高昊天，苑 翔，季軒昂

(北方工業(yè)大學,北京 100144)

1 概述

低溫環(huán)境下空氣源熱泵運行存在諸多問題,例如壓縮機吸氣比體積增大,輸氣系數(shù)減小,還會產(chǎn)生結(jié)霜,機組吸氣量迅速下降,造成工質(zhì)循環(huán)量減少,制熱量降低,同時潤滑油積存在氣液分離器,還會造成壓縮機缺油。研究發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的降低,空氣源熱泵排氣溫度會大幅度提升,工質(zhì)的質(zhì)量流量、制熱量、輸入功率均會下降,目前國內(nèi)外有很多研究從不同角度出發(fā)來提升空氣源熱泵系統(tǒng)能效比。例如采用分級壓縮、對系統(tǒng)進行補氣增焓等方式,但這些技術(shù)都存在一定的限制條件和弊端。從換熱器的結(jié)構(gòu)特性角度分析,復合式熱泵技術(shù)可有效提升系統(tǒng)性能,節(jié)能潛力巨大。

2 提升熱泵性能的研究現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)熱泵性能提升技術(shù)

目前應用較為廣泛的幾種熱泵性能提升技術(shù)是復疊式技術(shù)、雙級壓縮技術(shù)、補氣增焓技術(shù)。表1總結(jié)了幾種技術(shù)在實際應用中的優(yōu)勢與劣勢。

表1 改善低溫空氣源熱泵技術(shù)的優(yōu)缺點

2.2 熱水式復合換熱器

在2009年,周光輝[1-3]最早提出了新式復合換熱器的概念,傳統(tǒng)的換熱器在低溫環(huán)境下無法充分吸熱,復合換熱器由三部分組成,分別為內(nèi)套管、外套管和外管翅片。如圖1所示,制冷劑流經(jīng)外套管,分別從內(nèi)套管的太陽能熱水和外管翅片的空氣中吸收熱量,制冷劑對兩種熱源同時吸收熱量,實現(xiàn)了熱泵的復合換熱。

在該概念提出后,有學者將復合熱泵分為了交替運行和聯(lián)合運行[4]。緊接著對于熱水式的復合熱泵分為了兩個研究方向,分別為不同工況下系統(tǒng)運行測試和換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化下系統(tǒng)運行測試。對于前者,張迎迎等[5-6]將復合熱泵與單一熱泵的制熱量進行了對比分析,通過實驗研究發(fā)現(xiàn),復合式熱泵的制熱量遠高于單一熱泵,太陽能熱水25 ℃～30 ℃所產(chǎn)生的制熱量低于20 ℃～25 ℃所產(chǎn)生的制熱量,但前者的換熱更為穩(wěn)定。張超[7-8]研究發(fā)現(xiàn)相同水流量下,系統(tǒng)能效比隨著熱水溫度的提升而提升。空氣側(cè)進口溫度和系統(tǒng)制熱量成正比關系,并且研究還發(fā)現(xiàn),進口溫度提升會導致空氣側(cè)換熱量的下降。進口溫度提升,制冷劑將主要從太陽能水中吸熱,由于溫差的影響,系統(tǒng)將會向空氣中放熱,空氣源部分的熱量將不會得到充分利用。張璽等[9]進一步研究發(fā)現(xiàn),隨著復合系統(tǒng)的進水溫度提升,系統(tǒng)能效比提升21.4%。對于換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究,張超等[10]通過數(shù)學模擬得出結(jié)論,隨著換熱器翅片間距的增大,系統(tǒng)能效比將呈現(xiàn)下降趨勢。董家昀[11]研究發(fā)現(xiàn)復合換熱器外管管徑越大、環(huán)境溫度越高,翅片間距對系統(tǒng)制熱性能影響幅度越小。此外還可以將太陽熱水替換成地埋管出水[12-13],工業(yè)余熱廢水,這可使系統(tǒng)穩(wěn)定運行,避免土壤熱不平衡現(xiàn)象,將熱源高效利用。

熱水式復合熱泵由于結(jié)構(gòu)的特殊性可提高換熱效率,進一步提升了低溫環(huán)境下熱泵的供熱性能,但需要考慮到雙熱源溫差、進出口溫度等變量的影響。此外對于翅片間距、套管布置等換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)也需進一步合理調(diào)配。

2.3 PV/T式復合換熱器

PV/T集熱器式復合熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)兩種供熱模式,分別為單空氣源供熱模式和雙熱源供熱模式。太陽能光伏組件的利用可提升發(fā)電效率,利用光伏電池的預熱還可以改善低溫環(huán)境下設備結(jié)霜的問題。換熱器組成構(gòu)建如圖2所示。

王崗[14]首先用太陽能加熱裝置模擬太陽能光伏集熱系統(tǒng),結(jié)果顯示,PV/T換熱器展現(xiàn)了優(yōu)越的供熱性能,隨后將熱水溫度加熱控制在15 ℃～50 ℃的區(qū)間范圍內(nèi),相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵,系統(tǒng)制熱性能可提升5%～11%[15],PV/T復合型熱泵系統(tǒng)的加熱時間和系統(tǒng)耗電量都有所降低。同時Tong[16]也對該技術(shù)做了性能測試,在室外溫度4.3 ℃,平均輻照度644 W/m2的條件下,系統(tǒng)瞬時COP從2.3漲到了3.0。太陽輻照度是影響系統(tǒng)制熱性能的關鍵,研究發(fā)現(xiàn)太陽輻照度與光電功率、光電效率、制熱功率及熱泵COP均成正比關系[17]。

此外在原有設計基礎上還呈現(xiàn)出了不同種PV/T換熱器的演變形式。王崗等[18]在原有的思路基礎上設計了微熱管陣列的空冷式PV/T系統(tǒng),該系統(tǒng)的電效率能達到11%,熱效率能達到24%,綜合效率能達到55.8%。褚磊馳[19-20]設計了光伏直驅(qū)型PV/T雙源熱泵,因為光伏直驅(qū)一定程度減少了能量傳遞損失,所以相較于傳統(tǒng)PV/T雙熱源熱泵,光伏直驅(qū)型熱泵進一步提升了制熱性能。Yang[21]設計了集成復合拋物面聚光器-毛細管太陽能集熱器,這種聚光器尺寸更小,經(jīng)濟效益更高,可很好的適用于家庭供熱。

研究發(fā)現(xiàn)PV/T換熱器可提升系統(tǒng)能效比,具有高效、多功能、可調(diào)節(jié)等特點。能結(jié)合環(huán)境和用戶需求調(diào)節(jié)其供熱模式,并且也衍生出了微熱管陣列的空冷式PV/T系統(tǒng)、光伏直驅(qū)型PV/T系統(tǒng),未來可進一步拓展系統(tǒng)的應用范疇。

2.4 循環(huán)式復合熱泵系統(tǒng)

對于循環(huán)式復合熱泵的研究開展較早,以串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)為例,集熱器吸收太陽能的熱量后,將熱量傳遞給蓄熱水箱,水箱中的熱水流經(jīng)空氣源熱泵蒸發(fā)器,對蒸發(fā)器進行補熱,隨后經(jīng)過壓縮,冷凝,節(jié)流完成循環(huán)。循環(huán)式復合熱泵原理圖見圖3。

對于復合集熱器方面的研究,方雷[22-23]將傳統(tǒng)式的蒸發(fā)器和集熱器相結(jié)合,設計成了復合式蒸發(fā)集熱器,他將不同蒸發(fā)器面積進行了經(jīng)濟性分析,同時選取廈門和成都兩地,進行全年運行性能分析。結(jié)果顯示,在選取最佳經(jīng)濟性能的復合式蒸發(fā)器運行期間,廈門地區(qū)系統(tǒng)平均制熱性能最高能提升5.49%,全年能源消耗效率提升8.99%;成都地區(qū)系統(tǒng)平均COP最高能提升11.08%,全年能源消耗效率提升13.61%。

不同參數(shù)如環(huán)境溫度、太陽輻射照度對于系統(tǒng)性能也有影響。榮維來等[24]搭建了直膨式太陽能空氣源熱泵實驗臺。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),以太陽能為單一熱源的熱泵系統(tǒng)在不同天氣情況下均可達到設定水溫并平穩(wěn)運行。晴天時,系統(tǒng)制熱量呈現(xiàn)先增大后減小最終趨于平緩的規(guī)律,最大值出現(xiàn)在中午13:00,為9 kW,系統(tǒng)的COP在3.0～3.6之間,平均COP為3.4。李思琦[25]驗證了新型直膨式太陽能/空氣能熱泵機組在農(nóng)村建筑中制熱性能優(yōu)劣,并且他將理論與實踐結(jié)合,利用TRNSYS軟件建立仿真模擬系統(tǒng),結(jié)果表明在太陽輻射最高的13:00左右,熱泵的制熱量和COP值達到一天中最大值。李珍[26]根據(jù)不同種的太陽能和空氣源熱泵耦合組合方式進行了研究,結(jié)果表明,單一空氣源熱泵COP最低,其次是太陽能與冷凝器并聯(lián),太陽能中溫增焓系統(tǒng)COP最高,達到了3.26。Luonan Xu等[27]在昆明和香格里拉建立了太陽能-ASHP系統(tǒng),并在這兩個地區(qū)測試了系統(tǒng)在不同天氣條件下的性能,結(jié)果表明在非太陽光時段,環(huán)境溫度降低1 ℃時,能效比降低約0.07。Guodong Qiu等[28]提出了一種新的集成系統(tǒng)。采用仿真方法對該新型系統(tǒng)的特性和最佳工作條件范圍進行了比較研究。通過與上述兩種現(xiàn)有系統(tǒng)的比較,結(jié)果表明,在大多數(shù)中等太陽輻射條件下,新型系統(tǒng)具有最佳性能,當室外溫度為-25 ℃時,其COP比兩種現(xiàn)有系統(tǒng)提高約55%。

3 展望

基于以上研究及存在問題,提出一種雙熱源熱泵系統(tǒng)(見圖4),即空氣源/水源熱泵系統(tǒng)。如圖5所示,制冷劑先后經(jīng)過風路蒸發(fā)器和水路蒸發(fā)器,經(jīng)過二次換熱,節(jié)能效果顯著。雙熱源蒸發(fā)器在風路和水路之間增設控制閥門,可調(diào)節(jié)閥門大小控制水量,進而控制雙蒸發(fā)器面積配比,同時在水路一側(cè)增設導熱管,被熱水導熱后的熱管將空氣預熱,可進一步提升系統(tǒng)能效比。當室外溫度較低時,可以完全開啟閥門,此時系統(tǒng)可被看作為單水源熱泵系統(tǒng),相反若水源受水質(zhì)、含鹽量等因素影響較大,可以完全關閉閥門,此時系統(tǒng)可被視為單空氣源熱泵系統(tǒng)。后續(xù)需進行實驗研究,并結(jié)合仿真模擬,可以改變水溫、水流量,改變不同蒸發(fā)器面積配比,分析不同工況下對于熱泵供熱性能的影響。

4 結(jié)論

低溫環(huán)境下空氣源熱泵會存在結(jié)霜、系統(tǒng)性能下降等問題,根據(jù)換熱器不同的類型、排列形式總結(jié)了三種復合式熱泵技術(shù),可很好的將空氣源與綠色能源相結(jié)合。對復合熱泵技術(shù)進行的總結(jié)如下:

1)熱水式復合換熱器由于其排列形式的特殊性可提升系統(tǒng)性能,不同進口溫度和系統(tǒng)性能呈正比關系,翅片間距和系統(tǒng)性能呈反比關系。此外由于水側(cè)和空氣側(cè)位置緊密相連,二者溫度不同所產(chǎn)生的溫差會導致系統(tǒng)不能很好的吸收空氣源中的熱量。

2)PV/T式換熱器可以切換為單空氣源系統(tǒng)供熱模式和雙熱源兩種供熱模式,根據(jù)環(huán)境溫度的不同實現(xiàn)合理調(diào)配。太陽能光伏組件的利用可提升發(fā)電效率,系統(tǒng)可以很好的體現(xiàn)節(jié)能性和經(jīng)濟性優(yōu)勢。

3)對于循環(huán)式熱泵系統(tǒng)的研究開展較早,該系統(tǒng)受太陽輻射照度影響較大,未來在考慮節(jié)能、低碳的前提下可積極探索新能源,將地下水、工業(yè)余熱廢水作為補熱熱源。

4)可調(diào)節(jié)式雙熱源熱泵供熱模式,可在低溫環(huán)境下充分吸收熱量,提升系統(tǒng)能效比。未來將這一技術(shù)實現(xiàn)推廣,可提升系統(tǒng)能效比,降低碳排放,助力碳中和目標的實現(xiàn)。