小型太陽能/空氣雙熱源熱泵系統的應用分析

田芳 張少凡

南京理工大學能源與動力工程學院

0 引言

空氣源熱泵通過電能驅動，以空氣為熱源，吸收冬季室外空氣中的低品位熱能將其轉化為較高品位熱能，向室內供暖。在冬季室外氣溫不低于-5℃左右，建筑熱負荷不大，而夏季氣溫較高、有制冷要求的地區，如長江中下游、華南、西南等地區，空氣源熱泵得到廣泛的應用。而在華北、黃河流域等冬季室外較低的寒冷地區，建筑熱負荷較大，且供暖時間長，空氣源熱泵的制熱能效較低，其應用受到了制約。近年來空氣污染治理的壓力日趨加大，取代燃煤供暖的呼聲越來越高，空氣源熱泵以其冷暖兼顧、環境友好、有節能效益等特點更加得到人們的關注，特別是在取代小型、分散式燃煤供暖方面，擁有獨特的優勢。但在寒冷地區應用時，空氣源熱泵存在以下幾個問題：

1）室外氣溫的降低導致系統的蒸發壓力降低，而機組的冷凝壓力變化不大，導致壓縮機的壓縮比升高，壓縮機的功耗增加。

2）壓縮機壓縮比的升高使得壓縮機的輸氣量降低，從 而導致系統的循環制冷劑量減少，因此，熱泵的制熱效果變差。

3）蒸發器表面的結霜使得蒸發器的蒸發壓力降低，導致壓縮比進一步升高。

太陽能作為可再生能源，存在能流密度低，間歇性和不可靠性的缺點，但可以通過水箱將其熱能蓄存起來。將太陽能與空氣源熱泵通過蓄熱水箱結合組成系統，在兼顧提供生活熱水的同時，可以提高系統的蒸發溫度，從而彌補空氣源熱泵和太陽能的不足，同時可以向用戶供生活熱水，解決寒冷地區冬季環境溫度較低時空氣源熱泵供暖能效比低的問題。該系統與傳統的使用燃煤及單一空氣源熱泵供暖系統相比，減少了能耗及對環境的污染，并且系統性能有較大的提高。

1 太陽能/空氣雙熱源熱泵系統設計

1.1 空氣源熱泵系統

由于地域條件的限制，隨著室外環境溫度的變化，空氣源熱泵的制熱量、能效比等也隨之發生變化。冬季供暖時，空氣源熱泵系統的蒸發溫度隨室外溫度的降低而下降，壓縮機的制冷劑流量降低，導致系統的制熱量降低，而室內熱負荷隨環境溫度的降低而升高，當室外空氣溫度低于某一值時，系統供熱量滿足不了負荷要求，需要輔助加熱。反之，室外溫度升高時，空氣源熱泵系統的制熱量增大，但室內熱負荷降低，即系統的制熱量與室內負荷為負相關關系[1]，這個溫度值即為平衡點溫度（見圖1），其值取決于空氣源熱泵的制熱性能，也決定了熱泵和輔助熱源的容量。

圖1 空氣源熱泵供暖的系統特性

1.2 太陽能/空氣雙熱源熱泵供暖、供冷系統設計

系統（如圖2）通過蓄熱水箱將空氣源熱泵系統與太陽能集熱器有機結合，水作為吸熱介質在太陽集熱器內通過單向流動吸收、輸送太陽輻射能。其中蓄熱水箱內置銅制單螺旋管，通過電磁閥與室外換熱器并聯，該換熱盤管在冬季作為風冷蒸發器的補充，其蒸發壓力，過熱度等要與風冷蒸發器的工況相適應，因此，設計時需對應風冷蒸發器運行工況進行設計[2]。系統制冷和制熱工況的轉換由四通換向閥控制。系統設置兩個熱力膨脹閥，分別與室外換熱器和蓄熱水箱內置盤管相連[3]。由于熱泵機組全年運行，且冬季需要除霜，所以在壓縮機吸氣管道上設置氣液分離器?？紤]到熱泵系統冬季運行制備熱水的溫度范圍，室內末端采用輻射供暖的方式，而夏季采用風機盤管供冷，水系統通過電磁閥進行切換。

圖2 小型太陽能/空氣源熱泵系統圖

1.3 太陽能集熱水系統

太陽能集熱系統由太陽能集熱器，生活熱水箱，蓄熱水箱及其連接管路和附件組成。生活熱水箱給用戶提供生活熱水，設計水溫50 ℃，蓄熱水箱內的熱水則作為水源蒸發器的熱源，與水箱內置換熱盤管進行熱量交換，因此為保證蒸發溫度不過高，設計蓄熱水箱內水溫范圍為10～30℃。生活熱水箱與蓄熱水箱垂直串聯布置，生活熱水箱置于上部，蓄熱水箱在下部，中間用隔板將兩者分開。

1.4 系統運行模式

1）蓄熱模式。太陽能集熱器通過電動三通閥與生活熱水箱、蓄熱水箱相連。太陽輻射充足時，關閉蓄熱水箱側，太陽能集熱器加熱生活熱水至 50 ℃，當達到設定水溫時，關 閉生活熱水箱，打開蓄熱水箱側，加熱蓄熱水箱內水溫至30℃。當太陽輻射不足時，可啟動電加熱器輔助加熱。

2）制熱模式。當室外溫度較高或蓄熱水箱內水溫較低時，關閉水源蒸發器側電磁閥9，利用空氣源熱泵制備熱水向室內供熱。當室外溫度降低從而導致空氣源熱泵性能下降或蓄熱水箱內溫度較高時，關閉室外換熱器側電磁閥9，轉 化為水源熱泵模式運行。

3）制冷模式。太陽輻射充足時，關閉蓄熱水箱側，加熱生活熱水箱內的水溫至50 ℃。同時，關閉蓄熱水箱內置盤管側電磁閥9，利用空氣源熱泵供冷。當太陽輻射不足、生活熱水溫度達不到 50 ℃時，可啟動電加熱器輔助加熱。

2 太陽能/空氣雙熱源熱泵系統的節能優化

2.1 建筑負荷

本文選取北京某農村住宅，建筑總面積為122.1 m2，其圍護結構如表1。

表1 住宅的圍護結構

考慮朝向修正、冷風滲透等因素后，計算得綜合負荷傳熱系數為1.92 W/(m2·℃)，單 位建筑面積的熱負荷q（HW/m2）為：

式中：Tr為室內設計溫度，℃；Ta為室外環境溫度，℃。

室內設計溫度取20 ℃，室外溫度為Ta時的該建筑物熱負荷為：

式中：Q為建筑熱負荷，kW。

2.2 系統計算模型

選擇國內某知名品牌空氣源熱泵機組樣本進行參數擬合，得到制熱模式下制熱性能系數 COPa隨室外溫度Ta的變化關系式[4]：

空氣源熱泵制熱量Qc,a與額定制熱量Qe的關系式：

當系統以水源熱泵模式運行時，制熱性能系數COPw與水溫的T（w℃）的 關系式[4]：

2.3 最佳切換溫度的確定

切換溫度是指確定熱泵系統從空氣源（水源）制熱工況轉換為水源（空氣源）制熱工況時對應的室外空氣溫度。定義最佳切換溫度T（q℃）為使得太陽能/空氣雙熱源熱泵系統的供熱季節性能系數（HSPF）最大時對應的溫度。當某地區的氣象參數、持續時間、機組特性已知時，輔助加熱的啟動及能耗只與環境溫度有關，即HSPF是切換溫度Tq（℃）的函數。則HSPF定義為：

隨著切換溫度的增加，所需的熱泵制熱量減少，輔助耗能量增加。表 2所示為不同切換溫度下，系統的耗能及 HSPF值。并擬合得到 HSPF與切換溫度Tq（℃）的關系式為：

表2 不同切換溫度下系統的能耗及HSPF

圖3 不同切換溫度下系統的HSPF變化曲線圖

因此得到最佳切換溫度為-1～0 ℃，HSPF 值在2.49左右。

2.4 太陽能集熱器及蓄熱水箱的確定

根據太陽能集熱器的性能在不同的使用條件下呈現的不同特點，本文選用全玻璃真空管集熱器。根據文獻[5]提出，集熱器的放置角度等于當地緯度 39°57′，方向為正南。

根據北京地區一月份室外溫度T（a℃）與時刻（h）的關系式：

得到不同切換時刻對應的集熱器面積及蓄熱水箱容積（表3）。

表3 不同切換時刻集熱器面積及蓄熱水箱的容積

根據得到的最佳切換溫度，取在時刻 10.5 h 的蓄熱水箱容積為3.459 m3，集熱器面積為29.573 m2，取整為30 m2。該住戶為四人家庭，按每人每天的用水量為60 L，則該住戶所需生活熱水箱容積為240 L，則水箱總的容積取為3.7 m3。

3 技術經濟比較

將太陽能/空氣雙熱源熱泵與燃煤，燃氣供暖方式進行經濟對比如表4所示。

表4 不同運行方式費用對比

圖4所示為三種供暖系統的靜態初期投資和運行費用比較曲線。由圖中可以看出，隨著運行時間的增加，太陽能/空氣雙熱源熱泵系統運行節省的費用可彌補初投資多花的費用，且可以全年提供生活熱水，為用戶提供方便的同時節省了熱水的費用。

圖4 三種供熱系統的靜態初期投資和運行費用比較

4 總結

本文提出一種小型太陽能/空氣雙熱源熱泵系統，介紹了系統組成及運行模式，選取北京某鄉村住宅，分析了系統在不同切換溫度下的制熱性能（HSPF）的變化規律，并得到系統最佳的切換溫度點，結果表明，根據節能運行的原則，最佳切換溫度為-1～0℃，對應的 HSPF值為2.49左右。選取最佳切換溫度點，確定了太陽能集熱器的面積和蓄熱水箱的容量，并與傳統的燃煤取暖爐、燃氣熱水供熱裝置進行經濟對比分析，結果顯示，該小型太陽能/空氣雙熱源熱泵系統隨著運行時間的增加，經濟性的優勢愈加明顯。該系統在保證了環保、節能的同時，具有良好的經濟性。