蓄熱型空氣式太陽能集熱-空氣源熱泵復合供暖系統在寒冷地區的應用研究*

上海理工大學 李亞倫 李保國上海筑能環境科技有限公司 蘇樹強 肖洪海

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，能源危機和環境污染問題日趨嚴重[1-2]。為此，國家“十三五”能源規劃提出大力促進清潔能源利用。在我國寒冷地區，受年均供暖時間長、供暖季環境溫度低、建筑熱負荷較大等因素的影響，太陽能、地熱能和空氣能等清潔能源的應用推廣受到限制，目前仍以燃煤供暖為主，越來越不適合社會可持續發展的要求。研究適用于寒冷地區的清潔能源供暖方式成為熱點[3-5]。

太陽能熱泵供暖技術將太陽能和空氣源熱泵結合，既彌補了太陽能供暖技術受天氣影響的不足，又可改善熱泵性能，相對于傳統供暖方式，對節能減排具有重要作用[6]。為充分利用太陽能，提高太陽能熱泵系統的供熱穩定性，傅杰等人建立了相變蓄能太陽能熱泵試驗臺，研究發現，在晴天工況下熱泵關閉后，相變蓄能罐仍可滿足室內7 h的供暖需求[7]。Youssef等人對帶有相變蓄能換熱箱的混聯式太陽能熱泵系統進行了研究，發現其與無蓄能箱的太陽能熱泵系統相比，晴天和陰雨工況下的COP分別高6.1%和14%[8]。Diallo等人設計了一種具有相變蓄熱功能的三通換熱器，將其應用在太陽能熱泵系統中，使其綜合能效提高了28%[9]。Plytaria等人通過仿真的方法研究了相變材料對太陽能熱泵地板供熱系統的影響，發現相變材料的應用可有效減小建筑的熱負荷，熱泵能耗可降低42%～67%[10]。太陽能熱泵系統在寒冷地區運行時會出現制冷系統壓縮機頻繁啟停、制熱量嚴重衰減、熱水溫度受限等問題[11]。夏洪濤[12]、韓宗偉等人[13]提出設立地下蓄熱水池，利用土壤的保溫能力，將夏季多余的太陽能儲存，用于冬季室內供暖，實驗發現，在環境溫度為-25 ℃時，系統仍可滿足供暖需求，但該系統存在人工費用較高、占地面積較大、水面蒸發導致漏熱等不足。劉寅等人設計了帶有肋片-套管復合式換熱器的太陽能熱泵系統，發現當環境溫度低至-15 ℃時,與空氣源熱泵相比，其COP和制熱量均可提高45%左右[14]。吳啟任等人將噴射器應用到太陽能-空氣源熱泵系統，研究發現，在蒸發溫度為-30 ℃時，該系統可產生3.5 kW的制熱量，COP可達3.2[15]。劉業鳳等人通過仿真分析得出了帶有噴射器的太陽能熱泵系統性能優于常規熱泵系統的結論[16]。Chen等人提出了一種直膨式太陽能輔助噴射-壓縮熱泵系統，研究表明，該新型系統比傳統空氣源熱泵系統COP提升25.07%[17]。Li等人通過仿真分析發現，噴射式-復疊太陽能熱泵系統在低溫環境下的性能得到顯著改善[18]。Fine等人設計了一種新型光伏復疊熱泵熱水系統，研究發現，與單級熱泵系統相比，年均熱量輸出提升37%～68%[19]。Chaturvedi等人對直膨式復疊熱泵系統的研究發現，復疊系統所需要的集熱器面積更大，制熱性能得到顯著提升，可用于產生60～90 ℃的高溫熱水[20]。

本文設計了一種新型的蓄熱型空氣式太陽能集熱-空氣源熱泵復合供暖系統(以下簡稱空氣式太陽能熱泵供暖系統)，太陽能可直接加熱循環水為室內供暖，也可為熱泵蒸發器提供熱量，通過對熱能的梯級利用，實現對室內全天候高效供暖。在內蒙古通遼市對該系統進行了實驗測試，研究了該系統在低溫環境下的供暖效果和運行穩定性，分析了其經濟效益和社會效益，旨在為太陽能熱泵供暖技術的發展提供參考。

1 空氣式太陽能熱泵供暖系統設計

1.1 整體方案設計

空氣式太陽能熱泵供暖系統由太陽能集熱系統、熱泵系統及水循環系統組成。該系統有3種工作模式：太陽能供熱模式、太陽能輔助熱泵供熱模式及熱泵供熱模式，工作原理如圖1所示。在太陽能輻照度滿足室內供暖需求時，太陽能供熱模式啟動，空氣在風機驅動下通過進風聯箱進入真空管，在真空管內吸熱升溫后經出風聯箱導出，在換熱器中加熱循環水向室內供熱，與此同時，設置在真空管中的相變蓄能芯儲存多余的太陽能，當太陽輻照度減弱時，相變蓄能芯放出熱量加熱空氣，可保證供熱的穩定性。當太陽能輻照度衰減至300 W/m2以下時，真空管的有效得熱量為零，相變蓄能芯儲存的熱量用于向室內供熱，延長太陽能供熱時間，提高太陽能利用率；當相變蓄能芯的溫度低于設定溫度時，啟動空氣源熱泵，由相變蓄能芯為熱泵蒸發器提供熱量，以保證室內供暖的連續性。在夜晚或陰雨天無太陽能時，啟動熱泵供熱模式為室內供熱。在系統供水回路上設有電加熱器，在惡劣工況下，電加熱器作為輔助熱源，保證用戶的舒適度。隨著熱泵系統的運行，當蒸發溫度低于空氣的露點溫度時，在蒸發器表面會出現結霜現象，通過調節電動三通閥，將回水直接通往汽-水換熱器，利用回水余熱加熱集熱器內的循環空氣，對熱泵蒸發器進行除霜，以保證系統高效運行，除霜期間，啟動電加熱保證室內連續供暖的需求。

1.太陽能集熱器；2.汽-水換熱器；3.風機；4.電動風閥；5.肋片式蒸發器；6.熱力膨脹閥；7.干燥過濾器；8.殼管式冷凝器；9.壓縮機；10.氣液分離器；11.電動三通閥；12.水泵；13.膨脹水箱；14.電加熱器；15.電磁流量計；16.散熱器；17.風機盤管；t為測溫點處的溫度；p為測壓點處的壓力。圖1 空氣式太陽能熱泵供暖系統原理圖

1.2 空氣式太陽能集熱器設計

傳統的太陽能集熱器大都以水為傳熱介質，需設置水箱儲存太陽能，存在水垢堵塞、凍裂、泄漏等隱患，為此研發了空氣式太陽能集熱器，如圖2所示。該太陽能集熱器由雙通螺旋真空管、相變蓄能芯、進風聯箱、出風聯箱組成。該集熱器以空氣為傳熱介質，可避免出現結垢、堵塞及充注液泄漏引起的污染和腐蝕等問題，延長集熱器的使用壽命；將太陽能真空管改進為雙通直流結構，且將真空管末端設計成螺旋結構，可以防止真空管因熱脹冷縮引起的炸裂問題，提高集熱器的安全性；在真空管內放置相變蓄能芯，在太陽輻射較強時儲存多余的熱量，在太陽輻射不足時釋放熱量，減小集熱器內部的溫度波動，起到削峰填谷的作用，可以提高太陽能利用率和供熱穩定性。相變蓄能芯由鋁管封裝相變蓄能材料而成，蓄能材料為一種復合型無機鹽，熔點為100 ℃，凝固點為54.5 ℃。

圖2 空氣式太陽能集熱器結構示意圖

1.3 運行模式及控制邏輯設計

控制系統通過檢測各測溫點(如圖1所示)溫度參數，實現各運行模式的自動轉換。控制邏輯如圖3所示，當室內溫度t9<20 ℃時，控制系統開始檢測太陽能輻照度和集熱器內部溫度t1，若太陽能充足，集熱器內部溫度t1>80 ℃，則由太陽能單獨供熱滿足室內供暖需求，風閥和熱泵機組關閉，風機和水泵啟動，調節電動三通閥，由循環水通過汽-水換熱器吸收太陽能熱量為室內供熱，供水溫度t4>50 ℃時，風機關閉，供水溫度t4<45 ℃時，風機開始運行為室內供熱；若集熱器內部溫度t1<70 ℃，則熱泵機組啟動，調節電動三通閥，使循環水經冷凝器吸收熱量給室內供熱，此時為太陽能輔助熱泵供熱模式；若集熱器內部溫度t1<環境溫度t10，則打開電動風閥，熱泵吸收環境中的熱量為室內供熱，供水溫度t4<42 ℃時，熱泵不能滿足室內的熱量需求，電加熱啟動，供水溫度t4>45 ℃時，電加熱關閉。當熱泵系統蒸發器溫度t6<-13 ℃時，熱泵機組蒸發器出現較厚霜層，熱泵機組關閉，電加熱啟動，調節電動三通閥，利用回水余熱對熱泵蒸發器進行除霜；當蒸發器溫度t6>20 ℃時，除霜完成，壓縮機重新啟動，電加熱關閉。

2 空氣式太陽能熱泵供暖系統應用

在內蒙古通遼市對空氣式太陽能熱泵供暖系統進行了應用研究。通遼市太陽能資源屬于Ⅱ(A)類地區，全年太陽總輻射為4 896～5 502 MJ/m2，年平均日照時間在2 800 h以上。通遼市的供暖時間為每年10月20日至次年4月20日，共計180 d，供暖期內日均輻照量為16.075 MJ/(m2·d)，日均日照時間為7.52 h，供暖期平均氣溫為-5.1 ℃，設計室內溫度為20 ℃。

采用空氣式太陽能熱泵供暖系統代替原有的電鍋爐為某建筑供暖。根據通遼市的氣候特點，該系統由空氣源熱泵系統承擔建筑的主要熱負荷，太陽能集熱器產生的熱量作為熱泵系統的主要低溫熱源，在無太陽能時，熱泵系統也可從環境中吸取熱量，電加熱器作為輔助熱源，保障室內供暖的連續性及舒適性。太陽能集熱器、熱泵系統及其輔助設備放置在屋頂，供暖末端采用散熱器和風機盤管。建筑為通遼油庫員工休息室，供暖面積為314.47 m2。

2.1 建筑負荷計算

該建筑屬老舊單體建筑，需全天24 h供暖，墻體無保溫措施，單個房間較大，且部分房間人流量較大，房門長時間開敞，供暖熱負荷相對較大。考慮到建筑保溫性能及當地氣候條件，供暖熱負荷指標Pn設計為80 W/m2。

圖3 空氣式太陽能熱泵供暖系統控制邏輯圖

系統總耗熱量Q為

(1)

式中S為供暖面積，m2；h為供暖時間，h。

計算得該建筑供暖總耗熱量Q為2 173.6 MJ/d。

2.2 主要部件選型

2.2.1太陽能集熱器

建筑物供暖所需太陽能集熱器總面積為

(2)

式中Ac為太陽能集熱器面積，m2；f為太陽能保證率，取60%；Jt為供暖季日均輻照量，MJ/(m2·d)，取16.075 MJ/(m2·d)；ηcd為太陽能集熱器集熱效率，取46.5%；ηl為管路及貯熱裝置熱損失率，取20%。

根據計算及系統管路要求，太陽能集熱系統需為建筑提供白天12 h供暖所需的熱量。設計并安裝28臺相變蓄能空氣式太陽能集熱器，每臺集熱器集熱面積為4 m2，總集熱面積為112 m2。

根據GB/T 50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》，太陽能系統全年使用時，集熱器的安裝傾角宜與當地緯度相等；偏重于冬季使用時，傾角應比當地緯度大10°。該項目太陽能集熱器傾角取45°。

2.2.2空氣源熱泵

在陰雨氣候條件下，空氣源熱泵需承擔建筑全部熱負荷，故熱泵機組應根據建筑的最大供暖負荷25.15 kW進行選型。熱泵機組的制熱量Qh計算式為

Qh=qhK2K3

(3)

式中qh為空氣源熱泵的名義制熱量，kW；K2為冬季熱泵計算溫度修正系數，取0.76；K3為機組化霜修正系數，每小時化霜1次取0.9，化霜2次取0.8。

計算得到所需熱泵的名義制熱量為36.78 kW，選取2臺空氣源熱泵機組承擔建筑的主要熱負荷，壓縮機額定制熱量為21.2 kW，采用R507作為制冷劑，充注量為4.5 kg，其余各部件均與壓縮機相匹配。

2.2.3其他部件選型

太陽能集熱系統風機采用離心式風機，型號為CY180，軸功率為0.75 kW，最大風量為27 m3/min；水循環系統中設置膨脹水箱，容積為200 L，用于為水循環回路補水和緩解管路壓力過高；水泵采用QDL型立式多級離心泵，輸入功率為0.55 kW，額定流量為2.0 L/s；配置的輔助電加熱的功率為18 kW，在惡劣氣候條件下，保障室內供熱。

3 實驗結果分析

測試時間為2019年1月1日至3月31日，共計90 d。系統的主要參數如表1所示。1月環境溫度波動較小，日平均溫度維持在-15～-1 ℃，系統的日均耗電量約為318.84 kW·h，平均COP為3.52；2月環境溫度顯著降低，系統的日均耗電量相對于1月略有升高，COP減小，這是由于建筑熱負荷增大，熱泵制熱量衰減，電加熱運行比例增大；3月環境溫度出現明顯回升，系統的能耗減小，COP增大。

表1 系統運行參數

3.1 運行參數分析

系統的運行參數主要受環境溫度影響較大，選取2019年2月19日至3月20日共30 d的運行數據(此期間的環境工況更接近于整個供暖季的平均水平)進行分析。環境溫度波動如圖4所示，日平均環境溫度在-3.1～11.9 ℃之間，溫度變化整體呈上升趨勢。圖5顯示了日平均供、回水溫度和室內溫度變化，測試期間系統可產生平均溫度為42.6 ℃的熱水，整體呈現穩定趨勢，室內溫度隨環境溫度變化略有波動，可維持在21.3～24.1 ℃之間，平均為22.9 ℃，可滿足建筑的供暖需求。

圖4 測試期間日平均環境溫度

圖5 日平均供水、回水和室內溫度隨時間的變化

圖6顯示了測試期間系統日供熱量和耗電量隨時間的變化。系統日供熱量和耗電量受環境溫度影響較大，環境溫度降低，建筑熱負荷增大，系統供熱量和耗電量增大；相反環境溫度升高，建筑熱負荷減小，系統供熱量和耗電量降低。測試期間系統日均耗電量為263.9 kW·h，日均供熱量為946.4 kW·h。

圖6 系統日供熱量和耗電量隨時間的變化

圖7顯示了熱泵系統和電加熱器日供熱量的占比，熱泵日供熱量占比在79.9%～92.7%之間，電加熱器日供熱量占比為7.3%～20.1%。熱泵和電加熱器的日供熱量受氣候條件的影響，在晴天太陽輻射較強時，太陽能集熱器吸收太陽能產生的熱能作為熱泵系統的低溫熱源，可提高熱泵系統的蒸發溫度，改善其運行工況，熱泵日供熱量升高，電加熱器運行時間縮短，系統能耗較低；在陰雨天無太陽能時，熱泵系統吸收環境中的熱能，運行工況不斷惡化，制熱量減小，電加熱器運行時間延長，系統能耗增加。

圖7 熱泵和電加熱器日供熱量隨時間的變化

圖8顯示了系統日平均COP隨時間的變化，測試期間系統COP最大為4.3，最小為2.6，平均為3.6，系統整體能效較高，節能效果顯著。系統運行30 d，總耗電量為7 918.6 kW·h，總共可為室內提供熱量102.2 GJ，其中空氣源熱泵供熱量為89.7 GJ，占總熱量的87.8%，建筑單位面積耗熱量為97.5 W/m2。

圖8 系統日平均COP隨時間的變化

3.2 經濟與社會效益分析

該空氣式太陽能熱泵供暖系統已運行了一個供暖季，并未出現凍堵、炸裂和泄漏等問題，運行穩定可靠，可滿足建筑的供暖需求。測試期間，系統可維持室內平均溫度為22.33 ℃，日均耗電量為304.81 kW·h，平均COP為3.51。經濟效益分析如表2所示，空氣式太陽能熱泵供暖系統的初投資較高，但年運行費用顯著降低，且隨著系統運行年限的增加，電供暖、燃煤鍋爐及燃氣鍋爐系統會逐漸老化，供暖效率將逐漸降低，系統需要定期維護，使得運行費用逐年增加，空氣式太陽能熱泵供暖系統的優勢將會更加顯著。

表2 經濟效益分析

空氣式太陽能供暖熱泵系統的回收期定義為相對于其他供暖系統增加的初投資除以每年節約的供暖費用。

(4)

式中n為投資回收期，a；Sic、Oic分別為空氣式太陽能熱泵供暖系統和其他系統(電供暖、燃煤鍋爐和燃氣鍋爐)的初投資，萬元；Soc、Ooc分別為空氣式太陽能熱泵供暖系統和其他系統的年運行費用，萬元/a。

不計空氣式太陽能熱泵供暖系統的維護費用，且假定系統的使用壽命為15 a，與電供暖系統、燃煤鍋爐供暖及燃氣鍋爐供暖系統相比，年運行費用可分別降低62.2%、49.1%、46.2%，回收期分別為4.7、9.8、10.3 a。

社會效益體現在系統整個供暖季節約的電能(折合成標準煤消耗量)，以及減少的溫室氣體和有害氣體排放量，以此對所設計的太陽能熱泵的性能進行綜合評價。空氣式太陽能熱泵供暖系統節約的標準煤質量可通過下式計算：

(5)

式中mc為節約的標準煤質量，kg；Qj為空氣式太陽能熱泵供暖系統的節能量，MJ；qc為標準煤的熱值，取29.3 MJ/kg；ηc為燃煤鍋爐的熱效率，取80%。

在測試期間，空氣式太陽能熱泵供暖系統總耗電量為27 218.8 kW·h，可為室內提供熱量342.5 GJ，經計算得到，為建筑提供相同的熱量所需的標準煤為14.6 t，系統的耗電量折合成標準煤為4.1 t，節省標準煤10.5 t。估算得到，該空氣式太陽能熱泵供暖系統在整個供暖季可節省標準煤21 t，當量減排CO254.6 t、粉塵0.31 t、SO20.51 t、NOx0.14 t，起到了保護環境的良好作用，節能減排效益突出。

4 結論

1) 在實驗工況下，日平均環境溫度在-3.1～11.9 ℃之間，該系統可持續提供平均溫度為42.6 ℃的熱水，可維持室內溫度在21.3～24.1 ℃，溫度較為穩定，受環境影響顯著減小，系統整體運行穩定、可靠，可滿足建筑的供暖需求。

2) 測試期間，該系統COP在2.6～4.3之間，COP變化受氣候條件及環境溫度影響較大，平均COP為3.6，相對于單一空氣源熱泵供暖，整體能效較高，節能效果顯著。

3) 經濟效益分析表明，該系統在測試期間日均耗電量為304.81 kW·h，與電供暖、燃煤鍋爐供暖及燃氣鍋爐供暖系統相比，年運行費用可分別降低62.2%、49.1%、46.2%，投資回收期分別為4.7、9.8、10.3 a。

4) 該系統已運行一個供暖季，實現了太陽能的高效利用，減少了常規能源的消耗，可節約標準煤21 t，當量減排CO254.6 t、粉塵0.31 t、SO20.51 t、NOx0.14 t，起到了保護環境的良好作用，節能減排效益突出。