田芳 張少凡

南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

空氣源熱泵通過電能驅(qū)動(dòng)，以空氣為熱源，吸收冬季室外空氣中的低品位熱能將其轉(zhuǎn)化為較高品位熱能，向室內(nèi)供暖。在冬季室外氣溫不低于-5℃左右，建筑熱負(fù)荷不大，而夏季氣溫較高、有制冷要求的地區(qū)，如長(zhǎng)江中下游、華南、西南等地區(qū)，空氣源熱泵得到廣泛的應(yīng)用。而在華北、黃河流域等冬季室外較低的寒冷地區(qū)，建筑熱負(fù)荷較大，且供暖時(shí)間長(zhǎng)，空氣源熱泵的制熱能效較低，其應(yīng)用受到了制約。近年來空氣污染治理的壓力日趨加大，取代燃煤供暖的呼聲越來越高，空氣源熱泵以其冷暖兼顧、環(huán)境友好、有節(jié)能效益等特點(diǎn)更加得到人們的關(guān)注，特別是在取代小型、分散式燃煤供暖方面，擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，空氣源熱泵存在以下幾個(gè)問題：

1）室外氣溫的降低導(dǎo)致系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力降低，而機(jī)組的冷凝壓力變化不大，導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓縮比升高，壓縮機(jī)的功耗增加。

2）壓縮機(jī)壓縮比的升高使得壓縮機(jī)的輸氣量降低，從 而導(dǎo)致系統(tǒng)的循環(huán)制冷劑量減少，因此，熱泵的制熱效果變差。

3）蒸發(fā)器表面的結(jié)霜使得蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力降低，導(dǎo)致壓縮比進(jìn)一步升高。

太陽能作為可再生能源，存在能流密度低，間歇性和不可靠性的缺點(diǎn)，但可以通過水箱將其熱能蓄存起來。將太陽能與空氣源熱泵通過蓄熱水箱結(jié)合組成系統(tǒng)，在兼顧提供生活熱水的同時(shí)，可以提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，從而彌補(bǔ)空氣源熱泵和太陽能的不足，同時(shí)可以向用戶供生活熱水，解決寒冷地區(qū)冬季環(huán)境溫度較低時(shí)空氣源熱泵供暖能效比低的問題。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的使用燃煤及單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)相比，減少了能耗及對(duì)環(huán)境的污染，并且系統(tǒng)性能有較大的提高。

1 太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 空氣源熱泵系統(tǒng)

由于地域條件的限制，隨著室外環(huán)境溫度的變化，空氣源熱泵的制熱量、能效比等也隨之發(fā)生變化。冬季供暖時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度隨室外溫度的降低而下降，壓縮機(jī)的制冷劑流量降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的制熱量降低，而室內(nèi)熱負(fù)荷隨環(huán)境溫度的降低而升高，當(dāng)室外空氣溫度低于某一值時(shí)，系統(tǒng)供熱量滿足不了負(fù)荷要求，需要輔助加熱。反之，室外溫度升高時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量增大，但室內(nèi)熱負(fù)荷降低，即系統(tǒng)的制熱量與室內(nèi)負(fù)荷為負(fù)相關(guān)關(guān)系[1]，這個(gè)溫度值即為平衡點(diǎn)溫度（見圖1），其值取決于空氣源熱泵的制熱性能，也決定了熱泵和輔助熱源的容量。

圖1 空氣源熱泵供暖的系統(tǒng)特性

1.2 太陽能/空氣雙熱源熱泵供暖、供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)（如圖2）通過蓄熱水箱將空氣源熱泵系統(tǒng)與太陽能集熱器有機(jī)結(jié)合，水作為吸熱介質(zhì)在太陽集熱器內(nèi)通過單向流動(dòng)吸收、輸送太陽輻射能。其中蓄熱水箱內(nèi)置銅制單螺旋管，通過電磁閥與室外換熱器并聯(lián)，該換熱盤管在冬季作為風(fēng)冷蒸發(fā)器的補(bǔ)充，其蒸發(fā)壓力，過熱度等要與風(fēng)冷蒸發(fā)器的工況相適應(yīng)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)應(yīng)風(fēng)冷蒸發(fā)器運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。系統(tǒng)制冷和制熱工況的轉(zhuǎn)換由四通換向閥控制。系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)熱力膨脹閥，分別與室外換熱器和蓄熱水箱內(nèi)置盤管相連[3]。由于熱泵機(jī)組全年運(yùn)行，且冬季需要除霜，所以在壓縮機(jī)吸氣管道上設(shè)置氣液分離器。考慮到熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行制備熱水的溫度范圍，室內(nèi)末端采用輻射供暖的方式，而夏季采用風(fēng)機(jī)盤管供冷，水系統(tǒng)通過電磁閥進(jìn)行切換。

圖2 小型太陽能/空氣源熱泵系統(tǒng)圖

1.3 太陽能集熱水系統(tǒng)

太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能集熱器，生活熱水箱，蓄熱水箱及其連接管路和附件組成。生活熱水箱給用戶提供生活熱水，設(shè)計(jì)水溫50 ℃，蓄熱水箱內(nèi)的熱水則作為水源蒸發(fā)器的熱源，與水箱內(nèi)置換熱盤管進(jìn)行熱量交換，因此為保證蒸發(fā)溫度不過高，設(shè)計(jì)蓄熱水箱內(nèi)水溫范圍為10～30℃。生活熱水箱與蓄熱水箱垂直串聯(lián)布置，生活熱水箱置于上部，蓄熱水箱在下部，中間用隔板將兩者分開。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行模式

1）蓄熱模式。太陽能集熱器通過電動(dòng)三通閥與生活熱水箱、蓄熱水箱相連。太陽輻射充足時(shí)，關(guān)閉蓄熱水箱側(cè)，太陽能集熱器加熱生活熱水至 50 ℃，當(dāng)達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)，關(guān) 閉生活熱水箱，打開蓄熱水箱側(cè)，加熱蓄熱水箱內(nèi)水溫至30℃。當(dāng)太陽輻射不足時(shí)，可啟動(dòng)電加熱器輔助加熱。

2）制熱模式。當(dāng)室外溫度較高或蓄熱水箱內(nèi)水溫較低時(shí)，關(guān)閉水源蒸發(fā)器側(cè)電磁閥9，利用空氣源熱泵制備熱水向室內(nèi)供熱。當(dāng)室外溫度降低從而導(dǎo)致空氣源熱泵性能下降或蓄熱水箱內(nèi)溫度較高時(shí)，關(guān)閉室外換熱器側(cè)電磁閥9，轉(zhuǎn) 化為水源熱泵模式運(yùn)行。

3）制冷模式。太陽輻射充足時(shí)，關(guān)閉蓄熱水箱側(cè)，加熱生活熱水箱內(nèi)的水溫至50 ℃。同時(shí)，關(guān)閉蓄熱水箱內(nèi)置盤管側(cè)電磁閥9，利用空氣源熱泵供冷。當(dāng)太陽輻射不足、生活熱水溫度達(dá)不到 50 ℃時(shí)，可啟動(dòng)電加熱器輔助加熱。

2 太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化

2.1 建筑負(fù)荷

本文選取北京某農(nóng)村住宅，建筑總面積為122.1 m2，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)如表1。

表1 住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)

考慮朝向修正、冷風(fēng)滲透等因素后，計(jì)算得綜合負(fù)荷傳熱系數(shù)為1.92 W/(m2·℃)，單 位建筑面積的熱負(fù)荷q（HW/m2）為：

式中：Tr為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；Ta為室外環(huán)境溫度，℃。

室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取20 ℃，室外溫度為Ta時(shí)的該建筑物熱負(fù)荷為：

式中：Q為建筑熱負(fù)荷，kW。

2.2 系統(tǒng)計(jì)算模型

選擇國內(nèi)某知名品牌空氣源熱泵機(jī)組樣本進(jìn)行參數(shù)擬合，得到制熱模式下制熱性能系數(shù) COPa隨室外溫度Ta的變化關(guān)系式[4]：

空氣源熱泵制熱量Qc,a與額定制熱量Qe的關(guān)系式：

當(dāng)系統(tǒng)以水源熱泵模式運(yùn)行時(shí)，制熱性能系數(shù)COPw與水溫的T（w℃）的 關(guān)系式[4]：

2.3 最佳切換溫度的確定

切換溫度是指確定熱泵系統(tǒng)從空氣源（水源）制熱工況轉(zhuǎn)換為水源（空氣源）制熱工況時(shí)對(duì)應(yīng)的室外空氣溫度。定義最佳切換溫度T（q℃）為使得太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)的供熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。當(dāng)某地區(qū)的氣象參數(shù)、持續(xù)時(shí)間、機(jī)組特性已知時(shí)，輔助加熱的啟動(dòng)及能耗只與環(huán)境溫度有關(guān)，即HSPF是切換溫度Tq（℃）的函數(shù)。則HSPF定義為：

隨著切換溫度的增加，所需的熱泵制熱量減少，輔助耗能量增加。表 2所示為不同切換溫度下，系統(tǒng)的耗能及 HSPF值。并擬合得到 HSPF與切換溫度Tq（℃）的關(guān)系式為：

表2 不同切換溫度下系統(tǒng)的能耗及HSPF

圖3 不同切換溫度下系統(tǒng)的HSPF變化曲線圖

因此得到最佳切換溫度為-1～0 ℃，HSPF 值在2.49左右。

2.4 太陽能集熱器及蓄熱水箱的確定

根據(jù)太陽能集熱器的性能在不同的使用條件下呈現(xiàn)的不同特點(diǎn)，本文選用全玻璃真空管集熱器。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出，集熱器的放置角度等于當(dāng)?shù)鼐暥?39°57′，方向?yàn)檎稀?/p>

根據(jù)北京地區(qū)一月份室外溫度T（a℃）與時(shí)刻（h）的關(guān)系式：

得到不同切換時(shí)刻對(duì)應(yīng)的集熱器面積及蓄熱水箱容積（表3）。

表3 不同切換時(shí)刻集熱器面積及蓄熱水箱的容積

根據(jù)得到的最佳切換溫度，取在時(shí)刻 10.5 h 的蓄熱水箱容積為3.459 m3，集熱器面積為29.573 m2，取整為30 m2。該住戶為四人家庭，按每人每天的用水量為60 L，則該住戶所需生活熱水箱容積為240 L，則水箱總的容積取為3.7 m3。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

將太陽能/空氣雙熱源熱泵與燃煤，燃?xì)夤┡绞竭M(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比如表4所示。

表4 不同運(yùn)行方式費(fèi)用對(duì)比

圖4所示為三種供暖系統(tǒng)的靜態(tài)初期投資和運(yùn)行費(fèi)用比較曲線。由圖中可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)省的費(fèi)用可彌補(bǔ)初投資多花的費(fèi)用，且可以全年提供生活熱水，為用戶提供方便的同時(shí)節(jié)省了熱水的費(fèi)用。

圖4 三種供熱系統(tǒng)的靜態(tài)初期投資和運(yùn)行費(fèi)用比較

4 總結(jié)

本文提出一種小型太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)組成及運(yùn)行模式，選取北京某鄉(xiāng)村住宅，分析了系統(tǒng)在不同切換溫度下的制熱性能（HSPF）的變化規(guī)律，并得到系統(tǒng)最佳的切換溫度點(diǎn)，結(jié)果表明，根據(jù)節(jié)能運(yùn)行的原則，最佳切換溫度為-1～0℃，對(duì)應(yīng)的 HSPF值為2.49左右。選取最佳切換溫度點(diǎn)，確定了太陽能集熱器的面積和蓄熱水箱的容量，并與傳統(tǒng)的燃煤取暖爐、燃?xì)鉄崴嵫b置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，結(jié)果顯示，該小型太陽能/空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。該系統(tǒng)在保證了環(huán)保、節(jié)能的同時(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。