淺析太陽能耦合空氣源熱泵技術(shù)的原理及應(yīng)用

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(1.國網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司,山東 聊城 252000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司,山東 濟(jì)南 250001))

1 緒論

隨著生活水平的提升，人民對生活質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，隨之而來的是大量的能源消耗。現(xiàn)階段，我國的能源利用主要以一次能源為主，在利用過程中伴隨著大量的污染物排放，清潔能源(太陽能、風(fēng)能、核能等)的利用率并不高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國一次能源消耗約為日本的6.5倍，英國的13.5倍。《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2017》中指出，由建造能耗和使用能耗(供暖、空調(diào)等)所構(gòu)成的建筑能耗占據(jù)我國社會總能耗的33%。在北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，供暖能耗占建筑總使用能耗的35%，提升供暖、制冷的效率，降低能耗，大力推廣使用可再生的清潔能源是發(fā)展低能耗建筑技術(shù)的一個(gè)重要方面。

我國城鎮(zhèn)人口的供暖主要依靠集中供熱來滿足，所在轄區(qū)范圍內(nèi)利用熱電廠產(chǎn)生高溫水或蒸汽，在加壓泵的作用下，流經(jīng)供熱管網(wǎng)至小區(qū)換熱站，而后在二次循環(huán)泵的作用下，流經(jīng)用戶端換熱器。集中供暖一次性投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，無論是否需要，暖氣始終全天供熱。此種供暖方式對于我國較為分散的農(nóng)村并不適用，主要在于管網(wǎng)的布置成本較高。針對此現(xiàn)狀，采用分布式熱源的方式，可以較好的滿足北方農(nóng)村供暖的需求。

現(xiàn)階段，北方農(nóng)村的供暖多采用火炕、散煤供暖等方式，能源利用效率較低，同時(shí)伴隨較多的硫化物、氮化物及PM2.5的排放，嚴(yán)重影響北方冬季的環(huán)境。為改善空氣質(zhì)量，降低PM2.5含量，我國采取了多種舉措，比如“煤改電”、“煤改氣”政策，推廣清潔取暖。空氣源熱泵作為一種高效的供暖技術(shù)，可以大幅降低供暖能源消耗，減小污染物排放，近幾年成為北方清潔取暖、“煤改電”政策實(shí)行的主力軍。馬一太等[1]人指出，北方取暖的熱泵COP約為3～3.5，而農(nóng)村和小城鎮(zhèn)的散煤燃燒效率約為25%，若采用空氣源熱泵技術(shù)，1噸電煤提供的熱量相當(dāng)于4～5噸散煤，并且沒有污染。雖然電力產(chǎn)生的過程伴隨一定的污染，但電廠的排放指標(biāo)較為嚴(yán)格，污染物處理技術(shù)完善，污染物排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于散煤燃燒。太陽能是清潔無污染的可再生能源，它具有巨大、廣泛、長久、無害等優(yōu)點(diǎn)。太陽能熱利用技術(shù)與空氣源熱泵結(jié)合組成的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，可有效提高熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度，從而提高系統(tǒng)整體制熱性能。

2 系統(tǒng)原理分析

空氣源熱泵的原理如圖1所示，低壓氣態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮成為高溫高壓氣體，這時(shí)冷媒沸點(diǎn)隨壓力的升高而升高。高沸點(diǎn)的冷媒進(jìn)入冷凝器開始液化，這時(shí)冷媒放出熱量，變成液體。接下來在進(jìn)入蒸發(fā)器前先經(jīng)過膨脹閥(節(jié)流閥)，膨脹閥(節(jié)流閥)又使冷媒壓力降低，壓力降低的冷媒在蒸發(fā)器中又開始蒸發(fā)，這時(shí)冷媒吸收熱量，又變?yōu)榈蛪旱臍怏w。再次進(jìn)入壓縮機(jī)，整個(gè)冷媒循環(huán)系統(tǒng)就這樣形成。

圖1 空氣源熱泵原理圖

太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)主要是耦合太陽能作為輸入能源，提高整體系統(tǒng)的熱能利用效率，主要分為直膨式和間接膨脹式系統(tǒng)(圖2(a)和(b))。對于直膨式太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)器添加了一個(gè)回路，耦合太陽能集熱器作為蒸發(fā)器的一部分。與傳統(tǒng)的集熱器不同，該復(fù)合系統(tǒng)的集熱器內(nèi)部流通的為液態(tài)的制冷劑，制冷劑在集熱器內(nèi)部吸收太陽能，變?yōu)槠麘B(tài)，流經(jīng)壓縮機(jī)、冷凝器，完成整個(gè)熱泵循環(huán)。在白天陽光較為充足時(shí)，集熱器的熱量作為主力，而陽光較弱或夜晚，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器作為系統(tǒng)運(yùn)行的主要吸熱元件。與直膨式系統(tǒng)不同，間接膨脹式系統(tǒng)主要利用太陽能集熱器維持蓄熱水箱的能量，而空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源，僅在太陽能系統(tǒng)供應(yīng)不足的時(shí)候開啟利用。整體而言，間接膨脹式系統(tǒng)，空氣源熱泵的效率與傳統(tǒng)空氣源系統(tǒng)一致，而直膨式熱泵系統(tǒng)的熱效率與集熱器的性能相關(guān)。

圖2 太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)圖[2]

太陽能熱泵基于熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和集熱器的高效性，將太陽能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用廉價(jià)的低溫集熱器，集熱成本非常低。在相同熱負(fù)荷條件下，太陽能熱泵所需的集熱器面積和蓄能裝置容積等都要比常規(guī)太陽能系統(tǒng)小得多，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較緊湊，布置靈活。

3 應(yīng)用實(shí)例

北京市建筑工程物資協(xié)會組織大專院校、設(shè)計(jì)科研單位、企業(yè)等11家，承擔(dān)了住建部“空氣源熱泵、太陽能與低溫?zé)崴嘏M合建筑采暖系統(tǒng)的節(jié)能能效研究”科技項(xiàng)目。該課題完成了空氣源熱泵、太陽能與低溫?zé)崴嘏吧顭崴煌M合系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與示范，并在多個(gè)工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。其中在北京市、秦皇島市、青島市、上海市、重慶市和長沙市等地的房屋建筑(13項(xiàng)工程)中進(jìn)行了重點(diǎn)測試。經(jīng)該課題示范項(xiàng)目測試：在華北地區(qū)北部，2011年～2012年采暖季，一月份室外平均溫度-4℃，最低溫度-17℃，采暖室內(nèi)平均溫度保持在18℃。凡達(dá)到50%節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建筑，冬季采暖+生活熱水使用空氣源熱泵+太陽能的運(yùn)行費(fèi)用為每平方米14～16元;使用空氣源熱泵的為每平方米18～20元。低于其它采暖方式的運(yùn)行費(fèi)用。例如：北京市區(qū)南四環(huán)的鴻博家園小區(qū)測試項(xiàng)目，按采暖季125天，以每戶建筑面積平均82m2計(jì)算，采暖總耗電不超過2000度，約為33度/m2，采暖季電費(fèi)15元/m2左右。低于同期同戶型壁掛爐散熱器采暖運(yùn)行費(fèi)用。房山區(qū)西白岱村項(xiàng)目，系統(tǒng)采暖和生活熱水總耗電量5367度，制熱能效比(COP)3.16，其中太陽能集熱器面具16m2，冬季太陽能制熱貢獻(xiàn)率占總制熱量30%。

圖3 空氣源熱泵耦合太陽能采暖實(shí)例圖[3]

張洪巖等[4]分析了北京市懷柔縣建的一間200m2的單層民房的耦合太陽能及空氣源熱泵的清潔取暖情況，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件選擇了KFR180-LPZ超低溫?zé)岜?6P,18kW)以及2組LPC58-1850高效真空管橫雙聯(lián)集箱，并分析對比了幾種供暖方式的采暖費(fèi)用比。由表1可得，采用新型耦合太陽能及空氣源熱泵的采暖技術(shù)，平均采暖費(fèi)用為46.47元/m2，小于燃?xì)獗趻鞝t的采暖方案，接近是電鍋爐采暖方案的55%，可以大幅降低居民的采暖支出。

表1 采暖形式費(fèi)用對比

安徽淮南某高校綜合服務(wù)樓熱水工程，采用上海金龍制冷技術(shù)有限公司“龍泉系列”商用循環(huán)式空氣能熱泵熱水機(jī)組6臺，耦合120組(單組集熱面積為5.2m2)HH-1500太陽能集熱器，滿足每天60噸的熱水供給。該高校以前使用的是燃油鍋爐，每年所需運(yùn)行費(fèi)用約62萬元。采用太陽能-空氣源熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)，其年運(yùn)行費(fèi)用僅4萬余元。本項(xiàng)目總投資約100萬元，經(jīng)過2年時(shí)間即可將投資成本全部收回,見表2。

表2 安徽淮南某高校綜合服務(wù)樓熱水工程運(yùn)行費(fèi)用

圖4 熱水采暖系統(tǒng)[5]

除了在供暖方面的應(yīng)用，太陽能耦合空氣源熱泵技術(shù)在食品加工方面也得到了推廣應(yīng)用。2017年，依托格爾木杞盛科技有限公司利用太陽能光熱綜合技術(shù)，建成1套空氣式太陽能光熱枸杞干燥系統(tǒng)，日加工枸杞10噸生產(chǎn)線1條，較常規(guī)能源干燥節(jié)能75%、減排100%。應(yīng)用后取得了脫水干燥時(shí)間短、干燥后果實(shí)商品率高、批次烘干容量大和參數(shù)控制自動化程度高等技術(shù)成果。太陽能與高溫?zé)岜玫鸟詈稀⑻柲芗療崞髋c烘干房的建筑相結(jié)合，在滿足建筑美感的同時(shí)，降低了風(fēng)道長度、減少管道耗材、減少管道阻力、降低風(fēng)機(jī)能耗、降低熱量損失等優(yōu)點(diǎn)，太陽能+熱泵的烘干系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確控溫、控濕、分階段控制、全天候運(yùn)行，適合不同烘干物干燥，品質(zhì)優(yōu)良、運(yùn)行成本低廉。以3kg的標(biāo)本鮮果為例，烘干10t鮮枸杞太陽+熱泵總耗電量828kW·h，采用純熱泵烘干相同枸杞耗電量1237kW·h，可以大幅降低加工成本。

圖5 耦合太陽能與空氣源熱泵的枸杞干燥系統(tǒng)

4 近年政策支持

太陽能供暖與空氣源熱泵供暖各有特點(diǎn)，二者裝置互補(bǔ)既可進(jìn)一步提高節(jié)能減排的可再生能源利用率，又可保障裝置供暖性能的穩(wěn)定性，是小型化主動調(diào)節(jié)供暖技術(shù)的發(fā)展方向之一。近年來，我國發(fā)布了一系列的政策文件，推動清潔取暖。2016 年 7 月，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出：“突破超低能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑能耗評價(jià)體系，研究節(jié)能集成技術(shù)、高效冷卻技術(shù)等基礎(chǔ)性技術(shù)，研發(fā)主動式/被動式多能源協(xié)調(diào)高效利用裝置，降低能源消耗；加強(qiáng)建筑新型高效供暖解決方案研究，研發(fā)室內(nèi)環(huán)境保障和既有建筑高性能改造技術(shù)”。2017 年 2 月，《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2020 年)》明確了“推廣太陽能、熱泵、地暖供暖新模式”。2017 年 3 月，《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“要求到 2020 年，城鎮(zhèn)新建建筑能效水平比 2015 年提升 20%，城鎮(zhèn)可再生能源替代民用建筑常規(guī)能源消耗比重超過 6%。在條件適宜地區(qū)積極推廣空氣熱能建筑應(yīng)用，建立空氣源熱泵裝置評價(jià)機(jī)制，解決設(shè)備產(chǎn)品噪音、結(jié)霜除霜、低溫運(yùn)行低效等問題”[7]。

5 結(jié)論與展望

空氣源熱泵是一種高效節(jié)能的分布式供暖方案，太陽能是一種免費(fèi)的清潔可再生能源，儲量豐富。二者裝置互補(bǔ)既可進(jìn)一步提高節(jié)能減排的可再生能源利用率，又可保障裝置供暖性能的穩(wěn)定性，是小型化主動調(diào)節(jié)供暖技術(shù)的發(fā)展方向之一。同時(shí)可以大幅降低空氣源熱泵的運(yùn)行成本，提高用戶使用積極性，推動"清潔取暖"政策在北方地區(qū)的實(shí)施。