太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成供熱系統(tǒng)

申 鵬

（北京熱力集團(tuán)輸配分公司，北京 100000）

目前，許多研究人員針對(duì)太陽(yáng)能的利用開(kāi)展了研究，而針對(duì)供熱系統(tǒng)，雖然已經(jīng)有了許多太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，但是其受到外界條件影響較大，存在運(yùn)行穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。而空氣源熱泵結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且性價(jià)比較高，可以直接從空氣中獲得熱量，具有極高的推廣價(jià)值，并且全球許多地區(qū)已經(jīng)將空氣認(rèn)定為可再生資源，加強(qiáng)了對(duì)空氣能利用的重視程度。但是，空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行效率差，并且在冬季容易產(chǎn)生結(jié)霜的問(wèn)題。因此，本文將針對(duì)太陽(yáng)能與空氣源熱泵的集成模式展開(kāi)研究，分析探討目前主流的幾種集成系統(tǒng)，以及其系統(tǒng)類設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)方法，并針對(duì)目前集成系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出了展望建議。

1 太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成方式

1.1 噴射器與蒸發(fā)器和集熱器結(jié)合

系統(tǒng)中過(guò)高的壓縮比，作為限制空氣源熱泵在低溫條件下運(yùn)行的重要因素之一，通過(guò)降低系統(tǒng)中的壓縮比能夠提升系統(tǒng)在低溫條件下的運(yùn)行效能，因此，將噴射器與空氣源熱泵相結(jié)合，能夠通過(guò)回收利用節(jié)流時(shí)損失的膨脹功，使得壓縮機(jī)吸氣壓力提升，降低系統(tǒng)中壓縮機(jī)的壓縮比。目前一種新的集成系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，引入了太陽(yáng)能集熱器，通過(guò)用太陽(yáng)能輔助噴射器，達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。通過(guò)將太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)口與冷凝器的出口相連，將太陽(yáng)能集熱器的出口與噴射器的噴嘴相連，使得冷凝器中傳輸?shù)娘柡突蜻^(guò)冷制冷劑液體，在太陽(yáng)能集熱器中吸收熱量，進(jìn)入噴射器中作引射流體。當(dāng)外界工作條件缺少太陽(yáng)能輻射時(shí)，通過(guò)將集熱器旁通的方式，系統(tǒng)的運(yùn)行方式又變回之前普通的噴射器增效。根據(jù)電腦模擬得出的數(shù)據(jù)，引入太陽(yáng)能集熱器輔助的噴射器增效空氣源熱泵系統(tǒng)，平均COP（系統(tǒng)制冷性能系數(shù)）分別比普通的噴射器增效系統(tǒng)，以及傳統(tǒng)空氣源熱泵高出14%和25%[1]（圖1）。

圖1 噴射器與蒸發(fā)器和集熱器結(jié)合系統(tǒng)示意圖

國(guó)外針對(duì)噴射器與集熱器和蒸發(fā)器相連，設(shè)計(jì)了一種集成系統(tǒng)，使制冷劑從冷凝器輸出之后分為兩股，一股直接進(jìn)入翅片管換熱器，另一股經(jīng)過(guò)液體泵之后，進(jìn)入平板太陽(yáng)能集熱器。與此同時(shí)，集熱器輸出的過(guò)熱蒸汽在噴射器內(nèi)膨脹為兩相流體，然后引射蒸發(fā)器出口的制冷劑蒸氣，幫助系統(tǒng)提高吸氣壓力。該系統(tǒng)通過(guò)將太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)噴射器，有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器額外吸收的清潔熱能，能夠有效地提高系統(tǒng)的冷凝功率；其次，通過(guò)引入噴射器，能夠提高系統(tǒng)的吸氣壓力，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)中壓縮機(jī)的運(yùn)行效率。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模型分析，這種集成模式的系統(tǒng)COP 以及冷凝功率分別較傳統(tǒng)的空氣源熱泵提高了15%和38%左右（圖2）。

圖2 噴射器與蒸發(fā)器和集熱器結(jié)合系統(tǒng)示意圖

1.2 集熱器與翅片管換熱器并聯(lián)、串聯(lián)

在20世紀(jì)末，國(guó)外設(shè)計(jì)了一種利用太陽(yáng)能集熱器輔助空氣熱泵的集成系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，將太陽(yáng)能集熱器與備用冷卻空氣型蒸發(fā)器進(jìn)行并聯(lián)，并通過(guò)設(shè)置切換閥門(mén)，使得集成系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)能集熱器與空氣型蒸發(fā)器中的一個(gè)單獨(dú)作為熱泵蒸發(fā)器。當(dāng)外界光照條件充足時(shí)，使用太陽(yáng)能集熱器，而當(dāng)外界光照較少，太陽(yáng)能集熱器運(yùn)行效率較低時(shí)，則使用冷卻空氣型蒸發(fā)器。該系統(tǒng)將太陽(yáng)能集熱器的蛇形銅管，直接暴露在外界空氣中，并且沒(méi)有設(shè)置透明蓋板，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外界光照條件充足，溫度在0～10℃時(shí)，該系統(tǒng)的局熱效率為55%左右，并且在太陽(yáng)能集熱器模式下，系統(tǒng)COP 比冷卻空氣型蒸發(fā)器模式高40%左右[2]。

由于受到當(dāng)時(shí)客觀條件的影響，太陽(yáng)能集熱器并沒(méi)有設(shè)置透明蓋板，雖然降低了系統(tǒng)造價(jià)，并且增加了光照輻射，但是集熱器的散熱損失也相應(yīng)增大。因此，之后有人對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種雙熱源集成系統(tǒng)，具有兩種運(yùn)行模式，分別是太陽(yáng)能集熱器模式，以及太陽(yáng)能與空氣能結(jié)合模式。在結(jié)合模式下，制冷劑分別同時(shí)流過(guò)太陽(yáng)能集熱器以及翅片管換熱器，并通過(guò)電子閥門(mén)控制流量分配，這個(gè)時(shí)候制冷劑既可以對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行利用，也能夠吸收空氣中的熱量，使得系統(tǒng)在外界光照輻射較低的條件下，也能夠高效穩(wěn)定地運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，雙熱源系統(tǒng)較之前系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器模式，節(jié)約了約20%的加熱時(shí)間，且COP 平均提高了14%左右，雙熱源集合系統(tǒng)能適應(yīng)嚴(yán)寒的惡劣工作環(huán)境（圖3）。

圖3 集熱器與翅片管換熱器并聯(lián)雙熱源系統(tǒng)示意圖

陳雁等設(shè)計(jì)了一個(gè)集成系統(tǒng)，使用平板太陽(yáng)能集熱器，直接對(duì)空氣進(jìn)行加熱，并用風(fēng)機(jī)將加熱之后的空氣傳輸至熱泵蒸發(fā)器側(cè)[3]。由于傳輸?shù)目諝鉁囟雀哂谕饨绛h(huán)境溫度，因此，使用預(yù)熱空氣能夠有效地提高空氣熱泵的蒸發(fā)溫度。與此同時(shí)，陳雁提出了應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)太陽(yáng)能集熱器面積進(jìn)行控制，將集成系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度控制在-7～0℃。劉鵬等對(duì)這種集成模式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益研究分析，根據(jù)他們的研究結(jié)果顯示，將集熱器與翅片管換熱器串聯(lián)的集成模式，相較于單層的空氣源熱泵系統(tǒng)，每年能夠節(jié)約至少138元的運(yùn)行費(fèi)用。

2 太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

從宏觀角度來(lái)講，太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成供熱系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)了清潔能源供暖，對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源有著重要的意義，但是部分集成技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。根據(jù)目前太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)展望：

1）目前太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)，主要針對(duì)幾種特定的工作環(huán)境，因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，如果外界環(huán)境變化過(guò)大，現(xiàn)有集成系統(tǒng)則不能夠保證穩(wěn)定有效的運(yùn)行。因此，需要結(jié)合更加廣泛的外界環(huán)境條件，對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，保障其在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定有效運(yùn)行。

2）目前集成系統(tǒng)主要針對(duì)外界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，以及環(huán)境溫度來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)模式的切換，但卻并沒(méi)有明確切換的臨界值，難以最有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行控制。因此，需要進(jìn)一步明確系統(tǒng)與外界環(huán)境變換的臨界值，設(shè)置最優(yōu)的系統(tǒng)控制方案，使得集成系統(tǒng)具有更加高效可靠的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。

3）經(jīng)濟(jì)效益作為集成系統(tǒng)推廣的基礎(chǔ)保障，需要進(jìn)一步加強(qiáng)集成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行性能的平衡，通過(guò)優(yōu)化集成系統(tǒng)的配置，使得太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成供熱系統(tǒng)兼具較高的工作效率與較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合，能夠?qū)烧叩膬?yōu)勢(shì)與缺陷進(jìn)行互補(bǔ)，提高供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能以及適用范圍。但是，不同的集成系統(tǒng)，由于自身系統(tǒng)特點(diǎn)的不同，因此適用范圍也不同，噴射器增效與雙熱源系統(tǒng)能夠在寒冷以及嚴(yán)寒地區(qū)使用。而蓄能型集成系統(tǒng)相較于噴射增效以及雙熱源系統(tǒng)，具有更加廣泛的適用范圍。其余集成系統(tǒng)雖然相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵供熱系統(tǒng)，具有更好的性能，但其受到系統(tǒng)特點(diǎn)的限制，只能應(yīng)用于非嚴(yán)寒地區(qū)。