低溫環境復合熱泵性能提升技術研究進展★

高昊天，苑 翔，季軒昂

(北方工業大學,北京 100144)

1 概述

低溫環境下空氣源熱泵運行存在諸多問題,例如壓縮機吸氣比體積增大,輸氣系數減小,還會產生結霜,機組吸氣量迅速下降,造成工質循環量減少,制熱量降低,同時潤滑油積存在氣液分離器,還會造成壓縮機缺油。研究發現隨著環境溫度的降低,空氣源熱泵排氣溫度會大幅度提升,工質的質量流量、制熱量、輸入功率均會下降,目前國內外有很多研究從不同角度出發來提升空氣源熱泵系統能效比。例如采用分級壓縮、對系統進行補氣增焓等方式,但這些技術都存在一定的限制條件和弊端。從換熱器的結構特性角度分析,復合式熱泵技術可有效提升系統性能,節能潛力巨大。

2 提升熱泵性能的研究現狀

2.1 傳統熱泵性能提升技術

目前應用較為廣泛的幾種熱泵性能提升技術是復疊式技術、雙級壓縮技術、補氣增焓技術。表1總結了幾種技術在實際應用中的優勢與劣勢。

表1 改善低溫空氣源熱泵技術的優缺點

2.2 熱水式復合換熱器

在2009年,周光輝[1-3]最早提出了新式復合換熱器的概念,傳統的換熱器在低溫環境下無法充分吸熱,復合換熱器由三部分組成,分別為內套管、外套管和外管翅片。如圖1所示,制冷劑流經外套管,分別從內套管的太陽能熱水和外管翅片的空氣中吸收熱量,制冷劑對兩種熱源同時吸收熱量,實現了熱泵的復合換熱。

在該概念提出后,有學者將復合熱泵分為了交替運行和聯合運行[4]。緊接著對于熱水式的復合熱泵分為了兩個研究方向,分別為不同工況下系統運行測試和換熱器結構參數變化下系統運行測試。對于前者,張迎迎等[5-6]將復合熱泵與單一熱泵的制熱量進行了對比分析,通過實驗研究發現,復合式熱泵的制熱量遠高于單一熱泵,太陽能熱水25 ℃～30 ℃所產生的制熱量低于20 ℃～25 ℃所產生的制熱量,但前者的換熱更為穩定。張超[7-8]研究發現相同水流量下,系統能效比隨著熱水溫度的提升而提升。空氣側進口溫度和系統制熱量成正比關系,并且研究還發現,進口溫度提升會導致空氣側換熱量的下降。進口溫度提升,制冷劑將主要從太陽能水中吸熱,由于溫差的影響,系統將會向空氣中放熱,空氣源部分的熱量將不會得到充分利用。張璽等[9]進一步研究發現,隨著復合系統的進水溫度提升,系統能效比提升21.4%。對于換熱器結構參數的研究,張超等[10]通過數學模擬得出結論,隨著換熱器翅片間距的增大,系統能效比將呈現下降趨勢。董家昀[11]研究發現復合換熱器外管管徑越大、環境溫度越高,翅片間距對系統制熱性能影響幅度越小。此外還可以將太陽熱水替換成地埋管出水[12-13],工業余熱廢水,這可使系統穩定運行,避免土壤熱不平衡現象,將熱源高效利用。

熱水式復合熱泵由于結構的特殊性可提高換熱效率,進一步提升了低溫環境下熱泵的供熱性能,但需要考慮到雙熱源溫差、進出口溫度等變量的影響。此外對于翅片間距、套管布置等換熱器結構參數也需進一步合理調配。

2.3 PV/T式復合換熱器

PV/T集熱器式復合熱泵系統可實現兩種供熱模式,分別為單空氣源供熱模式和雙熱源供熱模式。太陽能光伏組件的利用可提升發電效率,利用光伏電池的預熱還可以改善低溫環境下設備結霜的問題。換熱器組成構建如圖2所示。

王崗[14]首先用太陽能加熱裝置模擬太陽能光伏集熱系統,結果顯示,PV/T換熱器展現了優越的供熱性能,隨后將熱水溫度加熱控制在15 ℃～50 ℃的區間范圍內,相較于傳統空氣源熱泵,系統制熱性能可提升5%～11%[15],PV/T復合型熱泵系統的加熱時間和系統耗電量都有所降低。同時Tong[16]也對該技術做了性能測試,在室外溫度4.3 ℃,平均輻照度644 W/m2的條件下,系統瞬時COP從2.3漲到了3.0。太陽輻照度是影響系統制熱性能的關鍵,研究發現太陽輻照度與光電功率、光電效率、制熱功率及熱泵COP均成正比關系[17]。

此外在原有設計基礎上還呈現出了不同種PV/T換熱器的演變形式。王崗等[18]在原有的思路基礎上設計了微熱管陣列的空冷式PV/T系統,該系統的電效率能達到11%,熱效率能達到24%,綜合效率能達到55.8%。褚磊馳[19-20]設計了光伏直驅型PV/T雙源熱泵,因為光伏直驅一定程度減少了能量傳遞損失,所以相較于傳統PV/T雙熱源熱泵,光伏直驅型熱泵進一步提升了制熱性能。Yang[21]設計了集成復合拋物面聚光器-毛細管太陽能集熱器,這種聚光器尺寸更小,經濟效益更高,可很好的適用于家庭供熱。

研究發現PV/T換熱器可提升系統能效比,具有高效、多功能、可調節等特點。能結合環境和用戶需求調節其供熱模式,并且也衍生出了微熱管陣列的空冷式PV/T系統、光伏直驅型PV/T系統,未來可進一步拓展系統的應用范疇。

2.4 循環式復合熱泵系統

對于循環式復合熱泵的研究開展較早,以串聯式太陽能熱泵系統為例,集熱器吸收太陽能的熱量后,將熱量傳遞給蓄熱水箱,水箱中的熱水流經空氣源熱泵蒸發器,對蒸發器進行補熱,隨后經過壓縮,冷凝,節流完成循環。循環式復合熱泵原理圖見圖3。

對于復合集熱器方面的研究,方雷[22-23]將傳統式的蒸發器和集熱器相結合,設計成了復合式蒸發集熱器,他將不同蒸發器面積進行了經濟性分析,同時選取廈門和成都兩地,進行全年運行性能分析。結果顯示,在選取最佳經濟性能的復合式蒸發器運行期間,廈門地區系統平均制熱性能最高能提升5.49%,全年能源消耗效率提升8.99%;成都地區系統平均COP最高能提升11.08%,全年能源消耗效率提升13.61%。

不同參數如環境溫度、太陽輻射照度對于系統性能也有影響。榮維來等[24]搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實驗臺。實驗結果發現,以太陽能為單一熱源的熱泵系統在不同天氣情況下均可達到設定水溫并平穩運行。晴天時,系統制熱量呈現先增大后減小最終趨于平緩的規律,最大值出現在中午13:00,為9 kW,系統的COP在3.0～3.6之間,平均COP為3.4。李思琦[25]驗證了新型直膨式太陽能/空氣能熱泵機組在農村建筑中制熱性能優劣,并且他將理論與實踐結合,利用TRNSYS軟件建立仿真模擬系統,結果表明在太陽輻射最高的13:00左右,熱泵的制熱量和COP值達到一天中最大值。李珍[26]根據不同種的太陽能和空氣源熱泵耦合組合方式進行了研究,結果表明,單一空氣源熱泵COP最低,其次是太陽能與冷凝器并聯,太陽能中溫增焓系統COP最高,達到了3.26。Luonan Xu等[27]在昆明和香格里拉建立了太陽能-ASHP系統,并在這兩個地區測試了系統在不同天氣條件下的性能,結果表明在非太陽光時段,環境溫度降低1 ℃時,能效比降低約0.07。Guodong Qiu等[28]提出了一種新的集成系統。采用仿真方法對該新型系統的特性和最佳工作條件范圍進行了比較研究。通過與上述兩種現有系統的比較,結果表明,在大多數中等太陽輻射條件下,新型系統具有最佳性能,當室外溫度為-25 ℃時,其COP比兩種現有系統提高約55%。

3 展望

基于以上研究及存在問題,提出一種雙熱源熱泵系統(見圖4),即空氣源/水源熱泵系統。如圖5所示,制冷劑先后經過風路蒸發器和水路蒸發器,經過二次換熱,節能效果顯著。雙熱源蒸發器在風路和水路之間增設控制閥門,可調節閥門大小控制水量,進而控制雙蒸發器面積配比,同時在水路一側增設導熱管,被熱水導熱后的熱管將空氣預熱,可進一步提升系統能效比。當室外溫度較低時,可以完全開啟閥門,此時系統可被看作為單水源熱泵系統,相反若水源受水質、含鹽量等因素影響較大,可以完全關閉閥門,此時系統可被視為單空氣源熱泵系統。后續需進行實驗研究,并結合仿真模擬,可以改變水溫、水流量,改變不同蒸發器面積配比,分析不同工況下對于熱泵供熱性能的影響。

4 結論

低溫環境下空氣源熱泵會存在結霜、系統性能下降等問題,根據換熱器不同的類型、排列形式總結了三種復合式熱泵技術,可很好的將空氣源與綠色能源相結合。對復合熱泵技術進行的總結如下:

1)熱水式復合換熱器由于其排列形式的特殊性可提升系統性能,不同進口溫度和系統性能呈正比關系,翅片間距和系統性能呈反比關系。此外由于水側和空氣側位置緊密相連,二者溫度不同所產生的溫差會導致系統不能很好的吸收空氣源中的熱量。

2)PV/T式換熱器可以切換為單空氣源系統供熱模式和雙熱源兩種供熱模式,根據環境溫度的不同實現合理調配。太陽能光伏組件的利用可提升發電效率,系統可以很好的體現節能性和經濟性優勢。

3)對于循環式熱泵系統的研究開展較早,該系統受太陽輻射照度影響較大,未來在考慮節能、低碳的前提下可積極探索新能源,將地下水、工業余熱廢水作為補熱熱源。

4)可調節式雙熱源熱泵供熱模式,可在低溫環境下充分吸收熱量,提升系統能效比。未來將這一技術實現推廣,可提升系統能效比,降低碳排放,助力碳中和目標的實現。