228太陽能空氣雙熱源復(fù)合熱泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1、太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀中原工學(xué)院 張超 趙曉丹 周光輝 劉寅摘要：太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵技術(shù)是以太陽能和空氣作為復(fù)合熱源的熱泵系統(tǒng)，是太陽能和空氣兩種低品位能源綜合利用的一種形式，能很好地解決空氣源熱泵冬季供熱運(yùn)行過程中效率低，運(yùn)行不穩(wěn)定等技術(shù)難題。本文對(duì)不同類型的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵在國內(nèi)的研究、發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行總結(jié)討論，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了分析。特別提出了一種新型的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵，此系統(tǒng)可以滿足不同工況下的供熱要求，提高熱泵的工作效率，降低能耗，擴(kuò)大空氣源熱泵在北方地區(qū)的使用范圍，有著較高的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。分析結(jié)論對(duì)太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵的進(jìn)一步發(fā)展指

2、明了方向。關(guān)鍵詞：復(fù)合熱泵，雙熱源，太陽能利用0 前言空氣是一種無污染的，安全的，無窮無盡的自然能源。空氣源熱泵技術(shù)以其節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)普遍受到人們的關(guān)注，其結(jié)構(gòu)簡單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便。但是它的使用受到環(huán)境溫度的限制，其供熱能力和供熱性能系數(shù)會(huì)隨著室外氣溫的降低而降低，制冷量和制熱量很難與建筑冷熱負(fù)荷相應(yīng)。冬季還有室外結(jié)霜問題，不適用于寒冷地區(qū)。 眾所周知，太陽能是地球上一切能源的主要來源。和空氣一樣，它也是一種安全、取之不盡用之不竭的自然資源。如果將太陽能和空氣兩種低位能源作為熱源，可以很好地解決空氣源熱泵低溫下的性能問題，提高空氣源熱泵的可靠性。太陽能-空氣雙熱源復(fù)

3、合熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這兩種熱源的復(fù)合利用，它可以滿足冬季供熱，夏季制冷，全年供給生活熱水等多方面的需求，設(shè)備利用率高。東南大學(xué)，南京理工大學(xué)，青島建筑工程學(xué)院以及中原工學(xué)院等都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。1 太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵交替運(yùn)行模式交替運(yùn)行的太陽能-空氣雙熱源熱泵有兩個(gè)并聯(lián)的蒸發(fā)器:水源蒸發(fā)器和空氣源蒸發(fā)器，熱泵既可以用環(huán)境空氣作為熱源，也可以用太陽能集熱器蓄熱水作為熱源。當(dāng)環(huán)境溫度高于某一溫度時(shí)，空氣作為熱泵熱源，熱泵運(yùn)行良好，熱泵制熱量能滿足建筑熱負(fù)荷，空氣源熱泵運(yùn)行；當(dāng)環(huán)境溫度低于某一溫度時(shí)，空氣源熱泵的工作惡化，熱泵cop較低，并且熱泵供熱不能滿足建筑熱負(fù)荷，切換為水源熱泵運(yùn)行，水

4、源熱泵的熱量來自太陽能，如圖1所示。圖1 可切換式太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)南京理工大學(xué)的陳衛(wèi)星1 針對(duì)空氣源熱泵冬季供暖不足和太陽能熱泵的應(yīng)用特點(diǎn)提出了可切換的太陽能-空氣雙熱源熱泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能和空氣源熱泵的交替運(yùn)行。文中對(duì)平板型集熱器進(jìn)行熱力經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化，給出一個(gè)最優(yōu)配置。分析了空氣源熱泵和這種可切換的雙熱源熱泵用于建筑供熱的情況，充分說明了雙熱源熱泵模式的可行性及節(jié)能優(yōu)勢(shì)。劉業(yè)鳳2等針對(duì)現(xiàn)有的太陽能熱泵隨太陽能輻射強(qiáng)度變化導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，提出了一種太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)太陽能輻射強(qiáng)度變化改變運(yùn)行模式，使太陽能直接利用，空氣源熱泵和太陽能熱泵交替運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)

5、夏季供冷、冬季采暖和全年供應(yīng)生活熱水的功能。此系統(tǒng)有環(huán)保節(jié)能和運(yùn)行穩(wěn)定的特性。但是系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)太陽能熱泵和空氣源同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)太陽能熱泵熱量不能滿足需要的時(shí)候使用電加熱，大大提高了系統(tǒng)的成本。東南大學(xué)的李智3等介紹了一種將太陽能熱水器和家用熱泵型空調(diào)器相結(jié)合運(yùn)行的雙熱源型熱泵系統(tǒng)。冬季室外溫度低時(shí)采用太陽能低溫?zé)崴鳛闊岜脽嵩词褂茫到y(tǒng)cop值有很大提高，；在沒有太陽輻射的情況下，則采用普通的風(fēng)冷器制熱，實(shí)現(xiàn)太陽能熱泵和空氣源熱泵的交替使用。文中對(duì)冬夏兩季運(yùn)行工況下的節(jié)能原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，此系統(tǒng)集熱效率高、供熱性能系數(shù)高，采用雙熱源可以很好地提高太陽能熱泵的穩(wěn)定性。王燕

6、俊4對(duì)秋冬季太陽能-空氣源熱泵制熱水系統(tǒng)和太陽能熱泵供暖系統(tǒng)兩種運(yùn)行模式進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)秋冬季節(jié)制熱水模式有兩種：第一種，先運(yùn)行空氣源熱泵系統(tǒng)，然后再利用太陽能熱水系統(tǒng)加熱；第二種先由太陽能循環(huán)系統(tǒng)對(duì)保溫水箱內(nèi)的水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)對(duì)流換熱，然后運(yùn)行熱泵系統(tǒng)加熱。冬季供暖模式主要有兩種：太陽能熱水為低溫?zé)嵩垂┡推胀諝庠礋岜霉┡?。從而?shí)現(xiàn)了太陽能和空氣兩種低品位能源的交替使用。廣州能源研究所的馬偉斌等5針對(duì)奧運(yùn)會(huì)各種場館應(yīng)用太陽能熱水過程中產(chǎn)生的問題提出了太陽能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)有三種運(yùn)行工況：當(dāng)太陽能充足時(shí)采用太陽能直接加熱熱水；太陽能不充足時(shí)采用太陽能熱泵加熱熱水；沒有太陽能

7、時(shí)則使用空氣源熱泵，這三種運(yùn)行模式交替運(yùn)行，保證了用戶的需求，使太陽能得到了充分的利用。文中對(duì)太陽能-空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用前景作了詳細(xì)的論述，指出該系統(tǒng)可有效解決北方寒冷地區(qū)太陽能全年穩(wěn)定供熱水問題。太陽能-空氣源交替運(yùn)行的系統(tǒng)根據(jù)制冷制熱不同工況，采用兩臺(tái)換熱器，增加了機(jī)組占用空間和系統(tǒng)研制投資成本，而且機(jī)組的運(yùn)行依賴太陽能輻射狀況和室外空氣環(huán)境（空氣的參數(shù)），不能夠充分利用太陽能和空氣的綜合優(yōu)勢(shì)，難以在許多地區(qū)大量推廣。2 太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式為了綜合利用太陽能和空氣的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵空調(diào)的有機(jī)融合，東南大學(xué)和清華大學(xué)等都進(jìn)行了太陽能-空氣雙

8、熱源復(fù)合熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式的研究。臺(tái)灣的huang b j和chyng j p等6在1999年首先提出了整體式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的概念，最先對(duì)雙熱源熱泵進(jìn)行了探索。此系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是：在試驗(yàn)中保持壓縮機(jī)吸入口接近飽和狀態(tài)，通過系統(tǒng)中制冷循環(huán)的有效設(shè)計(jì)，使蒸發(fā)溫度小于環(huán)境溫度，集熱器/蒸發(fā)器同時(shí)吸收太陽能和周圍環(huán)境中空氣的熱量，實(shí)現(xiàn)太陽能-空氣雙熱源熱泵的聯(lián)合運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)和模擬得出，太陽能熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行的cop雖然有所下降，但是就整體來看，系統(tǒng)性能穩(wěn)定性有很大的提高。東南大學(xué)的徐國英和張小松7對(duì)太陽能-空氣復(fù)合熱源熱水器的性能進(jìn)行了模擬和分析。該裝置利用一個(gè)獨(dú)特的螺旋翅片蒸發(fā)管的平板型集熱/蒸

9、發(fā)器,來實(shí)現(xiàn)太陽能-空氣雙熱源的聯(lián)合運(yùn)行。平板型集熱/蒸發(fā)器直接暴露在環(huán)境空氣和太陽輻射中, 將太陽熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)有機(jī)地組合，實(shí)現(xiàn)輻射與對(duì)流復(fù)合換熱。既充分利用太陽能提高了熱泵cop值,又克服了對(duì)太陽輻射的過度依賴,避免在陰雨天及冬季使用電輔助加熱。模擬結(jié)果顯示該熱水器在不同天氣特征情況下可高效率地制造55熱水。以上屬于直膨式太陽能-空氣雙熱源熱泵的聯(lián)合利用。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備簡單，便于實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)容易受周圍空氣，太陽輻射以及蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度關(guān)系的影響，控制能力差，不能夠有效穩(wěn)定的運(yùn)行。清華大學(xué)的孫兆虎等8提出了一種太陽能輔助空氣源跨臨界二氧化碳熱泵空調(diào)熱水系

10、統(tǒng)，系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)蒸發(fā)器，太陽能和空氣源可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行，有供應(yīng)熱水和空調(diào)兩大功能，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。但和其他的雙熱源運(yùn)行熱泵系統(tǒng)相比，系統(tǒng)成本高，運(yùn)行控制比較復(fù)雜。3 一種新型的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)圖2 新型太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行不穩(wěn)定等特點(diǎn)，中原工學(xué)院的周光輝等提出了一種新型的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵，并對(duì)其性能進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬研究。這個(gè)系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是太陽能集熱、蓄熱系統(tǒng)，一部分是雙熱源熱泵系統(tǒng)（如圖2所示），其中的核心部件是翅片-套管復(fù)合式非同態(tài)三介質(zhì)換熱器9。運(yùn)行的過程中可實(shí)現(xiàn)兩種模

11、式運(yùn)行：雙熱源聯(lián)合供熱模式和單空氣源供熱模式。此系統(tǒng)可以滿足不同工況下的供熱要求，提高熱泵的工作效率，降低能耗，擴(kuò)大空氣源熱泵在北方地區(qū)的使用范圍，有著較高的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益10。4 結(jié)論太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵將風(fēng)冷熱泵技術(shù)和太陽能熱水技術(shù)有機(jī)結(jié)合，突破了風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下運(yùn)行效率低或無法運(yùn)行的缺陷，提高系統(tǒng)性能系數(shù)，充分利用太陽能和空氣能等綠色新能源，可以全年提供生活熱水，充分滿足人們生活的需求，環(huán)保節(jié)能。特別是太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式可以將太陽能和空氣源有機(jī)融合，是未來熱泵系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。但是目前我國的太陽能-空氣雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)大多處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，未能

12、實(shí)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵空調(diào)系統(tǒng)的推廣利用，需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究，降低成本。參考文獻(xiàn)1 陳衛(wèi)星. 雙熱源太陽能熱泵模式研究d. 南京:南京理工大學(xué)，2004.62 劉業(yè)鳳，伍德虎. 太陽能輔助熱泵和熱水器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析j. 太陽能，2008，1：22-243 李智，劉驥，虞維平. 雙熱源型太陽能熱泵夏、冬兩季的節(jié)能運(yùn)行分析j. 制冷空調(diào)，2008，29（121）：32-34，104 王燕俊. 太陽能熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)的建模與實(shí)驗(yàn)研究d. 南京：東南大學(xué)，2007.35 馬偉斌，龔宇烈. 太陽能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)j. 建筑新能源，2006，74-756 huang b j,chyng j p. integral type solar-assisted heat pump water heater. renewable energy,2001,16:731-7347 徐國英，張小松. 太陽能空氣復(fù)合熱源熱泵熱水器的性能模擬與分析j. 太