賈少剛 張五一 劉培陶 秦 桐

中央式冷熱暖三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式分析

賈少剛 張五一 劉培陶 秦 桐

（中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司青島分公司 青島 266071）

開發(fā)利用新能源和高效節(jié)能技術(shù)是解決能源與環(huán)境問題的重要途徑，太陽能和熱泵技術(shù)的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用具有顯著的節(jié)能環(huán)保效果。設(shè)計(jì)了一套中央式雙熱源冷熱暖三聯(lián)供太陽能系統(tǒng)，可滿足建筑物的夏季制冷、冬季供暖及全年熱水需求，并對(duì)其運(yùn)行模式進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其節(jié)能效果良好，可以為太陽能熱泵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

太陽能；熱泵；節(jié)能；運(yùn)行模式

0 引言

能源與環(huán)境是當(dāng)今突出的兩大問題，目前我國(guó)建筑能耗（采暖、制冷及熱水等）約占全社會(huì)總能耗的30%[1]，隨著社會(huì)發(fā)展這一比例會(huì)繼續(xù)上升。建筑能耗直接或間接地消耗了大量一次能源并污染了環(huán)境，因此通過新能源和節(jié)能技術(shù)的開發(fā)利用來降低建筑能耗越來越受到重視，作為清潔能源的太陽能和高效節(jié)能的熱泵技術(shù)得到了極大的關(guān)注和應(yīng)用[2,3]。太陽能光熱利用和熱泵型空調(diào)已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，但兩者之間的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用還比較少，兩者的結(jié)合應(yīng)用可以克服太陽能受天氣條件影響的缺點(diǎn)，也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并拓寬了其應(yīng)用范圍，可應(yīng)用于建筑物制冷供暖、生活熱水供應(yīng)、農(nóng)業(yè)溫室供熱、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽能熱泵技術(shù)展開了積極研究[4-9]，因此將太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用于建筑物的制冷、供暖和熱水的同時(shí)供給（冷熱暖三聯(lián)供）在有效降低建筑能耗的同時(shí)還可積極促進(jìn)能源消費(fèi)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用推廣，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 太陽能熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

太陽能熱泵系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、供暖供水裝置等部件有機(jī)組合而成。根據(jù)熱泵蒸發(fā)器與太陽能集熱器的組合形式可分為直膨式和非直膨式兩大類，在直膨式系統(tǒng)中太陽能集熱器和蒸發(fā)器合二為一；在非直膨式系統(tǒng)中太陽能集熱器和熱泵蒸發(fā)器相對(duì)獨(dú)立工作，而非直膨式又可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種方式。以提供熱水為目的四種類型的太陽能熱泵系統(tǒng)示意圖如圖1～圖4所示。

圖1 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖2 非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖3 非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖4 非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖1所示為直膨式系統(tǒng)，制冷劑在集熱/蒸發(fā)器中接受太陽輻射吸熱而蒸發(fā)，之后制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，然后進(jìn)入冷凝器釋放熱量加熱水箱中的水后回到集熱/蒸發(fā)器形成循環(huán)。直膨式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔部件少，可提高熱泵和集熱器的性能，但其制冷劑管路較長(zhǎng)流動(dòng)阻力大，無陽光時(shí)相當(dāng)于空氣源熱泵運(yùn)行，當(dāng)前對(duì)直膨式系統(tǒng)的研究集中在集熱/蒸發(fā)器和系統(tǒng)容量匹配方面[10]。圖2所示為串聯(lián)式系統(tǒng)，太陽能加熱后的熱水作為熱泵蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?，再?jīng)熱泵提升熱能品質(zhì)后通過冷凝器釋放出來加以利用。串聯(lián)式系統(tǒng)的本質(zhì)為水源熱泵，其COP高于空氣源熱泵，但其受天氣條件影響較大，無陽光時(shí)需使用輔助熱源。圖3所示為并聯(lián)式系統(tǒng)，太陽能與熱泵可相互獨(dú)立工作，互為補(bǔ)充，兩者既可單獨(dú)運(yùn)行，也可一起聯(lián)合運(yùn)行，并聯(lián)式系統(tǒng)對(duì)原有的太陽能和熱泵裝置無需做很大改動(dòng)即可組合使用，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。圖4所示為混聯(lián)式系統(tǒng)，其中熱泵設(shè)置了兩個(gè)蒸發(fā)器，一為水源，一為空氣源，系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，混聯(lián)式系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活，既可以串聯(lián)和并聯(lián)方式運(yùn)行，也可以太陽能和熱泵單獨(dú)運(yùn)行。

2 冷熱暖三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足較大建筑物（如賓館、酒店等公共場(chǎng)合）的冬季供暖、夏季制冷和全年生活熱水所需，結(jié)合不同類型太陽能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了中央式雙熱源混聯(lián)式冷熱暖三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、水箱、泵、換熱器等設(shè)備部件組成。

圖5 三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

太陽能采用閉式循環(huán)方式運(yùn)行，其集熱介質(zhì)在集熱器內(nèi)部管路、水箱中的盤管換熱器及連接管路中循環(huán)流動(dòng)，在集熱器中吸收陽光輻射能并通過盤管換熱器加熱水箱1中的水，集熱介質(zhì)不與水箱1中的水直接接觸，因此集熱介質(zhì)可以采用特殊流體（如乙二醇、丙二醇、丙三醇等水溶液）起到防凍、防腐蝕和防結(jié)垢的目的，既可延長(zhǎng)設(shè)備壽命也可減少維護(hù)工作量。

熱泵裝置中設(shè)置了三個(gè)換熱器，一個(gè)空氣源換熱器，一個(gè)放置在水箱1中的水源換熱器以及一個(gè)放置在水箱2中水源換熱器。熱泵在工作過程中通過四通換向閥的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱2中水的制冷或者制熱效果；通過電磁閥1和電磁閥2的開啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)水源換熱器1和空氣源換熱器的投入或者退出運(yùn)行，當(dāng)水源換熱器1投入運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)水箱1中的水與熱泵的熱交換，熱泵既可以加熱水箱1中的水，也可以從水箱中的水吸取熱量，從而實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用目的；水源換熱器1退出運(yùn)行即空氣源換熱器投入運(yùn)行，熱泵此時(shí)向空氣釋放或者吸收熱量。

3 太陽能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

結(jié)合建筑物不同季節(jié)的冷熱暖需求和三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行模式分析如下：

（1）太陽能運(yùn)行模式。無論任何季節(jié)，只要在陽光輻照度較好的情況下太陽能均可運(yùn)行來加熱水箱1中的水，獲得的熱水既可用于日常生活所需，也可以在冬季作為熱泵水源換熱器1的低溫?zé)嵩?。太陽能為清潔可再生能源，?duì)其有效利用可以大大節(jié)約其他能源。

（2）夏季熱泵制冷模式。此時(shí)水箱2中的水為冷水，供給到房間換熱器起到制冷作用；此種模式下水源換熱器2為蒸發(fā)器起到制冷作用使水箱2中的水變成冷水，水箱2中的冷水再被供冷循環(huán)泵供給到房間進(jìn)行制冷；而空氣源換熱器或者水源換熱器1作為冷凝器起到散熱作用，當(dāng)水箱1中的水溫未達(dá)到設(shè)定值時(shí)水源換熱器1投入運(yùn)行，當(dāng)水箱1中的水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)水源換熱器1退出運(yùn)行同時(shí)空氣源換熱器投入運(yùn)行，水箱1中的熱水直接供給到房間使用。

當(dāng)空氣源換熱器投入運(yùn)行時(shí)，熱泵運(yùn)行過程中僅制冷效果得到利用；因陰雨天、夜間或者日間陽光輻照度較弱，太陽能無法提供足夠熱量時(shí)，水源換熱器1投入運(yùn)行加熱水箱1中的水得到熱水，此時(shí)熱泵的運(yùn)行過程制冷量和制熱量同時(shí)得到了利用，熱泵COP大大提高，相較熱泵單獨(dú)制冷或者使用電熱水器、燃?xì)鉄崴鳙@得熱水，其節(jié)能效果十分顯著。

（3）冬季熱泵制熱模式。此種模式下水源換熱器2為冷凝器起到制熱作用，空氣源換熱器和水源換熱器1為蒸發(fā)器起到吸熱作用；此時(shí)水箱2中的水為熱水，供給到房間換熱器起到供暖或者直接使用；水箱1中的水為熱泵水源換熱器1的低溫?zé)嵩?。因冬季環(huán)境溫度較低且太陽光輻照度較弱，此時(shí)太陽能熱泵系統(tǒng)宜以串聯(lián)方式運(yùn)行——太陽能加熱水箱1制取的低溫?zé)崴疄闊岜盟凑舭l(fā)器1的低溫?zé)嵩矗环矫婵梢蕴岣咛柲芗療崞鞯男?率[11]，另一方面因蒸發(fā)溫度的提高，熱泵的COP也有效提高[12-14]，系統(tǒng)的COP也提高了，這意味著太陽能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能耗減少了；當(dāng)陰雨天或者陽光輻照度較弱時(shí)啟動(dòng)電輔助加熱水箱1中的水，以改善熱泵的運(yùn)行工況。

太陽能熱泵系統(tǒng)在不同季節(jié)條件下選擇不同的運(yùn)行模式，既可以盡量多的利用太陽能，也提高了系統(tǒng)的能效比，獲得比較好的節(jié)能效益，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)的運(yùn)行模式與效益分析見表1。

表1 太陽能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式與效益分析

4 結(jié)語

為滿足較大建筑物所需的制冷、供暖和熱水供給，設(shè)計(jì)了中央式冷熱暖三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行模式與節(jié)能效益進(jìn)行了分析，可得結(jié)論如下：

（1）冬季晴好天氣條件下太陽能熱泵系統(tǒng)宜以串聯(lián)模式運(yùn)行，既提高了太陽能集熱器的效率，也提高了熱泵COP，改善了熱泵的工況，從而系統(tǒng)整體COP得到了有效提高，節(jié)能效果良好。

（2）夏季多云陰雨天氣時(shí)太陽能無法工作，熱泵可同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和制取熱水，熱泵COP大大提高，節(jié)能效果顯著。

（3）任何季節(jié)天氣條件下，無論是太陽能還是熱泵制取熱水，相比較電熱水器或者燃?xì)鉄崴髦迫崴蓪?shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果。

我國(guó)太陽能資源豐富，隨著太陽能熱泵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)大型三聯(lián)供太陽能熱泵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，這對(duì)于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染具有重要意義，可以創(chuàng)造更大的節(jié)能環(huán)保效益，未來的應(yīng)用前景十分廣闊。

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Design and Running Mode Analysis of Central Solar-assisted Heat Pump for Supplying Combined Cooling Heating and Hot Water

Jia Shaogang Zhang Wuyi Liu Peitao Qin Tong

( China Classification Society Certification Company Qingdao branch, Qigndao, 266071 )

The utilization of new energy resources and excellent energy saving technology is the significant way to solve the problem of energy and the environment, the combination of solar and heat pump technology application has outstanding effect of energy conservation and environmental protection. A central solar-assisted heat pump (SAHP) with dual heat source is designed for supplying combined cooling heating and hot water throughout the year, meanwhile its running mode are analyzed and the results show that the effect of energy saving is good, which can provide theoretical basis for its practical application.

Solar energy; heat pump; energy saving; running mode

TK512

A

1671-6612（2020）04-432-04

賈少剛（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：jsg.lq@163.com

2019-02-12