蓄能式太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)研究綜述

龍一飛，郭曉琴，潘 嬋，劉秋新

(武漢科技大學(xué) 城市學(xué)院，湖北 武漢 430082)

0 前 言

近年來(lái)，我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展能源的需求量也持續(xù)攀升。同時(shí)，我國(guó)建筑行業(yè)的高速發(fā)展給我國(guó)能源消耗帶來(lái)了直接明顯的影響。我國(guó)建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的33%[1]，其中占比最大的是空調(diào)、供暖等建筑設(shè)備利用產(chǎn)生的能耗。如何平衡好耗能與舒適的關(guān)系，是當(dāng)下許多學(xué)者面臨的難題。充分利用太陽(yáng)能等可再生能源是緩解這一矛盾的有效舉措，也是我國(guó)在節(jié)能減排工作中的重要方向。

1 太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵

建筑節(jié)能設(shè)備中以空氣作為高溫(低溫)熱源來(lái)進(jìn)行供熱(供冷)的裝置稱(chēng)為空氣源熱泵(ASHP)。與其他熱泵相比，ASHP具有初投資低，便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于制冷、供暖、生活熱水供給以及工業(yè)除濕和產(chǎn)品干燥等方面。最近兩年，北方冬季供暖的“煤改電”工程引起了許多學(xué)者的熱切關(guān)注，許多學(xué)者基于ASHP已有的研究和技術(shù)手段提出了相應(yīng)的建議。江億等[2]曾指出，在農(nóng)村地區(qū)用ASHP供暖方案，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)宅采暖清潔化的同時(shí)為電力削峰填谷，從熱效率、維護(hù)費(fèi)用以及安全性等各方面都比目前各種供熱鍋爐具有優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)是“煤改電”工程的最優(yōu)選擇。得益于“煤改電”工程的推動(dòng)，2017年ASHP采購(gòu)規(guī)模首次突破百億元，市場(chǎng)前景十分可觀。

ASHP的使用限制主要是在低溫環(huán)境下的供暖性能和除霜問(wèn)題，如遇極端天氣，性能會(huì)大打折扣，在黃河以北等寒冷地區(qū)冬季供熱運(yùn)行時(shí)受到很大限制，多用于長(zhǎng)江中下游的夏熱冬冷地區(qū)。當(dāng)然這些應(yīng)用限制在技術(shù)快速發(fā)展情況下已經(jīng)開(kāi)始有所改善。其中最直接便捷的方法是增設(shè)輔助加熱器，利用太陽(yáng)能等可再生能源替代化石能源作為輔助熱能是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

太陽(yáng)能存在能流密度低、間歇性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題，使得太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵(SC-ASHP)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，蓄能技術(shù)是改善太陽(yáng)能熱質(zhì)量的不穩(wěn)定性及熱能供需時(shí)間不匹配的有效技術(shù)手段之一?；诖嗽O(shè)計(jì)的蓄能式SC-ASHP系統(tǒng)既充分利用了可再生能源，減少一次能源的消耗，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，又?jǐn)U大了ASHP系統(tǒng)的適用范圍，從而進(jìn)一步提升其市場(chǎng)價(jià)值。

2 太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 SC-ASHP系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

ASHP歷史悠久，最早可追溯到1824年Sadi Carnot提出卡諾熱機(jī)和卡諾循環(huán)概念，奠定了熱泵理論基礎(chǔ)。1852年，Thomson指出制冷機(jī)也可以用來(lái)供熱，首次提出了一個(gè)正式的熱泵系統(tǒng)[3]。這是ASHP的理論基礎(chǔ)，即利用少量電能驅(qū)動(dòng)把熱量從低品位能轉(zhuǎn)化成中高品位能，達(dá)到節(jié)約高位能的目的。發(fā)展至今，太陽(yáng)能與 ASHP耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，就其原理來(lái)說(shuō)，可分為直膨式和非直膨式。

2.1.1 直膨式SC-ASHP

1955年，Sporn和Ambrose首次提出直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵(DX-SAHP)的概念。DX-SAHP是指將太陽(yáng)能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器使用，制冷劑吸收集熱器中太陽(yáng)能的熱量而受熱蒸發(fā)，能有效節(jié)省空間，但是對(duì)于集熱器/蒸發(fā)器部件有強(qiáng)度和承壓需求，系統(tǒng)循環(huán)如圖1。

圖1 直膨式SC-ASHP

Scarpa等將研究的重點(diǎn)放在潮濕空氣潛熱利用上，控制裸露的太陽(yáng)能集熱板表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，使其發(fā)生冷凝。結(jié)果顯示，在夜間或低輻射環(huán)境特別是高相對(duì)濕度條件下，DX-SAHP的COP可達(dá)5.8，冷凝熱的貢獻(xiàn)效果顯著，約占總獲得能量的20%～30%[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于DX-SAHP的研究始于21世紀(jì)初。曠玉輝等[5]通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其熱工性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，在各種天氣條件下持續(xù)供應(yīng)50 ℃的生活熱水，平均COP達(dá)到3.1。孔祥強(qiáng)等[6]研究DX-SAHP熱水器在R22、R410A和R290三種不同循環(huán)工質(zhì)下性能表現(xiàn)，結(jié)果表明R290系統(tǒng)COP值明顯高于其他兩種，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)R410A系統(tǒng)影響顯著，而水箱水溫的變化對(duì)R290系統(tǒng)影響較大。邢琳等[7]提出一種DX-SAHP柔性設(shè)計(jì)方案，以Matlab為平臺(tái)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示系統(tǒng)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法。

2.1.2 非直膨式SC-ASHP

非直膨式SC-ASHP中，太陽(yáng)能集熱器不作為熱泵的組成部分，通過(guò)介質(zhì)在熱交換器中與之換熱，以此提高ASHP蒸發(fā)器側(cè)的熱源溫度，進(jìn)而提高系統(tǒng)COP值。根據(jù)連接方式的不同，可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和雙源式。并聯(lián)式是將太陽(yáng)能作為熱源直接向用戶(hù)供熱，串聯(lián)式和雙源式是將太陽(yáng)能作為熱泵的熱源側(cè)供熱，這是兩者的本質(zhì)區(qū)別。雙源式比串聯(lián)式多一個(gè)熱源，根據(jù)氣象條件可靈活切換熱源，使系統(tǒng)保持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

1979年，F(xiàn)reeman等便利用TRNSYS對(duì)兩種不同氣候下的三種SC-ASHP進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明并聯(lián)式系統(tǒng)在采暖季節(jié)是最實(shí)用的太陽(yáng)能熱泵配置，在給定集熱器面積的條件下，其性能優(yōu)于串聯(lián)式和雙源式SC-ASHP系統(tǒng)。Lerch等利用TRNSYS重點(diǎn)研究小型單體建筑(140 m2)，熱需求為45 kW·h/m2下，并聯(lián)式SC-ASHP和普通ASHP系統(tǒng)的性能差距，研究表明并聯(lián)式SC-ASHP的季節(jié)性能系數(shù)(SPFSystem=3.65)比典型的ASHP系統(tǒng)(SPFSystem=2.55)要高很多[8]。Starke等利用TRNSYS軟件對(duì)應(yīng)用于Florianopolis的戶(hù)外泳池水加熱的四種SC-ASHP系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真研究，四種系統(tǒng)分別是典型ASHP、并聯(lián)式、串聯(lián)并聯(lián)混合式(太陽(yáng)能集熱器既為熱泵蒸發(fā)器供應(yīng)熱量、也直接為熱水供應(yīng)熱量)、串聯(lián)并聯(lián)雙源混合式SC-ASHP系統(tǒng)(在串聯(lián)并聯(lián)混合式基礎(chǔ)上另加入一個(gè)蒸發(fā)器)，結(jié)果顯示，后兩者的季節(jié)性能系數(shù)(SPF)分別為6.2、8.7，比傳統(tǒng)的ASHP的季節(jié)性能系數(shù)(SPF=4.3)要高[9]。

國(guó)內(nèi)相應(yīng)研究對(duì)象更偏向雙源式系統(tǒng)。李新銳等[10]對(duì)太陽(yáng)能光伏光熱組件與雙源熱泵一體化系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于室外環(huán)境溫度和儲(chǔ)熱水箱水溫變化而啟閉的雙源式熱泵比常規(guī)的SC-ASHP和ASHP節(jié)能。佟建南等搭建雙源式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究結(jié)果顯示制冷兼制熱水模式下，系統(tǒng)的EER=2.26，較ASHP單獨(dú)制冷的EER=1.96高，制熱工況下，雙源模式較單一模式的平均COP要高[11]。

2.2 蓄能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

蓄能技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域主要是指蓄熱、蓄冷技術(shù)。蓄熱技術(shù)應(yīng)用廣泛，在太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)、熱泵系統(tǒng)中均有涉及。蓄熱技術(shù)主要目的是減少熱能損失，彌補(bǔ)可再生能源不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，緩解熱能供需不匹配的問(wèn)題。

相變蓄熱技術(shù)的研究發(fā)展離不開(kāi)材料的研發(fā)與創(chuàng)新，從經(jīng)濟(jì)成本和制備難易度角度考慮，目前使用最為廣泛的是石蠟和石蠟基復(fù)合材料。石蠟作為一種常見(jiàn)的有機(jī)類(lèi)PCM，其化學(xué)穩(wěn)定性好，過(guò)冷度極小且相變潛熱大，非常適合在熱泵系統(tǒng)中使用。

蓄冷技術(shù)主要應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，是一種削峰填谷，調(diào)節(jié)電能供需的手段，目前冰蓄冷技術(shù)應(yīng)用最廣泛。冰蓄冷技術(shù)屬于相變制冷技術(shù)的一種，但相變溫度過(guò)低，制冷機(jī)在制冰時(shí)，其蒸發(fā)溫度比常規(guī)系統(tǒng)低8 ℃～10 ℃，限制了冷機(jī)的類(lèi)型，多用于大型項(xiàng)目。

3 蓄能式熱泵的研究現(xiàn)狀

蓄能技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合應(yīng)用按蓄能和釋能周期可分為兩類(lèi)：長(zhǎng)期的季節(jié)性蓄能、短期蓄能，這兩者的側(cè)重點(diǎn)不同。季節(jié)性蓄能系統(tǒng)所需蓄能容量大，多在大中型系統(tǒng)中使用，常見(jiàn)有地源熱泵系統(tǒng)；短期蓄能熱泵系統(tǒng)主要解決負(fù)荷與能源在一天之內(nèi)的供需不匹配的問(wèn)題。蓄能技術(shù)的使用能減小系統(tǒng)設(shè)備尺寸，節(jié)能的同時(shí)減小對(duì)環(huán)境的影響。按照蓄能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合方式不同，其功能作用也不相同。從功能需求角度劃分，主要在以下四個(gè)方面。

1)供熱。蓄熱(TES)系統(tǒng)一般是熱泵循環(huán)中的一部分。Hamada和Fukai等對(duì)采暖用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，熱泵的冷凝器側(cè)連接兩個(gè)不同的TES箱，蒸發(fā)器側(cè)連接著一個(gè)蓄冰箱，TES箱內(nèi)裝有相變點(diǎn)為49 ℃的石蠟，研究重點(diǎn)側(cè)重于對(duì)TES箱的熱導(dǎo)性能提升。研究結(jié)果表明在TES箱內(nèi)加入碳纖維，有利于增強(qiáng)石蠟與流體的換熱，減小TES箱的尺寸，但忽略了PCM 箱中其他因素對(duì)系統(tǒng)的影響。Agyenim等[12]則利用縱向翅片加強(qiáng)PCM與流體的換熱，同樣證明增強(qiáng)換熱有利于減小TES箱的尺寸。對(duì)于系統(tǒng)性能而言，單純的將PCM箱用于熱泵蓄熱，性能提升有限。因此，若要提高系統(tǒng)供熱COP值，已有文獻(xiàn)中的普遍策略是將熱泵系統(tǒng)與太陽(yáng)能等可再生能源結(jié)合使用。韓宗偉等對(duì)太陽(yáng)能輔助地源熱泵蓄能供熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，在采暖季節(jié)，系統(tǒng)的平均COP值可達(dá)3.28。牛福新等研制的三套管蓄能型熱泵的季節(jié)COP值則可達(dá)3.9。這兩類(lèi)系統(tǒng)都充分利用可再生能源來(lái)提高系統(tǒng)的“免費(fèi)能”利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的COP值，由此可見(jiàn)蓄熱系統(tǒng)與太陽(yáng)能的結(jié)合應(yīng)用在節(jié)能效果上十分可觀。

2)除霜。蓄熱除霜是在空氣源熱泵的制冷劑循環(huán)回路中并聯(lián)一個(gè)PCM蓄熱設(shè)備，在系統(tǒng)制熱模式下，能利用其熱量進(jìn)行快速除霜。早在1989年，日本的大金公司便進(jìn)行了此類(lèi)設(shè)備的試制與研究，該措施在保證室內(nèi)溫度不下降的條件下，系統(tǒng)的制熱能力約提高10%，COP值提高50%?？梢?jiàn)蓄熱除霜在很多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)除霜方式，但是目前仍然存在蓄熱器體積大、蓄熱量不足等問(wèn)題，因此，不能得到廣泛推廣。

3)制冷。小型的空調(diào)系統(tǒng)需要使用相變溫度較高的材料來(lái)提高系統(tǒng)的制冷效率，這方面已有研究不多。Moreno等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比熱泵在水蓄冷和PCM蓄冷兩種方案下的蓄冷特性。研究表明，PCM蓄冷比水蓄冷可多提供14.5%的冷量。除此之外，還有一些學(xué)者對(duì)PCM應(yīng)用于空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)系統(tǒng)在負(fù)荷高峰時(shí)段，有利于維持室溫穩(wěn)定。

4)熱回收。夏季空調(diào)制冷產(chǎn)生的冷凝熱約是制冷量的1.25倍，若能將其回收利用，不僅節(jié)能，也有利于降低室外散熱。冷凝器的冷凝溫度一般為45 ℃，考慮損失和傳熱效率，將回收熱用于生活熱水供應(yīng)會(huì)略顯不足，因此，需結(jié)合太陽(yáng)能或電輔熱使用保證全天的熱水供應(yīng)。

4 結(jié) 論

從上述文獻(xiàn)的結(jié)論中不難看出，蓄能系統(tǒng)與太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，的確能提高系統(tǒng)的制熱性能，但不同結(jié)構(gòu)的蓄能裝置對(duì)于系統(tǒng)性能的提升程度不盡相同，同一形式的太陽(yáng)能耦合熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的性能也略有差異。

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