李旭林 張梓蘊(yùn) 王云龍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

引言

清潔供暖是我國(guó)大氣污染防治工作的重要組成部分，為充分實(shí)現(xiàn)供暖技術(shù)的清潔性，充分引導(dǎo)各地的供暖方式向低能耗、低排放的方向發(fā)展。北方農(nóng)村既有取暖方式主要以污染高的散煤燃燒為主，在浪費(fèi)大量化石能源的同時(shí)，還造成嚴(yán)重的室內(nèi)外空氣污染，故在北方農(nóng)村推進(jìn)清潔取暖對(duì)降低取暖能耗節(jié)約資源有積極影響。

近年來(lái)，空氣源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源，是目前建筑節(jié)能領(lǐng)域重要的供暖形式，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可全年使用。如果將二者系統(tǒng)耦合供熱，可提高能源利用率，彌補(bǔ)不足。因此，將太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)作為最佳耦合系統(tǒng)的研宄具有十分重要的意義。

1 常規(guī)太陽(yáng)能與空氣源熱泵系統(tǒng)耦合方式

1.1 直膨式太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

直膨式太陽(yáng)能熱泵(DXSAHP)有效地利用了太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，來(lái)自太陽(yáng)輻射或環(huán)境空氣中的熱量直接通過(guò)太陽(yáng)能集熱裝置吸收熱量，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)直接將熱量傳遞給冷凝器至末端設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和可再生能源利用的有效方案。直膨式系統(tǒng)見(jiàn)圖1,其運(yùn)行簡(jiǎn)單，主要依靠太陽(yáng)能輻射吸收熱量來(lái)供熱，但由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)受太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度影響較大，適用于太陽(yáng)能資源充足的地區(qū)。

圖1 直膨式太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

學(xué)者們從不同的角度對(duì)直膨式系統(tǒng)進(jìn)行了研究。方雷[1]采用R134a作為工質(zhì)建立了直膨式太陽(yáng)能熱泵(DXSASHPWH)的系統(tǒng)性能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。在春季和秋季晴天工況下平均COP為3.26，平均集熱效率為0.73，耗電量為1.50；在冬季，平均COP為3.27，平均集熱效率為0.68，耗電量為1.81。

蔣澄陽(yáng)[2]等人提出了一種肋片式集熱器應(yīng)用于DXSASHPWH，集熱器可以在空氣中吸收熱量，也可以在太陽(yáng)能輻射吸收能量，系統(tǒng)的平均COP可達(dá)到6，遠(yuǎn)高于常規(guī)型系統(tǒng)。由于常規(guī)機(jī)組受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響較大，徐國(guó)英[3]等提出了一種新型耦合熱水器，當(dāng)太陽(yáng)輻射不足時(shí)，可吸收空氣中的熱量，使得系統(tǒng)能穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

1.2 非直膨式太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

1.2.1 串聯(lián)式系統(tǒng)

串聯(lián)式系統(tǒng)如圖2所示，是指太陽(yáng)能集熱器與熱泵循環(huán)通過(guò)蓄熱水箱共同供給末端機(jī)組，但各自環(huán)路互不干涉。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)共同運(yùn)行，太陽(yáng)能集熱器吸收的熱量傳遞給換熱器直至熱泵系統(tǒng)，集熱介質(zhì)在熱泵系統(tǒng)中循環(huán)吸熱，經(jīng)冷凝器傳遞到末端機(jī)組。串聯(lián)式系統(tǒng)受太陽(yáng)能波動(dòng)影響相對(duì)較小，在無(wú)太陽(yáng)能時(shí)，會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能熱水的溫度過(guò)低，熱泵工作效率下降。太陽(yáng)能系統(tǒng)不穩(wěn)定性的運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致傳熱的溫度過(guò)低，熱泵系統(tǒng)能效降低。串聯(lián)式系統(tǒng)的COP高于單一空氣源熱泵，但無(wú)陽(yáng)光時(shí)需要加入電磁能輔助熱源。

賈少剛[4]等人將太陽(yáng)能和熱泵技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑物的制冷、供暖和熱水的同時(shí)供給，研究表明串聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行效率較好且耗電量少節(jié)能。張慈枝[5]建立串、并聯(lián)式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合測(cè)定，當(dāng)集熱水溫處于20.4～37.9℃，串聯(lián)運(yùn)行模式COP值較高。但當(dāng)太陽(yáng)能集熱溫度到達(dá)一定值時(shí)，反而并聯(lián)模式運(yùn)行性能相對(duì)較好。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的余延順[6]等人在哈爾濱地區(qū)的氣象地理?xiàng)l件下分析研究了太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況，得到了動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下的太陽(yáng)能總集熱量和集熱效率分別高出靜態(tài)運(yùn)行工況下的23.1%和22.7%的結(jié)論。

圖2 串聯(lián)式系統(tǒng)

圖3 并聯(lián)式系統(tǒng)

1.2.2 并聯(lián)式系統(tǒng)

并聯(lián)式系統(tǒng)中有2種熱源分別提供熱量供熱，如圖3所示。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱運(yùn)行是在太陽(yáng)輻射充足條件下，使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)陰雨天氣或太陽(yáng)能強(qiáng)度弱時(shí)，空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行或開啟共同運(yùn)行，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。并聯(lián)式系統(tǒng)可直接利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱水，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)單獨(dú)工作互不干涉，便于控制且系統(tǒng)維修方便。劉杰[7]等人選取蘭州地區(qū)一幢別墅建筑作為供暖對(duì)象，結(jié)果表明，并聯(lián)耦合系統(tǒng)在太陽(yáng)能輻射吸收量、熱泵運(yùn)行效率上均優(yōu)于單一空氣源熱泵，大幅度提高了太陽(yáng)能集熱器的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了24h供水運(yùn)行，但耦合系統(tǒng)需要考慮集熱器面積大小，超過(guò)一定范圍會(huì)削弱集熱效率。

鐘浩[8]等根據(jù)昆明地區(qū)的氣候特點(diǎn)，對(duì)空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能系統(tǒng)進(jìn)行了一系列測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，在耦合系統(tǒng)中空氣源熱泵系統(tǒng)COP值可達(dá)3.8以上。靳路[9]等人研究表明，在石家莊農(nóng)村獨(dú)立住宅中太陽(yáng)能與空氣源熱泵系統(tǒng)中太陽(yáng)能保證率平均為46%，空氣源熱泵系統(tǒng)COP值為4.5，其中太陽(yáng)能集熱器的供熱占比為59%。

1.2.3 混合式系統(tǒng)

混聯(lián)式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同熱源多種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)單獨(dú)供熱，多余的熱量可運(yùn)送到儲(chǔ)熱水箱中；當(dāng)太陽(yáng)輻射不足時(shí)，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行；連續(xù)陰雨無(wú)太陽(yáng)時(shí)，開啟空氣源熱泵系統(tǒng)供熱，優(yōu)先使用蓄熱水箱中的熱量輔助熱泵系統(tǒng)?；炻?lián)式系統(tǒng)運(yùn)行模式復(fù)雜，精準(zhǔn)度要求高，需要根據(jù)不同氣候特征及室內(nèi)外溫度轉(zhuǎn)換不同的運(yùn)行模式。

單明[10]等人選取示范戶位于北京市平谷區(qū)農(nóng)村，取暖系統(tǒng)為太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)加4kW流變頻低溫空氣源熱泵熱水機(jī)，末端機(jī)組采用地?zé)彷椛洳膳?，整個(gè)取暖季太陽(yáng)能熱水循環(huán)泵耗電約151kWh，低溫空氣源熱泵熱水系統(tǒng)耗電6104kWh。

天津大學(xué)陳雁、李新國(guó)[11]等學(xué)者通過(guò)建模模擬分析了復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在天津地區(qū)采用太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)耦合比氣源熱泵單獨(dú)供熱要經(jīng)濟(jì)很多。因此，太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)能夠高效、可靠地運(yùn)行，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有望為國(guó)家的節(jié)能減排貢獻(xiàn)力量。

2 太陽(yáng)能光伏耦合空氣源熱泵系統(tǒng)

采用太陽(yáng)能光伏與空氣源熱泵組合系統(tǒng)是一種新型建筑采暖方式，容易實(shí)現(xiàn)建筑一體化設(shè)計(jì)，適用我國(guó)北方寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)。采取空氣源熱泵和光伏發(fā)電系統(tǒng)，可充分利用自然的太陽(yáng)能，避免長(zhǎng)途運(yùn)輸造成的損耗，易于操作，便于維修。太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為清潔新能源可以對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行供電補(bǔ)充，有效降低公用電網(wǎng)供給空氣源熱泵的電能使用量。但該系統(tǒng)需考慮高耗能、間歇工作的因素，對(duì)于供熱強(qiáng)度大的建筑需對(duì)應(yīng)較大面積的光伏太陽(yáng)能電池板。

圖4 光伏太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵運(yùn)行原理圖

東南大學(xué)的周偉[12]等人研發(fā)了新型裸板式多孔扁盒集熱器，搭建了太陽(yáng)能光伏耦合空氣源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式，提出耦合運(yùn)行、太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行、空氣源單獨(dú)運(yùn)行3種不同模式。針對(duì)3種不同模式在夏季工況下，對(duì)比單獨(dú)運(yùn)行的太陽(yáng)能和空氣源模式，耦合熱源模式COP提高了24.47%和40.14%。

Meysam、符慧德[13-15]等將圓筒熱管與光伏組件結(jié)合設(shè)計(jì)出基于熱管的PV/T系統(tǒng)并將其與熱泵結(jié)合，設(shè)計(jì)出了基于圓筒熱管的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)平均COP可達(dá)到4.87，光電效率基本在11%以上。杜伯堯[16]設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能光伏/空氣集熱蒸發(fā)器并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，緩解了太陽(yáng)能受天氣影響的弊端，光伏太陽(yáng)能耦合空氣源模式下系統(tǒng)COP在3.2～4.2。

3 新型太陽(yáng)能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)

在我國(guó)北方村鎮(zhèn)地區(qū)，傳統(tǒng)型熱泵會(huì)出現(xiàn)凍裂無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)、制冷劑流量降低、供水溫度不高等問(wèn)題，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。直膨式系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于較高的集熱效率與系統(tǒng)性能，但受太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度影響較大，存在不穩(wěn)定性的特點(diǎn)；非直膨式的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，然而受天氣條件影響較大，不好單一控制，需要改善低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)的制熱性能，精度要求高；光伏太陽(yáng)能空氣源熱泵更適合城市地區(qū)，初投資大，但這些形式并不適用于北方獨(dú)立村鎮(zhèn)供暖建筑。因此，針對(duì)北方大部分的獨(dú)立住宅供暖建筑及熱泵存在的問(wèn)題，提出一種適用于北方村鎮(zhèn)建筑的供暖方式，對(duì)熱泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)采用雙源蒸發(fā)器為核心部件進(jìn)行耦合供熱。該系統(tǒng)將太陽(yáng)能未滿足供熱要求的熱水或循環(huán)介質(zhì)轉(zhuǎn)至空氣源熱泵中，促進(jìn)空氣源系統(tǒng)運(yùn)行，通過(guò)提高轉(zhuǎn)換溫度達(dá)到提升換熱效率。該系統(tǒng)可循環(huán)3種模式，空氣源熱泵單獨(dú)供熱蓄熱模式、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱蓄熱模式、太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合模式。雙源蒸發(fā)器可流通3種介質(zhì)進(jìn)行熱交換，可使制冷劑同時(shí)與內(nèi)管的太陽(yáng)能熱水和外表面的空氣進(jìn)行換熱，熱泵同時(shí)或單獨(dú)與空氣和液態(tài)熱源2種熱源的熱交換，實(shí)現(xiàn)能源的T級(jí)利用。

圖5 新型太陽(yáng)能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論與展望

太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)能有效提高冬季空氣源熱泵工作效率，對(duì)于緩解北方村鎮(zhèn)供暖造成的污染會(huì)有很大的改善，未來(lái)的市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。

不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源、輻射時(shí)間和室外環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照量均有不同。因此不同地區(qū)耦合系統(tǒng)應(yīng)選擇適合的耦合方式，避免系統(tǒng)受工況變化的影響，對(duì)應(yīng)不同氣候特征的村鎮(zhèn)建筑供暖，提供一一對(duì)應(yīng)的耦合熱源模式。

新型太陽(yáng)能—空氣雙熱源耦合系統(tǒng)充分實(shí)現(xiàn)了能源的最大化利用，通過(guò)電動(dòng)閥門及溫度傳感器調(diào)節(jié)供回水的流向，大幅度提高空氣源熱泵的運(yùn)行效率，將太陽(yáng)能未滿足供熱需求的傳熱介質(zhì)傳遞給空氣源熱泵中，進(jìn)行熱量傳遞，也保證了熱泵系統(tǒng)在低溫下防凍的效果，可適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)的清潔供暖。

太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合系統(tǒng)可以解決單一能源運(yùn)用的局限性，合理應(yīng)用可以減少運(yùn)行能耗，大幅提高了整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率，且節(jié)能收益較好，可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能運(yùn)行。同時(shí)，可解決村鎮(zhèn)建筑供暖過(guò)程中存在的能源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題，改善村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境、提高人民的生活質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)了綠色取暖、零碳排放，在北方地區(qū)適合大面積推廣。