一體式多能源耦合熱泵機組的性能研究

摘 要：傳統空氣源熱泵機組在低環境溫度中運行的能效低，隨環境溫度的降低，制熱量衰減嚴重，且存在潮濕天氣下運行時結霜嚴重、化霜時影響用戶采暖效果等問題。以一體式多能源耦合熱泵機組為研究對象，建立了實驗平臺，通過測試對該熱泵機組的性能系數（COP）進行分析研究。研究結果表明：1）一體式多能源耦合熱泵機組采用模塊化設計，安裝快捷方便，系統控制簡單，且初始投資較低。2）通過全流道雙效集熱板和風冷換熱器可吸收自然環境中的太陽能、空氣能、水汽能等多種能源，實現了一機多能源互補，有效解決了傳統空氣源熱泵機組在環境溫度低時能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運行的問題。3）在環境溫度為2.2～3.8 ℃，日均太陽輻照度為476 W/m2的條件下，一體式多能源耦合熱泵機組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間，比傳統空氣源熱泵機組的COP提高了22%左右。

關鍵詞：多能源耦合；熱泵機組；制熱量；性能系數；全流道雙效集熱板；風冷換熱器

中圖分類號：TK01+9 文獻標志碼：A

0" 引言

在當今能源資源短缺的時代背景下，為實現碳達峰、碳中和目標，節能減排及能源高效利用受到極高的關注，建筑采暖、工業用熱和養殖業供熱等領域均在尋求可高效利用能源的設備。目前，僅建筑采暖的能源消耗量在整個能源消耗總量中的占比就達到21%左右，通過技術革新或系統優化等方式減小建筑耗能勢在必行。熱泵技術是近年來在全球倍受關注的新能源技術，熱泵行業的快速發展，一方面是由于能源緊張使熱泵技術在節能方面的優勢日益凸顯；另一方面，是由于近年來采暖季空氣質量的持續惡化和“煤改電”政策的實施，使熱泵技術的環保特性受到格外青睞。

近年來，空氣源熱泵系統在一定程度上提高了能源利用率，且能達到零排放、零污染[1]；盡管其憑借低能耗、安裝便捷、智能化運行等優勢得到了廣泛應用，但是在快速發展的同時也暴露了極大的問題，例如：環境溫度低時，空氣源熱泵系統能效低，制熱量隨環境溫度的降低而衰減嚴重；在極端寒冷天氣下空氣源熱泵系統不能正常運行；在潮濕天氣下運行時熱泵機組結霜嚴重，化霜時在用戶側吸熱，影響用戶體驗等。為了解決這些問題，多能源熱泵技術受到廣泛關注，大量研究人員從不同方面對該技術開展了研究，并取得了一定成果和突破。

張超等[2]設計了一種太陽能-空氣雙熱源復合熱泵系統，其采用翅片-套管式雙熱源復合換熱器，然后對該復合熱泵系統的性能進行了研究。研究結果表明：該設計有效解決了在低室外溫度條件下空氣源熱泵蒸發器易結霜、系統性能降低的問題。在額定制熱工況下，當水流量為0.6 m3/h、

太陽能熱水的進水溫度達到14 ℃時，該復合熱泵系統的制熱功率可以達到2923 W，性能系數（COP）為2.99；在額定制熱（超低溫）工況下，當水流量為0.6 m3/h、太陽能熱水的進水溫度為0 ℃時，該復合熱泵系統的制熱功率可以達到2080 W，COP為2.56。

彭浩等[3]采用驗證后的TRNSYS模型，對采用水工質的光伏/光熱（PV/T）集熱器及系統的性能進行了優化研究。研究結果表明：在基準工況下，優化后PV/T集熱器的發電效率、熱效率和總效率分別提升了50.22%、27.47%和32.92%。以CO2排放量最低為優化目標，PV/T集熱系統存在最佳工質質量流量、最佳溫控器設置溫差和最佳水箱體積，在杭州應用時，優化后PV/T集熱系統的年熱效率、發電效率和總效率分別為32.41%、18.65%和51.06%；且該系統無論采用耦合電加熱還是熱泵，在CO2排放或成本上都具有一定競爭性。

黃國和等[4]提出了一種水汽能熱泵機組，其是以水汽能型熱源塔熱泵為核心，利用水蒸氣的相變過程，對中央空調系統進行重新設計，將常規的空氣能熱泵與空氣的換熱方式升級為與空氣中的水汽能熱量的精確收集和循環換熱方式，解決了因室外溫度低導致的水蒸氣結冰問題；同時由于太陽能加熱空氣會產生水蒸氣，因此實際上該熱泵機組還對太陽能進行了利用。

孔祥強等[5]在北方寒冷地區搭建了以R290為工質的直膨式太陽能熱泵供暖系統實驗平臺，對冬季不同運行工況下環境參數對該熱泵供暖系統熱力性能的影響進行了分析。實驗結果表明：R290直膨式太陽能熱泵供暖系統的COP保持在2.57～4.30之間。太陽輻照度每增加50 W/m2，該熱泵供暖系統的COP提升4.9%；環境溫度每升高1 ℃，該熱泵供暖系統的COP提升2.4%。

目前，研究人員對于多能源耦合的熱泵機組已經進行了大量的數值模擬和實驗研究，雖然提高了熱泵機組的制熱效率，但在熱泵機組的制熱量、運行和系統復雜程度上還有進一步優化的空間。基于此，本研究提出一種一體式多能源耦合熱泵機組，以其作為研究對象，在介紹此類熱泵機組的工作原理和特點的基礎上，通過搭建實驗平臺，對此類熱泵機組的COP進行測試及分析。

1" 一體式多能源耦合熱泵機組的工作原理

一體式多能源耦合熱泵機組主要由全流道雙效集熱板、風冷換熱器、壓縮機、套管冷凝器、電子膨脹閥、壓力平衡閥組成。全流道雙效集熱板和風冷換熱器用于提取自然環境中的太陽能、空氣能、水汽能等多種能源，以風、水、防凍液等作為能量的輸送介質，為建筑供暖、制冷及提供生活熱水。其中，全流道雙效集熱板為鋁板一次吹脹成型，表面具有雙效光敏熱敏涂層，通過對表面進行鏡面處理，使其在選擇性吸收太陽能的同時，還可吸收空氣中的水汽能并形成水膜，通過重力作用實現水自流。一體式多能源耦合熱泵機組的運行原理圖如圖1所示。

一體式多能源耦合熱泵機組可分為3個子循環系統，具體為：

1）雙效集熱熱泵循環系統，由全流道雙效集熱板、壓縮機、套管冷凝器、電子膨脹閥、壓力平衡閥組成，此部分的循環工質為R410a；

2）風冷熱泵循環系統，由壓縮機、套管冷凝器、電子膨脹閥、風冷換熱器和壓力平衡閥組成，此部分的循環工質為R410a；

3）供熱循環系統，由套管冷凝器和保溫水箱組成，此部分的循環工質為水[6]。

當天氣晴好時，利用全流道雙效集熱板表面的雙效光敏熱敏涂層，選擇性吸收太陽能和空氣中的水汽能，為雙效集熱熱泵循環系統提供熱量，同時還可以減少風冷換熱器翅片結霜的現象；當太陽能輻照儀監測到太陽輻照度不足時，雙效集熱熱泵循環系統和風冷熱泵循環系統協同工作，為供熱循環系統提供熱量；當陰雨天或夜間時，由風冷換熱器和全流道雙效集熱板吸收空氣中的空氣能和水汽能，共同為供熱循環系統提供熱量。在供熱循環系統中，可以利用水、風等作為能量的輸送工質，直接為用戶供暖、制冷及提供生活熱水。

2" 一體式多能源耦合熱泵機組的特點

一體式多能源耦合熱泵機組在設計和應用上均具有較為突出的優勢，其主要特點如下：

1）一體式多能源耦合熱泵機組采用模塊化設計，安裝快捷方便，且可以根據項目具體的環境因素進行合理設計。

2）相較于傳統的多能源獨立運行系統結合的應用方式，一體式多能源耦合熱泵機組減少了管路、換熱器等的熱損失，整個系統的初始投資較低；且系統控制簡單，不存在由于多種運行模式頻繁啟停導致系統故障率高的情況。

3）全流道雙效集熱板表面的雙效光敏熱敏涂層一方面可選擇性吸收太陽能，增加一體式多能源耦合熱泵機組的制熱量，提高其COP，且不受低環境溫度的影響；另一方面，可吸收周圍空氣中的水汽能，使周圍的空氣濕度下降，且周圍空氣濕度越大，吸收的水汽能越多，從而有效緩解了熱泵機組運行時的結霜現象，提高了一體式多能源耦合熱泵機組的COP。

4）通過全流道雙效集熱板和風冷換熱器可吸收自然環境中的太陽能、空氣能、水汽能等多種能源，實現了一機多能源互補，有效解決了傳統空氣源熱泵機組在環境溫度低時能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運行的問題。

3" 一體式多能源耦合熱泵機組的性能實驗研究

3.1" 實驗方案

在實驗室內搭建一體式多能源耦合熱泵機組的實驗平臺，該實驗平臺配備太陽能輻照燈，用于模擬太陽輻照情況；配備容積為8 m3的水箱和60 m3/h的冷卻塔，用于模擬用戶側的熱負荷；一體式多能源耦合熱泵機組采用集熱面積為12 m2的全流道雙效集熱板。

一體式多能源耦合熱泵機組性能實驗的主要測試參數為：1）太陽輻照度；2）環境溫度（實驗室內）；3）全流道雙效集熱板的表面溫度，進、出口溫度；4）進、出風溫度，進、出水溫度；5）輸入功率；6）工質水的體積流量。

一體式多能源耦合熱泵機組性能實驗采用的各設備和儀器如表1所示。

3.2" 實驗測試結果分析

一體式多能源耦合熱泵機組性能實驗的測試時間為2022年12月4—7日，測試時段為09：00～16：00。實驗過程中，太陽能輻照燈模擬的日均太陽輻照度為476 W/m2，環境溫度為2.2～3.8 ℃；循環風量為22000 m3/h，進出風溫差約為4～5 ℃；該熱泵機組輸入功率為21.0～22.0 kW。一體式多能源耦合熱泵機組性能實驗測試結果如表2所示。

從表2數據分析可知：當環境溫度在2.2～3.8 ℃之間時，一體式多能源耦合熱泵機組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間。而根據資料，在相同工況下，傳統空氣源熱泵機組的COP為2.7～2.9左右，可以看出，一體式多能源耦合熱泵機組的COP提高了22%左右。

需要說明的是，目前一體式多能源耦合熱泵機組尚處于實驗室測試階段，缺乏針對惡劣工況下系統動態運行的特性研究[7]。

4" 結論與展望

本文建立了實驗平臺，模擬太陽輻照度和環境溫度，通過對一體式多能源耦合熱泵機組進行運行測試并采集數據，對其性能進行了分析研究，得到以下結論：

1）一體式多能源耦合熱泵機組采用模塊化設計，安裝快捷方便，系統控制簡單，且初始投資較低。

2）通過全流道雙效集熱板和風冷換熱器可吸收自然環境中的太陽能、空氣能、水汽能等多種能源，實現了一機多能源互補，有效解決了傳統空氣源熱泵機組在環境溫度低時能效低、在極端寒冷天氣下不能正常運行的問題。

3）在環境溫度為2.2～3.8 ℃，日均太陽輻照度為476 W/m2的條件下，一體式多能源耦合熱泵機組的輸出功率為72.3～76.1 kW，COP在3.4～3.5之間，比傳統空氣源熱泵機組的COP提高了22%左右。

未來需要進一步提高該熱泵機組在多變、惡劣天氣條件下的運行穩定性，降低其運行能耗，逐步擴大其應用范圍。

[參考文獻]

[1] 沈俊躍，陳磊. 太陽能-空氣復合熱源熱泵的研究[J]. 內蒙古科技與經濟，2013（6）：104-105，107.

[2] 張超，趙曉丹，周光輝. 太陽能-空氣雙熱源復合熱泵系統性能研究[J]. 流體機械，2011，39（8）：74-77.

[3] 彭浩，王靜毅，壽春暉，等. 太陽能PV/T集熱系統性能優化研究[J]. 可再生能源，2023，41（5）：604-610.

[4] 黃國和，黃秭卿. 水汽能熱泵及其應用[J]. 管理觀察，2017（8）：177-178.

[5] 孔祥強，張鵬，徐顯，等. R290直膨式太陽能熱泵供暖系統實驗研究[J]. 太陽能學報，2023，44（6）：323-329.

[6] 褚磊馳，趙善國，高遠志，等. 光伏直驅PV/T雙源熱泵熱水系統性能研究[J]. 太陽能學報，2023，44（5）：188-194.

[7] 龔贊，劉益才，鄧炎，等. 太陽能熱泵系統配置形式及其研究進展[J]. 太陽能學報，2023，44（4）：506-515.

PERFORMANCE STUDY OF INTEGRATED MULTI-ENERGY COUPLINGLING HEAT PUMP UNIT

Li Jia，Liu Jingjing

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou 253000，China）

Abstract：Traditional air source heat pump units have low energy efficiency when operating in low ambient temperatures. As the ambient temperature decreases，the heating capacity decays severely，and there are problems such as severe frosting during operation in humid weather，and the defrosting process affects the heating efficiency of users. This paper takes the integrated multi-energy coupling heat pump unit as the research object，establishes an experimental platform，and analyzes and studies the COP of the heat pump unit through testing. The research results show that：1） The integrated multi-energy coupling heat pump unit adopts a modular design，which is fast and convenient to install，has simple system control，and has a low initial investment. 2） Through the use of full flow channel double-effect collectors and air-cooled heat exchangers，various energy sources such as solar energy，air energy，and water vapor energy from the natural environment can be absorbed，achieving multi-energy complementarity for one machine. This effectively solves the problem of low energy efficiency when the ambient temperature is low and inability to operate normally in extreme cold weather conditions of traditional air source heat pump units. 3） Under the conditions of ambient temperature of 2.2～3.8 ℃ and daily average solar irradiance of 476 W/m2，the integrated multi-energy coupling heat pump unit has a output power of 72.3～76.1 kW and a COP between 3.4～3.5，which is about 22% higher than that of traditional air source heat pump units.

Keywords：multi-energy coupling；heat pump unit；heating capacity；COP；full flow channel double-effect collector；air-cooled heat exchanger