器，既能實現單一熱源換熱，也可以實現空氣和水兩種非同態熱源與制冷劑同步換熱。復合熱源熱泵系統蒸發器的核心設備是三介質復合式換熱器，復合熱源大多為太陽能、淺層地能、廢熱和空氣，其中制冷劑可以通過三介質復合式蒸發器，同步或交替與兩種熱源進行熱交換。工作時，將地下埋管換熱器中的熱媒水送至空氣-地源雙熱源復合換熱器，同時開啟復合換熱器水側的閥門和空氣側風機的開關，形成空氣-地源雙熱源復合供熱，通過進入的水提高熱泵系統的制熱量。

復合換熱器型雙源熱泵系統的性能分析，可以從土壤熱平衡性、系統COP、經濟性等方面研究。某學者提出以土壤熱平衡為基準，綜合考慮土壤熱不平衡和空氣源熱泵的運行特性，確定了復合換熱器中兩種熱源最佳復合溫度的方法，證明了空氣-土壤源雙熱源熱泵比單一的土壤源熱泵系統運行更穩定且COP 更高，能夠實現整個系統的長期高效運行。某學者從系統COP 的角度，得到該系統可解決低溫環境下單一空氣源熱泵制熱量不足、能效比顯著下降的結論。但是，該測試僅從提升空氣源熱泵性能的角度分析，沒有針對單一（水）源模式進行數據采集，無法綜合得出系統優越性的結論。某學者的實驗顯示，蒸發器進風溫度和進水溫度的有效溫差是空氣-水雙熱源模式中制熱的關鍵因素，但是并沒有給出最佳有效溫差控制范圍。對此，某學者通過結合室外空氣溫度、室外空氣流量、水側溫度和水側流量，提供了不同條件下，計算復合供熱模式有效溫差的方法，確定了熱源工作模式合理的工作溫度范圍。

對復合換熱器型的雙源熱泵而言，仍存在需要解決和討論的問題，如溫差較大的兩種熱源混合引起的熵產、結構復雜造價偏高、維護管理成本偏大等問題。復合式換熱器的兩種介質處于同一蒸發溫度，在低溫環境下，空氣介質通道蒸發能力減弱，不僅無法吸收空氣中的熱量，甚至會惡化水介質通道的蒸發吸熱，所以復合式換熱器形式的雙源熱泵不適合嚴寒地區[2]。

3 生物質耦合發電技術

3.1 熱泵系統熱風風量的影響

熱泵系統參數隨熱風風量的變化，在熱風風量逐漸增加時，系統的制熱量先增加后趨于穩定，壓縮機的功耗在增加,這是因為風速較小時，在過熱區還來不及蒸發的液態制冷劑進入兩相區，由于兩相區所占比例更大，在風速增大的過程中液態制冷劑在兩相區域內得到完全蒸發換熱，因此在風量剛開始增大時蒸發器側的換熱良好。在風速持續變大的過程中，過熱區長度增大,同時兩相區長度減小，這促使在過熱區中大部分液態制冷劑被蒸發，雖然蒸發器側的傳熱系數增大，但是換熱量卻基本維持不變。因此，系統的制熱性能系數COP 呈現先增加后減小的趨勢，存在一個最大值。增大熱風風量時壓縮機的功耗增大，不利于系統的穩定運行，但系統的制熱量先增加較快，后基本保持不變，綜合考慮系統的制熱量和壓縮機功耗以及COP，得出熱風風量控制在5000m3/h 以內時系統的各項參數較佳，而不是越大越好，較大的風速也會使風機發出的噪聲更大。系統的排氣溫度和熱風風量呈正相關，偏差基本保持在 10%以內。

3.2 多源耦合熱泵循環

空氣源熱泵空調在嚴寒地區的應用受到限制，存在低溫適應性差和負荷匹配性問題，而與其他可再生能源熱泵相結合，采用多源耦合的熱泵可彌補單一空氣源熱泵空調的不足，獲得高效復合熱泵系統。太陽能熱泵系統利用太陽能為蒸發器提供熱源，只能在白天間歇性工作，空氣源-太陽能復合熱泵可持續供熱，實現高效運行。采用雙套管蒸發器，太陽能熱水流經內管，制冷劑在內外管之間的環形通道流動，外管則從空氣中吸收熱量，實現太陽能、空氣熱能與制冷劑同時換熱，該系統的熱效率高于傳統太陽能熱泵系統。新型的太陽能輔助空氣源復合熱泵，在室外溫度為-7℃時，復合熱泵較單一空氣源熱泵空調制熱量提高約24%，能效提高25%以上。地源熱泵將地下淺層土壤的熱能作為熱源，是一種高效、節能的熱泵系統，但長期不間斷運行會導致土壤出現取排熱失衡等問題，空氣源-地源復合熱泵可減小埋管面積，降低成本。將傳統的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結合，作為空氣-地源雙熱源熱泵系統的復合換熱器，實現了不同熱源在同一換熱器中與制冷劑同時進行換熱。

3.3 生物質鍋爐與空氣源熱泵聯合供暖

我國的資源儲備十分豐富，尤其生物質能源數量很大，有很高的利用潛能。我國目前生物質資源可轉換為能源的潛力約5 億t 標準煤[3]，今后隨著造林面積的擴大和經濟社會的發展，生物質資源轉換為能源的潛力可達10 億t 標準煤。目前，使用生物質能源的方法有以下幾點：（1）通過生物質進行發電。2020 年通過生物質的發電量為510 億kW 時，利用生物質發電已經很普遍了。（2）生物質成型燃料。我國2020 年使用生物質成型燃料的總量約為5000 萬t，這些燃料大多使用在城鎮采暖或者工業上的供熱等方面。（3）生物質氣體。2020 年，我國的沼氣年產量約為190 億m3，大部分都用于各個家庭，約4000 萬戶。美國、丹麥、挪威的生物質能源的利用情況都非常好，在這三個國家，將生物質作為能源占總能源的比例分別是5%、17%、15%。在美國市場上，有一些使用生物質顆粒作為燃料的取暖爐，已經在很多家庭使用起來了。與其他國家相比，歐盟在生物質能源方面的科技水平非常高，發展得也很快，現在已經十分完善了。歐洲在采暖方面，利用生物質能源的采暖量大概為總采暖量的 12% 。鍋爐熱損失最大的是排煙熱損失，所以如果可以盡可能地回收煙氣的熱量，便可以很大程度上提高鍋爐的制熱效率。而空氣源熱泵在低溫環境下的制熱效率不高，且容易結霜，使設備壽命縮短，兩種供暖方式都有缺點，可以將鍋爐的排煙熱量利用起來給空氣源熱泵進行預熱，不僅回收了鍋爐的排煙熱損失，又能防止蒸發器結霜，還可以提高整體系統的供暖效率，從而使兩種供暖方式的缺點互補。

4 蓄熱運行策略優化

4.1 相變蓄能模塊性能分析

選取晴天工況下進行整機模擬運行，在15:00-18:00 共3h 系統不間斷運行向相變蓄能換熱器提供熱量，通過實驗數據得出，從15:00 開始相變材料內部溫度呈逐步上升趨勢，直至15:45 接近相變溫度點23℃，這一階段是相變材料的蓄熱過程，且蓄熱速度大于取熱速度，內部相變材料進行顯熱蓄能；15:45-17:10 之間相變材料內部溫度一直維持在約23℃，此時相變材料溫度已達到其相變點，熱量開始轉化為潛熱存儲在相變蓄能換熱器中；17:10 后相變材料的溫度又開始呈上升趨勢，這一階段表示相變潛熱蓄能已接近飽和狀態，且蓄熱速度仍然大于取熱速度，又開始顯熱蓄能，直到18:00 相變蓄能換熱器容量儲存結束。此后相變蓄能換熱器主要起到調節中間溫度的作用，使二級熱泵始終在高效區穩定工作，并在極端工況下釋放熱量，能滿足用戶至少2h 需熱量。

4.2 系統在陰雨雪工況下制熱量與耗熱量

選取陰雨雪天氣工況進行測試，平均溫度僅為-7℃，最低溫度達到-10℃，最高溫度僅為-3℃，且溫度波動較大，最大溫差達到10℃。同時室外的相對濕度也相對較高，全天中約有20h 的空氣相對濕度超過65%，空氣源熱泵室外機易結霜，對于空氣源熱泵的運行會產生較大影響。

5 結語

本系統主要針對空氣源復疊式相變蓄能熱泵供暖系統進行試驗測試，試驗表明：

1.系統在晴天工況下運行時，在滿足室內20℃供暖要求時，能在供暖負荷較低的情況下將空氣能進行相變蓄能儲存；系統的瞬時COP 值始終處于較高的水平。

2.系統在陰雨雪天氣工況運行時，相較于晴天時COP 值有大幅下降，但相對于傳統的供暖方式，此系統具有波動幅度小、供暖舒適性優越且經濟節能環保的優勢。

3.綜合在兩個典型工況下系統的運行狀況可知，系統運行制熱量大于耗熱量，且在更低的蒸發溫度情況下具有良好的除霜性能，有效解決了傳統空氣源熱泵頻繁除霜的低效性。