空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行分析

范文英，蔣綠林，蔡寶瑞，施元慶，王彥龍，陳海飛

（常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

目前，中國(guó)面臨著能源消耗高、利用率低和能源短缺的嚴(yán)峻現(xiàn)狀[1]，[2]。根據(jù)我國(guó)對(duì)各個(gè)行業(yè)在社會(huì)能源總消耗占比的調(diào)查可知，建筑能耗約占總能源消耗的30%，而制冷和采暖所需能耗占建筑能耗的40%～50%[3]。因此，節(jié)約建筑能耗，特別是節(jié)約采暖和制冷方面的能耗尤其重要[4]。

大量化石能源的使用，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，因此，近年來(lái)國(guó)家大力推廣“煤改電”、節(jié)能減排等政策，使得清潔能源的利用率大幅度提升[5]?？諝饽茏鳛槿≈槐M的清潔能源，已被廣泛應(yīng)用于供暖裝置?？諝庠礋岜米鳛橐环N將低位能源轉(zhuǎn)化為高位能源，即將空氣能轉(zhuǎn)化為熱能的節(jié)能裝置，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。王亮采用負(fù)荷頻率法，對(duì)高原地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，及采用不同輔助熱源供暖的復(fù)合式系統(tǒng)的4種供暖方案的能耗和熱源利用效率，進(jìn)行了對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，單純的空氣源熱泵在溫度極低時(shí)易受環(huán)境影響[6]。孟新巍提出了一種空氣源熱泵復(fù)合低谷電蓄能供暖系統(tǒng)，以最短的初投資回收期為研究目標(biāo)，建立了該供暖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明，熱泵的停機(jī)溫度越低，供暖系統(tǒng)的初投資越低[7]。張東提出了一種噴氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為-11.2℃時(shí)，熱泵COP為2.0左右[8]。楊松提出了一種低溫空氣源熱泵雙循環(huán)聯(lián)供系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為-12℃、供暖出水溫度為41℃時(shí)，系統(tǒng)的COP為2.75[9]。Ibrahim通過(guò)Matlab仿真得知，與電加熱器相比，空氣源熱泵熱水器可減少溫室氣體排放，能源消耗節(jié)省69%～82%[10]。Kelly通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出，在供熱量相同的條件下，空氣源熱泵CO2的排放量比燃?xì)忮仩t與純電加熱器分別減少了12%，55%[11]。通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)供暖設(shè)備相比，空氣源熱泵更加節(jié)能。但在北方使用暖氣片采暖的地區(qū)，噴氣增焓空氣源熱泵無(wú)法提供60℃以上的高溫?zé)崴丛诘蜏丨h(huán)境下制熱效果有限。此外，在嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵中的蒸發(fā)器容易結(jié)霜，而常見(jiàn)的除霜方式存在除霜次數(shù)多，效率低和時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。Dong J通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓄熱除霜所需時(shí)間僅為逆循環(huán)除霜的40%[12]。

為解決北方無(wú)熱力管網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng)地區(qū)通過(guò)暖氣片采暖時(shí)，存在的供暖不足、能耗高以及環(huán)境溫度較低時(shí)不易除霜等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)將低溫?zé)嵩纯諝饽芘c相變儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)兩級(jí)熱泵升溫為用戶(hù)末端供暖，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了系統(tǒng)的性能、經(jīng)濟(jì)性與可行性。

1 系統(tǒng)原理及其組成

圖1為空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)原理圖?？諝庠聪嘧儍?chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)的工作原理:系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)一級(jí)熱泵（空氣源熱泵）將低溫循環(huán)工質(zhì)溫度提升至23℃左右；升溫后的循環(huán)工質(zhì)通過(guò)相變儲(chǔ)能箱進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)，在此過(guò)程中將循環(huán)工質(zhì)中多余的熱量?jī)?chǔ)存在相變儲(chǔ)能箱中，為二級(jí)熱泵提供20℃左右的熱源；然后，二級(jí)熱泵將循環(huán)工質(zhì)溫度提升至60℃以上，升溫后的循環(huán)工質(zhì)將熱量傳遞給末端循環(huán)水，使循環(huán)水溫度升高至60℃左右；最后，系統(tǒng)將60℃的高溫循環(huán)水傳遞給用戶(hù)末端供用戶(hù)使用。

圖1 空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of air source phase change energy storage composite heat pump system

①一級(jí)熱泵工作原理為制冷劑通過(guò)蒸發(fā)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(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在冷凝器中放熱，將熱量傳遞給低溫循環(huán)工質(zhì)，冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，如此往復(fù)循環(huán)。

②相變儲(chǔ)能箱的工作原理為從一級(jí)熱泵冷凝器中吸熱升溫的低溫循環(huán)工質(zhì)，經(jīng)過(guò)閥門(mén)b進(jìn)入相變儲(chǔ)能箱中進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)。當(dāng)進(jìn)入相變儲(chǔ)能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度低于23℃時(shí)，相變儲(chǔ)能箱中的無(wú)機(jī)相變材料放熱，低溫循環(huán)工質(zhì)吸熱；當(dāng)進(jìn)入相變儲(chǔ)能箱的低溫循環(huán)工質(zhì)的溫度高于23℃時(shí)，低溫循環(huán)工質(zhì)放熱，將多余的熱量?jī)?chǔ)存在相變儲(chǔ)能箱中，為二級(jí)熱泵提供恒定的熱源。此外，在一級(jí)熱泵除霜期間，相變儲(chǔ)能箱為一級(jí)熱泵提供低溫?zé)嵩矗瓜到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效除霜，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

③二級(jí)熱泵的工作原理為蒸發(fā)器中的制冷劑吸收低溫循環(huán)工質(zhì)的熱量，形成低溫低壓的氣體；低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，形成高溫高壓氣體，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑通過(guò)冷凝器放熱，將熱量傳遞給用戶(hù)末端的循環(huán)水，使循環(huán)水溫度升高至60℃左右，冷凝后的高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流，形成低溫低壓的氣液混合體，氣液混合體再次回到蒸發(fā)器中吸熱，如此往復(fù)循環(huán)。

④一級(jí)熱泵（空氣源熱泵）除霜模式原理為當(dāng)一級(jí)熱泵中蒸發(fā)器翅片溫度小于0℃、環(huán)境濕度大于70%時(shí)，須要對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行除霜，此時(shí)，轉(zhuǎn)換空氣源熱泵中的四通換向閥，使空氣源熱泵中蒸發(fā)器與冷凝器的工作過(guò)程相反，空氣源熱泵所需熱量由相變儲(chǔ)能箱提供，即儲(chǔ)能除霜。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

本文實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建在山西省臨汾市，測(cè)試時(shí)間為山西省最冷月（12月）。其中，建筑供暖包括兩部分，一部分為建筑辦公室供暖，另一部分為生活熱水供暖，實(shí)際供暖負(fù)荷為建筑供暖負(fù)荷與生活熱水供暖負(fù)荷的總和。實(shí)驗(yàn)中，建筑供暖面積為20 000 m2，建筑供暖負(fù)荷為1 104 kW，24 h不間斷供暖，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃，室外計(jì)算溫度為-20℃。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型

①一級(jí)熱泵主要零部件包括漢鐘壓縮機(jī)公司生產(chǎn)的型號(hào)為RC2-1020A的螺桿壓縮機(jī)、采用管翅式換熱器的蒸發(fā)器、采用板翅式換熱器的冷凝器和艾默生制冷公司生產(chǎn)的型號(hào)為EX8-U21的電子膨脹閥。本文采用R410a作為空氣源熱泵的制冷劑。制冷劑的蒸發(fā)溫度為-20℃、冷凝溫度為25℃，一級(jí)熱泵的額定輸入功率為118.5 kW。

②相變儲(chǔ)能箱選擇常州?？岜糜邢薰旧a(chǎn)的相變溫度為23℃，型號(hào)為EST63-160的小溫差高效相變儲(chǔ)能箱，額定儲(chǔ)能量為160 kW·h。其中，相變材料為氧化石墨/復(fù)合Na2SO4·10H2O，相變焓為216.5 J/g。

③二級(jí)熱泵的主要零部件包括比澤爾制冷設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為CSH9593-300Y的半封閉整體式螺桿壓縮機(jī)、采用臥式殼管式換熱器的冷凝器、干式蒸發(fā)器和艾默生制冷有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為EX8-U21的電子膨脹閥。二級(jí)熱泵所用的制冷劑為R134a。制冷劑的蒸發(fā)溫度為20℃、冷凝溫度為60℃，二級(jí)熱泵的額定輸入功率為195 kW。

④實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀表包括常州金艾聯(lián)電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為JK-16U，精度為0.5%的多路溫度巡檢儀、中環(huán)天儀公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)WY-25C，精度為0.35%的渦輪流量計(jì)、永諾電器生產(chǎn)的型號(hào)為YN194E-2SY，電壓與電流精度為0.5級(jí)，功率精度為1.0級(jí)的多功能電力儀表和常州?？ㄌ?yáng)能熱泵有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為CD0652的二級(jí)熱泵機(jī)組控制器。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及平臺(tái)搭建

（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝與布置

將相變儲(chǔ)能箱和二級(jí)熱泵的主機(jī)建立在原有機(jī)房?jī)?nèi)，并以模塊機(jī)組的方式放置；將一級(jí)熱泵放置在室外。設(shè)備連接完成后，通過(guò)充入氮?dú)鈾z查機(jī)組連接的氣密性，確保氣密性良好后，分別向一級(jí)熱泵和二級(jí)熱泵中注入制冷劑R410a和R134a，分別向相變儲(chǔ)能箱回路和末端管路中注入低溫循環(huán)工質(zhì)和自來(lái)水，充注完成后進(jìn)行保溫工作。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器的布置及相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)

測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示。首先，將測(cè)試儀表安裝在相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)；然后，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量參數(shù)主要有環(huán)境溫度Tair，一級(jí)熱泵中包括一級(jí)熱泵進(jìn)/出液溫度Tai/Tao，壓縮機(jī)輸入功率Wa；相變儲(chǔ)能箱進(jìn)/出液溫度Tsi/Tso；二級(jí)熱泵中包括蒸發(fā)器進(jìn)/出口處制冷劑溫度Twi/Two，冷凝器進(jìn)/出口處制冷劑溫度Tli/Tlo，壓縮機(jī)輸入功率Ww；用戶(hù)末端供/回水溫度To/Ti；載冷劑流量q。

圖2 測(cè)試點(diǎn)布置圖Fig.2 Test point layout

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文主要研究空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)的可行性和性能效果。系統(tǒng)的得熱量Q和供暖瞬時(shí)性能系數(shù)COP的計(jì)算式分別為

式 中:cp為 末 端 循 環(huán) 水 的 比 熱 容，J/（kg·℃）；W為系統(tǒng)凈功率，kW；qm為末端循環(huán)水流量，kg/s。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為12月10-20日。實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，選取了實(shí)驗(yàn)測(cè)試10 d中溫度最低的一天，即12日8:00-13日8:00的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3為12日8:00-13日8:00的環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖3 環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.3 Changes in ambient temperature over time

由圖3可知，最低氣溫出現(xiàn)在13日6:00，為-17.3℃，最高氣溫出現(xiàn)在12日15:30，為0.2℃，測(cè)量溫度滿(mǎn)足空氣源熱泵最低蒸發(fā)溫度-20℃的要求。

圖4為8:00-次日8:00，一級(jí)熱泵進(jìn)/出液溫 度（Tai/Tao）和 相 變 儲(chǔ) 能 箱 進(jìn)/出 液 溫 度（Tsi/Tso）隨時(shí)間的變化情況。由圖可知，一級(jí)熱泵和相變儲(chǔ)能箱的進(jìn)/出液溫度，在較短時(shí)間基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。由 圖4（a）可以看出，8:40左右，一級(jí)熱泵進(jìn)液溫度達(dá)到14℃左右，出液溫度達(dá)到23℃，之后進(jìn)/出液溫度基本保持穩(wěn)定。由圖4（b）可以看出，在8:30-12:00和4:00-7:30，相變儲(chǔ)能箱進(jìn)液溫度明顯高于出液溫度，這是因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間段相變儲(chǔ)能材料發(fā)生相變儲(chǔ)能，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)約為7 h，其余時(shí)間段，相變儲(chǔ)能箱進(jìn)/出液溫度基本相等。此外，由于低溫循環(huán)工質(zhì)通過(guò)一級(jí)熱泵中的冷凝器流入相變儲(chǔ)能箱時(shí)，存在不可逆損失，因此，一級(jí)熱泵出液溫度略大于相變儲(chǔ)能箱進(jìn)液溫度。當(dāng)相變儲(chǔ)能箱進(jìn)液溫度高于相變材料的相變點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將多余的熱量釋放，并儲(chǔ)存在相變儲(chǔ)能箱中，因此，相變儲(chǔ)能箱進(jìn)液溫度高于出液溫度。

圖4 一級(jí)熱泵進(jìn)/出液溫度(Tai/Tao)和相變儲(chǔ)能箱進(jìn)/出液溫度(Tsi/Tso)隨時(shí)間的變化情況Fig.4 The change of the inlet or outlet temperature（Tai/Tao）of the first-stage heat pump and the inlet or outlet temperature（Tsi/Tso）of the phase change storage tank over time

由圖4可知，即使在夜間，當(dāng)一級(jí)熱泵進(jìn)液溫度約為13℃時(shí)，出液溫度和相變儲(chǔ)能箱進(jìn)/出液溫度基本可維持在24℃左右，且雖有變化但都在一定范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。另外，在11:30，15:30，21:00，1:00，4:00和6:20左 右，一 級(jí) 熱 泵 出液溫度和相變儲(chǔ)能箱進(jìn)液溫度驟降，這是因?yàn)樵谠摃r(shí)刻一級(jí)熱泵進(jìn)行了除霜模式，每次除霜10 min，由于晝夜溫差較大，因此，白天除霜2次、夜間除霜4次。在除霜期間，一級(jí)熱泵中蒸發(fā)器與冷凝器工作原理相反，因此，一級(jí)熱泵不能為二級(jí)熱泵提供低溫?zé)嵩?，此時(shí)，相變儲(chǔ)能箱放熱，代替一級(jí)熱泵為二級(jí)熱泵提供低溫?zé)嵩矗瑥亩Ｕ舷到y(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

圖5為12日8:00-13日8:00，二級(jí)熱泵中主要部件進(jìn)/出口處制冷劑的溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖5 二級(jí)熱泵中主要部件進(jìn)/出口處制冷劑的溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.5 The change of the temperature of the refrigerant at the inlet or outlet of the main components of the two-stage heat pump over time

由圖5（a）可知，實(shí)驗(yàn)初期，二級(jí)熱泵中蒸發(fā)器出口處和冷凝器出口處制冷劑溫度曲線斜率較大，這是由于此時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置處于暖機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)致二級(jí)熱泵中蒸發(fā)器出口處和冷凝器出口處制冷劑溫度快速上升，曲線斜率較大。另外，由于制冷劑先在蒸發(fā)器中吸熱，而后進(jìn)入冷凝器放熱，因此，冷凝器出口處制冷劑溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間晚于蒸發(fā)器。

由圖5還可以看出，系統(tǒng)整體運(yùn)行較為穩(wěn)定。從12日9:00左右-13日8:00，各部件進(jìn)/出口處制冷劑的溫度基本保持穩(wěn)定。二級(jí)熱泵中蒸發(fā)器進(jìn)/出口處制冷劑的溫度分別穩(wěn)定在15℃和24℃左右，冷凝器進(jìn)/出口處制冷劑的溫度分別穩(wěn)定在60℃和30℃左右。

圖6為12日8:00-13日8:00，一級(jí)熱泵、二級(jí)熱泵中壓縮機(jī)的輸入功率（Wa/Ww）及供暖末端供/回水溫度（To/Ti）隨時(shí)間的變化情況。

圖6 一級(jí)熱泵、二級(jí)熱泵中壓縮機(jī)的輸入功率(Wa/Ww)及供暖末端供/回水溫度(To/Ti)隨時(shí)間的變化情況Fig.6 Changes in the input power（Wa/Ww）of the compressor in the primary heat pump and secondary heat pump and the temperature of the supply and return water（To/Ti）at the heating terminal over time

由 圖6（a）可 知，實(shí) 驗(yàn) 初 期，末 端 供/回 水 溫 度的曲線斜率較大，這是由于熱量的傳遞需要一定時(shí)間，且在12日8:00-9:00，末端建筑負(fù)荷較大、換熱溫差大，導(dǎo)致末端供/回水溫度快速上升、曲線斜率較大。12日9:00之后，系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，一級(jí)熱泵中壓縮機(jī)輸入功率穩(wěn)定在118 kW左右，二級(jí)熱泵中壓縮機(jī)輸入功率穩(wěn)定在195.4 kW左右，末端的供/回水溫度分別保持在58℃和28℃左右。與圖5二級(jí)熱泵中冷凝器進(jìn)/出口處制冷劑溫度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷凝器換熱溫差始終保持在30℃左右，這反映了冷凝器換熱效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、持續(xù)且高效，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩?hù)末端持續(xù)供應(yīng)高溫?zé)崴?。而?duì)于普通噴氣增焓空氣源熱泵而言，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-20℃時(shí)，噴氣增焓空氣源熱泵只能使末端水溫達(dá)到40℃左右，即噴氣增焓空氣源熱泵制熱效果有限，不能滿(mǎn)足通過(guò)暖氣片采暖的用戶(hù)的需求。

圖7為12日8:00-13日8:00，系統(tǒng)瞬時(shí)得熱量Q與性能系數(shù)COP隨時(shí)間的變化情況。

圖7 系統(tǒng)瞬時(shí)得熱量Q與瞬時(shí)性能系數(shù)COP隨時(shí)間的變化情況Fig.7 The instantaneous heat gain Q and the instantaneous performance coefficient COP of the system change with time

由 圖7（a）可 知，12日8:00-9:00，系 統(tǒng) 得 熱量與COP值逐漸減小，曲線呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這是由于實(shí)驗(yàn)初期系統(tǒng)末端負(fù)荷較大，系統(tǒng)換熱量大導(dǎo)致的。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)所需得熱量逐漸減小，最終在9:00左右趨于穩(wěn)定。9:00之后系統(tǒng)的瞬時(shí)得熱量維持在760～840 kW。

通 過(guò) 對(duì) 比 圖7（b）和 圖7（a）發(fā) 現(xiàn)，圖7（b）中系統(tǒng)瞬時(shí)得熱量的平均值高于圖7（a），這是因?yàn)橐归g建筑負(fù)荷大于白天，且在7:00-8:00，環(huán)境溫度較低，末端換熱量增大，因此，該時(shí)段系統(tǒng)瞬時(shí)得熱量升高。本文系統(tǒng)在北方地區(qū)極寒天氣（-20℃）下運(yùn)行時(shí)，能通過(guò)兩級(jí)熱泵升溫為用戶(hù)末端提供60℃左右的熱水，還能使系統(tǒng)全天的COP值基本維持在2.6左右。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，本文系統(tǒng)的性能優(yōu)于噴氣增焓空氣源熱泵。如文獻(xiàn)[13]中，在嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)噴氣增焓空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)房間溫度達(dá)到19.56℃，室外溫度為-18℃時(shí)，機(jī)組的COP為1.55。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)山西供暖時(shí)間為4個(gè)月，建筑供暖面積為20 000 m2，24 h不間斷供暖的情況，計(jì)算得到各系統(tǒng)燃料用量，運(yùn)行費(fèi)用及碳排放量如表1所示。其中，煤、油、電和天然氣的價(jià)格分別為0.9元/kg，6.5元/kg，0.5元/（kW·h）和2.2元/m3，對(duì) 應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)分別為0.714 3 kgce/kg，1.457 1 kgce/kg，0.31 kgce/（kW·h）和1.33 kgce/m3，標(biāo) 準(zhǔn)煤CO2的排放系數(shù)為2.47。

表1 多種能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析匯總表Table 1 Summary table of economic analysis of multiple energy systems

由表1可知，本文系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)供暖方式。本文系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用和CO2排放量只占燃煤鍋爐的85.6%和66.9%，分別節(jié)省了14.4%和33.1%；只占燃油鍋爐的27.6%和76.4%，分別節(jié)省了72.4%和23.6%；均占電鍋爐的36%，節(jié)省了64%；只占燃?xì)忮仩t的83.8%和86%，分別節(jié)省了16.2%和14%。其中，燃?xì)忮仩t的煤耗量最少，電鍋爐的煤耗量最多，本文系統(tǒng)的煤耗量分別占燃?xì)忮仩t的86%和電鍋爐的36%。本文系統(tǒng)在滿(mǎn)足供暖的需求下，各組成部分的初投資分別為一級(jí)熱泵60萬(wàn)元、相變儲(chǔ)能箱36.4萬(wàn)元、二級(jí)熱泵28萬(wàn)元、管道及其他配套費(fèi)用10.4萬(wàn)元，總計(jì)134.8萬(wàn)元。通過(guò)上述分析可知，傳統(tǒng)供暖方式碳排放量較大，造成大氣環(huán)境質(zhì)量急劇下降，與我國(guó)環(huán)境友好的生態(tài)文明建設(shè)理念不符[14]。雖然本文系統(tǒng)的初投資費(fèi)用高，但運(yùn)行費(fèi)用較低且環(huán)保效益較好。

空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)的所有測(cè)試數(shù)據(jù)，是在一級(jí)熱泵連續(xù)運(yùn)行24 h的情況下得到的。而系統(tǒng)中相變儲(chǔ)能箱先后共儲(chǔ)能約7 h，此時(shí)未釋放熱能。設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)相變儲(chǔ)能箱儲(chǔ)能完成后，一級(jí)熱泵回液溫度大于14℃時(shí)，一級(jí)熱泵停機(jī)，只須相變儲(chǔ)能箱為二級(jí)熱泵提供低溫?zé)嵩?，即相變?chǔ)能箱可以釋放熱能4 h以上。綜上可知，在相變儲(chǔ)能箱未釋放熱能，一級(jí)熱泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)，本文系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益明顯；當(dāng)相變儲(chǔ)能箱釋放熱能時(shí)，壓縮機(jī)的輸入功率減少，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性更為顯著。

4 結(jié)論

針對(duì)目前北方供暖裝置存在的問(wèn)題，本文提出了一種空氣源相變儲(chǔ)能復(fù)合熱泵系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與分析，得出如下結(jié)論。

①本文系統(tǒng)能夠在環(huán)境溫度為-20℃的條件下保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，全天的系統(tǒng)瞬時(shí)得熱量大于建筑負(fù)荷，全天瞬時(shí)COP值能夠保持在2.6左右，解決了空氣源熱泵在北方低溫環(huán)境下，性能差、性能系數(shù)隨著環(huán)境溫度的下降而急速下降的問(wèn)題。

②空氣源熱泵與相變儲(chǔ)能技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，相變儲(chǔ)能箱既可以通過(guò)溫度調(diào)節(jié)為二級(jí)熱泵裝置提供持續(xù)穩(wěn)定的低溫?zé)嵩?，還可以解決空氣源熱泵除霜期間能量供需的矛盾，且能在熱量充裕時(shí)儲(chǔ)存能量，減少熱量的散失。

③與傳統(tǒng)供暖模式相比，本文系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性更好，同時(shí)，系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地運(yùn)行，適合在北方大幅度推廣。