胡志鵬 劉文杰 李吉星

1．山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 山東濟(jì)南 250000

2．山東建筑大學(xué) 山東濟(jì)南 250000

我國經(jīng)歷了四十年改革開放的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)能源消耗殆盡。大量化石能源的利用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。隨著人民生活水平的不斷進(jìn)步以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，采暖和空調(diào)所消耗的能源日益增加，能源的使用量與能源的儲備量互相矛盾，因此高效的能源使用方法和新的能源結(jié)構(gòu)是改善當(dāng)今能源形勢的兩個重要措施[1]。

可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源是解決傳統(tǒng)能源危機(jī)的重要方式，中國的地理位置位于亞洲大陸東部分，大部分地區(qū)的太陽年日照時間大于2000h，最高可達(dá)2800h-3300h，處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)，只要具有一定的技術(shù)水平和必要的資金投入就可以自由利用。我國北方地區(qū)冬季溫度極低，傳統(tǒng)的空氣源熱泵效率低，換熱器蒸發(fā)溫度處于零下的時候會存在結(jié)霜現(xiàn)象，濕度越大結(jié)霜越嚴(yán)重，霜層的增加降低了換熱器的傳熱系數(shù)，使得相變溫度進(jìn)一步下降，導(dǎo)致?lián)Q熱器吸熱量減少，循環(huán)效率COP降低。電阻絲加熱或者制冷劑倒流的除霜方式都提高了設(shè)備的初投資，并且降低了其實用性，但是冬季太陽能集熱器不受溫度影響，兩者的復(fù)合成為了必然，越來越多的研究人員將目光灑向了太陽能熱泵領(lǐng)域。

本文主要論述的是太陽能輔助熱泵中的雙熱源式太陽能復(fù)合熱泵，雙熱源式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，卻可以同時吸收空氣能和太陽能，因此國內(nèi)許多研究實驗進(jìn)行了雙熱源換熱器的形式創(chuàng)新。通過改進(jìn)雙熱源換熱器形式、構(gòu)造，以達(dá)到提高整個太陽能熱泵系統(tǒng)效率的目的。

1 太陽能熱泵系統(tǒng)組成單元與分析

太陽能熱泵系統(tǒng)分為太陽能驅(qū)動熱泵系統(tǒng)和太陽能輔助熱泵系統(tǒng)兩種，太陽能輔助熱泵通常是指作為太陽能熱利用系統(tǒng)輔助裝置的熱泵系統(tǒng)，包括獨立輔助熱泵和以太陽輻射熱能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵[1]。太陽能輔助熱泵系統(tǒng)中又根據(jù)集熱介質(zhì)的不同分為了非直膨式太陽能輔助熱泵系統(tǒng)和直膨式太陽能輔助熱泵系統(tǒng)，其中非直膨式太陽能輔助熱泵系統(tǒng)中又依照太陽能集熱單元與熱泵單元的耦合類型分成了串、并聯(lián)和雙熱源式三種類型。本文主要分析改進(jìn)雙熱源蒸發(fā)器對系統(tǒng)的影響，因此主要概述雙熱源太陽能熱泵系統(tǒng)。雙熱源太陽能熱泵系統(tǒng)只是熱泵單元的蒸發(fā)器部分特殊，其余部分也是由太陽能集熱單元、熱泵單元、輔助蓄熱等組成。雙熱源太陽能輔助熱泵系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙熱源太陽能輔助熱泵系統(tǒng)

雙熱源輔助熱泵系統(tǒng)同時具有水源和空氣源兩種熱源，并且有兩種熱源分別對應(yīng)的蒸發(fā)器，雙蒸發(fā)器并聯(lián)關(guān)系，水源蒸發(fā)器與太陽能集熱系統(tǒng)串聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)共用同一冷凝器、膨脹閥、壓縮機(jī)。其中太陽能的熱量提升了蒸發(fā)器側(cè)的溫度，降低了吸放熱溫差，從熱力學(xué)角度提高了整個系統(tǒng)的效率，并且太陽能的熱量起到了一定的預(yù)防結(jié)霜問題的作用，一舉兩得的應(yīng)用，并且此系統(tǒng)可以經(jīng)過簡單的設(shè)計使其具有制冷的能力。Freeman和Mitchell[2]早在1979年就運(yùn)用TNYSYS軟件建立模型并模擬對比了雙熱源式太陽能熱泵系統(tǒng)與串并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明了雙熱源式系統(tǒng)的能效性最佳。

1.1 太陽能集熱單元

太陽能集熱單元是太陽能收集的主要部分，其太陽能的收集效率與經(jīng)濟(jì)型是制約太陽能輔助熱泵系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。太陽能集熱管的數(shù)目體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的可投資性，OmerComakli通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)所需要的集熱器數(shù)目到達(dá)一定數(shù)目后，數(shù)量繼續(xù)增加25%，系統(tǒng)初投資增加了71%[3]。顯而易見，在實際的工程應(yīng)用中，集熱管不能僅僅依據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷計算所需要的數(shù)量，而要考慮到經(jīng)濟(jì)性找到集熱單元的最佳數(shù)目。由于太陽是低密度能量，不同的擺放角度對整個集熱單元的影響很大。上海交通大學(xué)孫振華建立了直彭式太陽能熱泵系統(tǒng)的集總參數(shù)法的數(shù)學(xué)模型，通過太陽總輻射計算公式（1）和cosθt計算公式（2）：

其中，IT表示投射在水平表面上的輻射強(qiáng)度，Idh表示投射在水平表面上的漫輻射強(qiáng)度；θt表示太陽直射對傾斜表面和水平表面的投射角，β表示集熱板安裝傾角，ρ表示地面對太陽全輻射的反射率，是入射角，δ是赤緯角，ω是時角，Φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋羌療岚宓谋砻鎯A角。經(jīng)過計算角度偏差30°，太陽輻射相差了400W/m2。

1.2 熱泵單元

熱泵單元是高效率低品位熱利用的主要部分，也是太陽能輔助熱泵系統(tǒng)中的核心。主要分為壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥這四部分。太陽能輔助熱泵的實質(zhì)是通過太陽能的輔助改善了傳統(tǒng)熱泵蒸發(fā)器的工況，從而避免了熱阻增大、蒸發(fā)溫度降低、壓縮機(jī)的壓縮比過大、系統(tǒng)效率降低等問題。J.G.Cervantes利用熱力學(xué)分析法[4]，得出了熱泵單元的火用損失主要在蒸發(fā)器中，因此雙熱源蒸發(fā)器在太陽能熱泵系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位，高效的利用雙熱源的同時又要降低整個蒸發(fā)換熱器的體積以及制造工藝，是太陽能輔助熱泵中熱泵單元的主要研究方向。

2 雙熱源蒸發(fā)器的研究與分析

我國的熱泵技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但太陽能熱泵技術(shù)起步較晚，主要的研究突破都是在近幾年完成的。并聯(lián)式太陽能輔助熱泵由于系統(tǒng)簡單、實用性較強(qiáng)的原因，是國內(nèi)實際工程應(yīng)用的首選。雙熱源太陽能輔助熱泵的發(fā)展受到蒸發(fā)換熱器的限制，國內(nèi)研究學(xué)者也對蒸發(fā)器進(jìn)行了實驗及理論研究。中原工學(xué)院、山東建筑大學(xué)、中傲公司等先后創(chuàng)新改進(jìn)了雙熱源蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，并且利用建立數(shù)學(xué)模型和實驗驗證了實際系統(tǒng)效率的提高。

中原工學(xué)院的周光輝創(chuàng)新了一種換熱器“翅片-套管式雙熱源復(fù)合換熱器”[5]，并對“翅片-套管式雙熱源復(fù)合換熱器”組成的雙熱源太陽能輔助熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究和理論分析。主要的創(chuàng)新點是一套翅片一套復(fù)合式換熱器，平均室外溫度取-10℃，系統(tǒng)在北京項目低溫環(huán)境下COP平均提高了40%。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，通道1為太陽能熱水，通道2中制冷劑R22，太陽能熱水和室外空氣同步換熱。通道1中流的太陽能熱水為制冷劑提供了熱量，提高了蒸發(fā)溫度，整個系統(tǒng)的效率較普通的空氣源熱泵提高了22%。

圖2 中原工學(xué)院太陽能-空氣雙熱源復(fù)合換熱器原理圖

但是此設(shè)計結(jié)構(gòu)的換熱器存在制造工藝復(fù)雜的缺點，并且在特殊的環(huán)境工況下，太陽能熱源與空氣熱源的溫差過大時，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度介于太陽能熱水和空氣溫度之間，部分熱量會從高溫?zé)嵩唇?jīng)過制冷劑轉(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩粗?，造成一定的熱損失，此時的系統(tǒng)換熱效率低于單熱源熱泵系統(tǒng)[6]。

山東建筑大學(xué)的魏林濱、王強(qiáng)教授設(shè)計了一種新型陽臺壁掛太陽能—空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用太陽能蓄熱水經(jīng)過蒸發(fā)器達(dá)到除霜的效果，系統(tǒng)著重于蒸發(fā)器內(nèi)的流動匹配。充分利用了低品位的太陽能，實現(xiàn)太陽能熱效應(yīng)和空氣源熱泵的優(yōu)勢互補(bǔ)，既可有效提高空氣源熱泵冬夏季運(yùn)行的可靠性，又可提高夏季陰雨天氣、過渡季節(jié)及冬季太陽能熱水器運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是該新型陽臺壁掛太陽能—空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)控制復(fù)雜，總共有8個控制電磁閥門，控制系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備的初投資較高，不適合分散式采暖推廣。在額定工況（高溫，室外7℃）下，系統(tǒng)的COP為2.4，在制熱性能上還有很大的提升空間[7]。

中傲公司所研發(fā)生產(chǎn)的太陽能-空氣源熱泵機(jī)組將太陽能和空氣能兩種低品位能源作為復(fù)合熱源，額定工況系統(tǒng)COP為3.32，創(chuàng)新點是新型的室外蒸發(fā)器，蒸發(fā)器同時具有雙熱源流路，雙熱源流路排管按照1：3分配，太陽能集熱單元的熱水管分布在蒸發(fā)器外側(cè)，四排管共用一組翅片，雙熱源的流道單獨設(shè)計，環(huán)保制冷劑R407C、太陽能熱水、空氣三種流體在換熱器中準(zhǔn)雙逆流換熱，既滿足了冬季低溫環(huán)境下的雙熱源復(fù)合的高效率，又可以降低夏季使用時的冷凝溫度。同時，可使蒸發(fā)溫度提高到零度以上，能比較有效的解決傳統(tǒng)熱泵空調(diào)裝置室外換熱器在冬季運(yùn)行時效率低，結(jié)霜、除霜動作頻繁的問題，提高了裝置運(yùn)行的可靠性，具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點。并且設(shè)備控制簡單，只需季度切換，只有3個控制閥門。太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)圖如圖3所示[8]。

3 發(fā)展展望

雙熱源蒸發(fā)器的研究發(fā)展提高了雙熱源太陽能輔助熱泵的效率和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)研究人員通過對換熱器結(jié)構(gòu)的改造，實現(xiàn)了系統(tǒng)利用太陽能集熱量進(jìn)行除霜，同時避免了太陽輻射度較低情況下的熱量回流現(xiàn)象，提高了雙熱源太陽能熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，平均COP得到了保障。通過對套管換熱器的改造組合，強(qiáng)化熱傳導(dǎo)性，改善空氣源熱泵單元的除霜問題，是太陽能-空氣源復(fù)合熱泵技術(shù)優(yōu)化的途徑之一，并且依然存在提升的前景。

蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)改造盡管提高了效率，但是同時也提高了結(jié)構(gòu)的制造工藝以及系統(tǒng)的復(fù)雜性，例如中傲公司的雙熱源流路排管按照1：3分配、三種流體在換熱器中準(zhǔn)雙逆流換熱等等。并且由于空氣蒸發(fā)器與太陽能水源蒸發(fā)器設(shè)計在一個換熱器內(nèi)，而換熱器所需要的設(shè)計符合依然不變，所以雙熱源的室外蒸發(fā)器占地面積大，進(jìn)一步降低了工程實用性。因此未來雙熱源太陽能熱泵系統(tǒng)的發(fā)展前景是結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新改造應(yīng)該在追求效率的同時注重其經(jīng)濟(jì)實用性，系統(tǒng)效率與初投資相匹配。

圖3 太陽能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)圖

熱力學(xué)的火用是對整個系統(tǒng)能源品質(zhì)的綜合評價，通過熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)30%的火用損失存在熱泵的壓縮機(jī)部分，因此未來的研究改進(jìn)應(yīng)該主要從部件結(jié)構(gòu)改造、相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用、光伏光熱的聯(lián)合利用、控制策略優(yōu)化切入研究。

4 結(jié)語

太陽能是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，也是清潔的可再生能源，利用太陽能作為輔助熱泵的能源提高了熱泵對環(huán)境的適應(yīng)性，太陽能與空氣能雙熱源熱泵有著明顯的優(yōu)勢。通過對換熱器的結(jié)構(gòu)改造能夠有效地克服太陽能本身所具有的能量密度低、不連續(xù)和低密度的特點以及空氣源熱泵冬季供熱效率低、容易結(jié)霜和頻繁除霜的不足，實現(xiàn)雙熱源的匹配。雙熱源太陽能熱泵蒸發(fā)器的研究與發(fā)展方向依舊是不斷地研究開發(fā)新型結(jié)構(gòu)，并且具有很高的研究上限。其中雙熱源蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)性是雙熱源太陽能輔助熱泵應(yīng)用推廣的重中之重。