蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的應用研究

王軍杰

（中國人民解放軍61622部隊，北京 102202）

0 引言

太陽能資源是潔凈能源，更是可再生能源，科學且高效的運用太陽能資源能夠為實現生態社會建設奠定基礎。蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的提出，憑借著優化改善熱能品位優點成為社會關注的焦點[1]。從蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的技術設備性能角度分析，在氣候寒冷的地區推廣與普及該系統，具有先天的優勢，由此也可以拓展寒冷地區的空氣源熱泵與蓄熱型空氣式太陽能適應能力。對于蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統而言，為了提升其在運行過程中性能，必須與熱負荷系統以及氣象條件變化作為依據展開運行控制與優化調整[2]。

1 蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統影響因素

1.1 氣候影響因素分析

在蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統安裝場地，隨著太陽輻射的強度上升，蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的效率也會隨之增加，但是增加的速度卻是呈現出逐漸降低的趨勢，集熱器的出口位置溫度值表現出線性增長的態勢。這種現象的出現，主要是因為太陽能輻射的強度提升，入射輻射量也會隨之增加，集熱器的接收設備溫度值同樣上升，有效集熱量增多，造成大量的熱損失，所以，集熱器的熱效率將會在增加之后逐漸趨向于平緩[3]。外界環境溫度變化對集熱器效率與溫度的影響產生影響，呈現出正比變動的趨勢。根據相關研究成果得知，當室外的溫度變化幅度為40℃的時候，集熱器瞬時效率變化值大約維系在2%，出口位置的溫度值變化幅度大約維系在1℃。這種現象的出現，主要是受到當地溫度變化影響，在蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的玻璃管壁以及真空管金屬管道中的溫度，將會表現出小幅度的變化，與外界環境溫度之間的變化差距相對較小，流體出口位置的平均溫度值上升[4]。

1.2 運行參數影響因素分析

隨著蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的集熱口入口位置的溫度上升，集熱器位置的瞬時效率將會大幅度降低，出口位置的溫度值將呈現出線性增長趨勢，這種現象出現的原因主要是由于入口位置的溫度值上升，真空管的管壁位置溫度值也呈現出上升趨勢，與外界之間進行熱交換，增加熱損失，降低瞬時效率。當集熱器的入口位置處溫度值不超出60℃時，蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的集熱器效率水平可以實現60%乃至以上。蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統在實際運行過程中，入口位置的溫度值屬于不可控因素，受控制參數、熱負荷以及室外參數值等各類因素的綜合性影響[5]。但是充分利用熱量，便可以將溫度降低，從而提升蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱效率。

1.3 幾何參數影響因素分析

聚光比增加，蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱效率也隨之增加，之后逐漸趨向于平緩，在集熱器的出口位置，其溫度值將會伴隨著聚光比增加而降低。這種現象出現的原因是聚光比上升，蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器所具備的聚熱能力也隨之強化，太陽能在投射時效率相同，可以得到更多的能源，將集熱器工質的溫度上升時，將會強化與外界環境之間的熱交換效率，增加熱損失，限制集熱效率[6]。蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器面積增加，流體出口位置的平均溫度值將會以線型態勢增加，集熱器的效率呈現出小程度下降。這種現象的出現，主要是因為蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統具有較大的聚光面積，聚光反射器能夠在相同的時間和環境下獲得更多的太陽能輻射。

2 蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統性能分析

2.1 蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器面積分析

當蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器的面積上升時，將會增加有效集熱量，在供熱量供給中，太陽能的參與度先增加，后平緩變動，所以在集熱器中，太陽能的保證率將會先增加，再趨向定值，這種現象出現的原因是由于集熱器的面積增加，造成大量的集熱器熱量損失殆盡，并且水箱具有有限的蓄熱能力，所以不能夠將太陽能熱量進行充分存儲，降低利用效率，造成不能夠充分使用熱量[7]。

通過相關分析可知，當集熱器的面積在1815m2的時候，太陽能保證率能達到51.4%，當面積超過2550m2的時候，太陽能保證率增加的速度將會降低。分析費用現值以及耗電量得知，當增加集熱面積的時候，資金投入將呈現出線性上升的狀態，蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統費用現值呈現出增加態勢。耗電量先降低，再平衡，降低一次能源消耗量。

2.2 蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器聚光比

當蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱器聚光比上升，太陽能供熱量以及有效及熱量先上升，后下降，熱泵供熱量先呈現出小幅度降低，再呈現出上升趨勢，太陽能的保證率先增加，后平緩，最后呈現出小幅度降低。這種現象出現的原因，主要是由于集熱器聚光比上升到某個特定值的時候，將會提升與周邊環境之間的熱交換能力，增加熱損失[8]。當集熱器聚光比上升，有效熱量增加的幅度值將會低于熱損失增加的幅度值。

通過相關分析可以得知，太陽能的保證率不低于50%的時候，聚光比需要達到30，聚光比的變化范圍在10-60時，太陽能保證率的增加幅度僅僅維系在6.5%。

2.3 蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統集熱面積水箱容積

利用蓄熱水箱存儲太陽能熱量，能夠將太陽能不連續的問題作出彌補，保障蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統供熱能力提升。通過使用蓄熱水箱充分儲備熱量，能夠降低陰雨天氣或者是夜晚環境下天氣熱泵開啟，將系統入口位置的溫度降低。倘若是水箱具有較大的容積，那么熱水箱溫度在上升的時候速度較慢，波動幅度較低，延長高溫區中水箱停留的時間，對存儲太陽能熱量有著不利影響[9]。反之，當水箱具有較小的容積，那么熱水箱蓄熱量水平降低，不能充分利用太陽能熱量，降低系統太陽能保證率。

伴隨著集熱面積水箱的容積提升，水箱的供熱量以及蓄熱量都呈現出上升的變化趨勢，降低熱泵供熱量，增加太陽能保證率。通過相關分析可知，當集熱面積水箱的容積達到120L/m2的時候，太陽能保證率能夠達到54%，若是水箱的容積不斷上升，水箱供熱量將會呈現出下降趨勢，降低利用水箱熱量的效率，增加熱泵供熱量，降低太陽能保證率。系統的耗電量將隨著太陽能供熱量的變化而發生變化，當供熱量一定，水箱的容積上升時，耗電量先下降，再增加，費用支出先降低后上升，系統的資金投入呈現出逐漸上升的趨勢，但是相對而言，水箱的資金投入占據總投資的比重不高，所以費用值先小程度下降，再緩和上升[10-11]。

3 結語

本文分析了蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統氣候參數、運行參數以及集合參數的影響，得知各類影響因素對蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統的影響情況，其中影響幅度最大的是集熱器聚光比。最后簡要分析了集熱器面積、集熱器聚光比以及水箱容積對蓄熱型空氣式太陽能集熱空氣源熱泵復合供暖系統性能的影響，獲得太陽能保證率、系統費用現值等數據參數的變化規律。