滿學(xué)鵬 顧煒莉 易小芳

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

目前，我國(guó)的建筑能耗在社會(huì)總能耗中占比達(dá)到了33%，其中采暖空調(diào)能耗是建筑能耗的主要組成部分。傳統(tǒng)燃煤供暖方式增加了二氧化碳排放量，自1978年到2012年，我國(guó)的二氧化碳排放量增長(zhǎng)了近10倍，達(dá)到1003萬噸。采用熱泵供暖可以有效減少二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

空氣源熱泵從空氣中獲得低位熱源，通過部分電能將低位熱源轉(zhuǎn)化用于建筑供暖，但其對(duì)室外環(huán)境溫濕度要求較高，在低溫高濕工況下，室外換熱器表面易產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空氣源熱泵機(jī)組制熱效率降低，增大能源損耗?？諝庠礋岜媒Y(jié)霜時(shí)間越長(zhǎng)，機(jī)組制熱效率越低，嚴(yán)重時(shí)壓縮機(jī)將停止工作。而將空氣源熱泵和儲(chǔ)量豐富的太陽能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在空氣源熱泵結(jié)霜和除霜方面會(huì)有很好的效果。

1 太陽能耦合空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜、除霜研究及應(yīng)用

太陽能空氣源熱泵機(jī)組主要由太陽能集熱系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)，空氣源熱泵加熱系統(tǒng)和采暖末端構(gòu)成[1-3]，圖1為并聯(lián)供暖系統(tǒng)原理圖[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為解決室外換熱器在低溫高濕條件下易結(jié)霜等問題提出各類太陽能耦合空氣源熱泵的形式，從而達(dá)到提高機(jī)組制熱效率等目的。

圖1 并聯(lián)供暖系統(tǒng)原理圖

1.1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵延緩結(jié)霜和除霜效果

直膨式太陽能耦合空氣源熱泵是將太陽能集熱器和蒸發(fā)器合并起來，實(shí)現(xiàn)制冷劑直接進(jìn)入太陽能集熱蒸發(fā)器中，吸收的太陽能直接用于加熱制冷劑[4-7]。工作原理如圖2所示[8]。

圖2 直膨式太陽能/空氣能熱泵原理圖

馬坤如[8]等通過搭建空氣源熱泵和新型太陽能/空氣能直膨式熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫濕度，研究表明：這種新型熱泵的室外換熱器結(jié)霜有所緩解，在太陽輻射達(dá)到峰值 571.5 W/m2時(shí)，熱泵制熱量較空氣源熱泵提高 70%，全天制熱量提高 12%，在低溫0～8℃工況下，C OP值可達(dá)3.46。方雷[9]搭建直膨式太陽能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過模擬進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，當(dāng)室外溫度越高、太陽輻射強(qiáng)度越大時(shí)，系統(tǒng)加熱時(shí)間短、耗電量少。當(dāng)水溫逐漸升高時(shí)，冷凝壓力同樣增加，C OP 瞬時(shí)值因壓縮機(jī)做功增加而減少。

Kara[10]等提出了一種直膨式太陽能空氣源熱泵，與空氣源熱泵相比，通過太陽能的輔助作用，使空氣獲得了更高的蒸發(fā)溫度，有效延緩了機(jī)組的結(jié)霜問題。H uang[11]等設(shè)計(jì)了一款帶裸露集熱器的直膨式太陽能輔助熱泵系統(tǒng)，在環(huán)境溫度7～-3℃，相對(duì)濕度 50%、70%、90%，太陽輻射照度 0 W/m2、100 W/m2、200 W/ m2、300 W/m2的工況下記性結(jié)霜測(cè)試，研究表明：在結(jié)霜條件下，相對(duì)濕度越高，結(jié)霜越嚴(yán)重。當(dāng)相對(duì)濕度高于50%至70%，環(huán)境溫度低于7℃至6℃時(shí)，機(jī)組開始結(jié)霜，環(huán)境溫度高于-3 ℃，太陽照度100 W/m2可完全防止結(jié)霜，相對(duì)濕度不高于 90%時(shí)，可以通過增加太陽照度延緩或防止結(jié)霜。

直膨式太陽能耦合空氣源熱泵環(huán)境溫度和相對(duì)濕度在一定范圍內(nèi)時(shí)，通過加強(qiáng)太陽輻射照度可延緩或抑制除霜，明顯提升了機(jī)組的制熱效率，機(jī)組在運(yùn)行過程中更加穩(wěn)定。

1.2 蒸發(fā)器模型修正延緩結(jié)霜和除霜效果

針對(duì)于其中的蒸發(fā)器模型，尹麗媛[12]對(duì)一種太陽能 -空氣能蒸發(fā)集熱器熱泵供暖裝置在室外溫度4.5℃，室內(nèi)溫度20 ℃、相對(duì)濕度72%的工況下進(jìn)行結(jié)霜、除霜性能研究，結(jié)果表明，機(jī)組正面結(jié)霜少，上面比下面結(jié)霜少，背面某些區(qū)域未結(jié)霜。當(dāng)瞬時(shí)照度大于150 W/m2時(shí)，機(jī)組可延緩結(jié)霜，高于 500 W/m2時(shí)，受到照射區(qū)域基本不結(jié)霜。田琦等[13]在蒸發(fā)器模型中增加了空間輻射修正，落塵修正和冬季結(jié)霜工況修正，分別對(duì)夏季、冬季機(jī)組結(jié)霜、除霜效果分析，研究表明：太陽能涂層可吸收太陽能輻射能量，冬季太陽輻照度增大可以有效提高蒸發(fā)器表面溫度，從而達(dá)到抑制結(jié)霜的效果。季杰[14-15]等將蒸發(fā)器替換為表面涂有吸收性涂層的蒸發(fā)器，在不同輻射照度和不同環(huán)境溫度下對(duì)此系統(tǒng)與傳統(tǒng)直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)分別進(jìn)行制熱性能的研究。當(dāng)太陽輻射照度與蒸發(fā)器進(jìn)口溫度呈正比，當(dāng)輻射照度超過 200 W/m2時(shí)，可完全避免蒸發(fā)器結(jié)霜。在輻射照度為100和200 W/m2，C OP值與無照度相比分別提高11.7%和 23.7%，系統(tǒng)啟動(dòng)除霜延遲23 min，還對(duì)太陽能/空氣能直膨變頻翅片的結(jié)霜問題做出了分析。

董旭[16]提出了一種在常規(guī)空氣源熱泵表面電噴太陽能選擇性吸收涂層的模式，太陽能吸收率為0.92-0.96，透射率為 0.92-0.94，反射率約為0.039，采用逆循環(huán)除霜方式，與常規(guī)空氣源熱泵相比，可有效預(yù)防初期結(jié)霜，太陽能 -空氣源熱泵逆除霜性能系數(shù)為0.29，相比于空氣源熱泵提高了26.1%。黎珍[17]等提出一種太陽能/ 空氣能蒸發(fā)集熱器，建立 TRNSYS 模型，通過電化學(xué)方法在銅鋁翅片管外表面電解著色一層鋁陽極氧化太陽能選擇性吸收涂層，通過模擬分析得出此種蒸發(fā)集熱器可有效緩解冬季室外側(cè)換熱器結(jié)霜問題，系統(tǒng) COP值在冬季和夏季比空氣源熱泵分別提高44.16%和6.56%，耗電量也相應(yīng)減少。

通過不同方式對(duì)蒸發(fā)器表面增加太陽能吸收涂層可加倍吸收太陽能，提高蒸發(fā)器溫度，延緩機(jī)組結(jié)霜，縮短除霜時(shí)間。

1.3 預(yù)熱冷空氣延緩結(jié)霜和除霜效果

對(duì)冷空氣提前進(jìn)行預(yù)熱，圖3為預(yù)熱冷空氣的太陽能耦合空氣源熱泵原理圖[19]。

圖3 預(yù)熱冷空氣的太陽能耦合空氣源熱泵原理圖

Jia[18]等采用空氣源熱泵蒸發(fā)器前安裝太陽能空氣預(yù)熱器方式，經(jīng)熱泵蒸發(fā)器從室外空氣獲取熱量和通過滲透式空氣收集器吸收預(yù)熱空氣中的熱量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)室外空氣進(jìn)行預(yù)熱后，使室外空氣性能參數(shù)提高了25.5%左右，在提高性能系數(shù)和太陽能利用率的同時(shí)，有效抑制了結(jié)霜層，使系統(tǒng)在無霜條件下運(yùn)行。Z hang[19]等設(shè)計(jì)了一款在熱泵蒸發(fā)器前串聯(lián)空氣預(yù)熱器的太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可獨(dú)立供暖，使得供暖可靠性有所提高。系統(tǒng)將白天太陽能集熱器吸收的熱量?jī)?chǔ)存起來，供夜晚使用，可實(shí)現(xiàn)制熱兼蓄熱、串聯(lián)聯(lián)合供熱、蓄熱供熱三種工況之間的相互轉(zhuǎn)化，通過對(duì)單一空氣源熱泵和次熱泵系統(tǒng)在不同工況下對(duì)其性能記性比較。當(dāng)入口冷空氣從 -16 ℃升溫到 7 ℃以后，經(jīng)過空氣預(yù)熱器預(yù)熱后熱泵系統(tǒng)在7 ℃以上可以有效抑制結(jié)霜，使空氣源熱泵在無霜效果下運(yùn)行。陳儉[20]等提出一種中間安裝有制冷劑蒸發(fā)管的太陽能為輔助熱源的空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全天候制熱，在寒冷高濕地區(qū)也能夠完成除霜，此系統(tǒng)的弊端是在除霜過程中需要熱泵提供大量熱水。

王文君[21]在一款太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一款新型除霜換熱器，即在原有的翅片管式換熱器上增加一個(gè)熱水的進(jìn)口和出口，使空氣經(jīng)過時(shí)被加熱到一定溫度再與工質(zhì)進(jìn)行換熱，使工質(zhì)得到提高，在工況為-10℃環(huán)境溫度下，提高了壓縮機(jī)的吸氣溫度，使機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，與傳統(tǒng)換熱器相比，此種換熱器可有效延緩結(jié)霜。張迎迎[22]提出了一種太陽能耦合空氣源熱泵的方式，使空氣先后經(jīng)過介質(zhì)為太陽能熱水和制冷劑的兩排管，前者提高空氣的溫度，后者提高了蒸發(fā)溫度，使室外換熱器在冬季運(yùn)行中頻繁結(jié)霜、除霜的問題得以有效解決。

通過對(duì)冷空氣預(yù)熱器方式，明顯提高了蒸發(fā)器表面溫度，減少水蒸氣的凝結(jié)，機(jī)組初期結(jié)霜量減少，提高了供暖可靠性。

2 太陽能耦合空氣源熱泵的其他形式延緩結(jié)霜和除霜效果

對(duì)于太陽能耦合空氣源熱泵的其他形式，R an[23]等提出一種間聯(lián)式太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)，在風(fēng)冷換熱器和熱泵冷凝器之間設(shè)置換熱器。當(dāng)風(fēng)冷換熱器局部結(jié)霜時(shí)，結(jié)霜的風(fēng)冷換熱器由與蒸發(fā)器相連轉(zhuǎn)為通過閥門與除霜板式換熱器相連，同時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。未結(jié)霜部分繼續(xù)工作，將吸收的空氣熱能通過熱泵制取熱水，為結(jié)霜的風(fēng)冷換熱器提供熱量用于除霜，該模式除霜最大的優(yōu)點(diǎn)就是確保除霜高效，不會(huì)停止制熱，對(duì)用戶側(cè)沒有影響。

Liu[24]等提出一種將空氣源熱泵的室外翅片管換熱器與太陽能熱水聯(lián)合使用的系統(tǒng)，對(duì)熱泵系統(tǒng)在正常工況和低溫工況分別進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)新型熱泵機(jī)組在 -5 ℃的低溫工況下進(jìn)行測(cè)試，空氣源熱泵在-5 ℃除霜比7 ℃除霜時(shí)間增加 50%，結(jié)霜程度隨環(huán)境溫度下降而加劇，結(jié)合太陽能熱水后，提高了蒸發(fā)器出口的冷媒溫度，機(jī)組結(jié)霜現(xiàn)象減少，除霜周期得到延長(zhǎng)，除霜時(shí)間大大減少。

武斌[25]提出一種電耦合直凝式地板輻射采暖的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)，通過安裝電輔助設(shè)備對(duì)機(jī)組的結(jié)霜除霜效果進(jìn)行探究，結(jié)果表明，安裝電輔助加熱設(shè)備對(duì)除霜有很大幫助，在室外側(cè)安裝效果更好。此耦合系統(tǒng)除霜周期和時(shí)間分別為常規(guī)性的 9 倍和 2.3倍，能耗減少22.2%。

Long[26]提出了一種基于相變材料的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)，通過對(duì)機(jī)組在惡劣環(huán)境條件下的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和制冷性能有顯著提升。陳夏輝[27]等對(duì)蓄熱型太陽能空氣源熱泵進(jìn)行探究，借助Trnsys軟件建立模型，通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，相變蓄熱水箱可以通過降低集熱器進(jìn)口水溫來提高集熱效率，而且可以延長(zhǎng)熱水使用時(shí)間，對(duì)換熱器結(jié)霜情況有一定改善。閆澤濱[28]提出了一種太陽能—相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵，即在傳統(tǒng)機(jī)組中增加相變蓄熱器，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)換。當(dāng)室外環(huán)境溫度高于-6 ℃時(shí)，將多余熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱器中，在低于 -6 ℃時(shí)將熱量釋放出來，通過這種方式，很好的解決了低溫狀況下?lián)Q熱器結(jié)霜的問題，減少了除霜時(shí)間。

通過對(duì)不同形式的太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)的提出，找到更快更高效的除霜方式，讓機(jī)組減少除霜的過程，不僅有利于機(jī)組的提高制熱效率，而且延長(zhǎng)了機(jī)組的壽命。

太陽能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)通過改變機(jī)組類型，系統(tǒng)采用雙熱源運(yùn)行機(jī)制，對(duì)太陽能有效利用，節(jié)約了能源，降低了能源與環(huán)境的壓力。目前對(duì)太陽能的利用還不充分，日后需要提出更好的結(jié)合方式來提高機(jī)組的制熱效率，縮短除霜時(shí)間，提高系統(tǒng)COP值等。

3 結(jié)語與展望

對(duì)于空氣源熱泵在低溫高濕工況下易結(jié)霜，進(jìn)而影響熱泵機(jī)組性能的特點(diǎn)，太陽能耦合空氣源熱泵可以有效的解決室外側(cè)換熱器結(jié)霜問題，使太陽能和空氣能得到充分利用。在太陽能耦合空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜除霜研究中，太陽能集熱器的效率越高，除霜效果往往更好。因此可以在太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)和集熱介質(zhì)兩個(gè)方面來進(jìn)行改進(jìn)。在結(jié)構(gòu)上：用槽式太陽能集熱器代替太陽能平板集熱器，通過拋物面聚光得到高熱流密度的輻射量.在介質(zhì)上：通過使用導(dǎo)熱油、熔融鹽等高導(dǎo)熱系數(shù)介質(zhì)來代替水和空氣，有效提高介質(zhì)的吸熱量及系統(tǒng)的集熱效率。