太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的探討

【專家解說(shuō)】：摘要：本文介紹了太陽(yáng)能輔助熱泵的幾種主要形式，分析了各自的特點(diǎn)。在雙熱源式太陽(yáng)能輔助熱泵的基礎(chǔ)上提出了一種太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)，它適用于面積在100m2以上住宅或別墅的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)中，同時(shí)又能一年四季提供生活熱水。分析了這種系統(tǒng)的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用前需要解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能輔助熱泵戶式中央空調(diào)太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵太陽(yáng)能0引言隨著面積超過(guò)100m2的住宅和別墅的出現(xiàn)，以及人們對(duì)空調(diào)房間內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來(lái)越高，研究開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益均優(yōu)的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)（有的稱家用中央空調(diào)）已經(jīng)迫在眉睫。同時(shí)，研究開(kāi)發(fā)和利用新能源，已經(jīng)成為世界各國(guó)能源研究與開(kāi)發(fā)的共同戰(zhàn)略目標(biāo)。20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來(lái)，太陽(yáng)能作為可利用的新能源，逐步成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。最近研究表明：到2050年，核能將占第一位，太陽(yáng)能占第二位；21世紀(jì)末，太陽(yáng)能將取代核能占第一位。太陽(yáng)能以其取之不盡、安全、無(wú)需運(yùn)輸、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)受到人們的重視。由于太陽(yáng)能受季節(jié)和天氣影響較大、熱流密度低，導(dǎo)致各種形式的太陽(yáng)能直接熱利用系統(tǒng)在應(yīng)用上都受到一定的限制。隨著生活水平的提高，熱用戶對(duì)于供熱的要求也越來(lái)越高，太陽(yáng)能利用的一些局限性日益顯現(xiàn)出來(lái)： （1）在太陽(yáng)輻照時(shí)間少的國(guó)家和和地區(qū)，其應(yīng)用受到很大限制； （2）白天集熱板板面溫度的上升會(huì)導(dǎo)致集熱效率下降； （3）在夜間或陰雨天沒(méi)有足夠的太陽(yáng)輻射時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)24h的連續(xù)供熱，如采用輔助加熱方式，勢(shì)必又要消耗大量的其它能源； （4）加熱周期較長(zhǎng)； （5）傳統(tǒng)的太陽(yáng)集熱器與建筑不易結(jié)合，在一定程度上影響了建筑的美觀； （6）常規(guī)的太陽(yáng)熱水器需要在房頂設(shè)水箱，在夜間氣溫較低時(shí)，儲(chǔ)水箱和集熱器向外界散熱造成大量的熱量損失。為了克服太陽(yáng)能利用中的上述問(wèn)題，人們又提出了采用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)作為蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的熱源。蒸汽壓縮式熱泵在實(shí)際應(yīng)用中最大的問(wèn)題是當(dāng)冬天的大氣溫度很低時(shí)，熱泵系統(tǒng)的效率比較低。而太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中的集熱器在低溫時(shí)集熱效率較高，而熱泵系統(tǒng)在其蒸發(fā)溫度較高時(shí)系統(tǒng)效率較高，那么可以考慮采用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)來(lái)作為熱泵系統(tǒng)的熱源。這樣既克服了太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的問(wèn)題又解決了熱泵系統(tǒng)冬季效率低的問(wèn)題。太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)由于利用太陽(yáng)能具有節(jié)能環(huán)保的作用而得到快速的發(fā)展[1-2]。1太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的型式太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)的結(jié)合非常靈活，系統(tǒng)形式也多種多樣，一般可分為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱泵和太陽(yáng)能輔助熱泵兩大類。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱泵主要是指太陽(yáng)能光電或熱電驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵以及以太陽(yáng)能輻射熱直接驅(qū)動(dòng)的吸收式、吸附式、噴射式和化學(xué)熱泵等。這類熱泵大多以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷空調(diào)為主要目的，一般對(duì)太陽(yáng)能集熱溫度要求較高，而且普遍存在體積大、成本高、效率低等問(wèn)題，較難實(shí)現(xiàn)小型化和商業(yè)化發(fā)展。太陽(yáng)能輔助熱泵通常是指作為太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)輔助裝置的熱泵系統(tǒng)，包括獨(dú)立輔助熱泵和以太陽(yáng)輻射熱能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵。這類熱泵多數(shù)以供熱為主，涉及建筑采暖、生活熱水供應(yīng)以及工業(yè)用熱等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)太陽(yáng)能集熱溫度要求不高，而且具有靈活多樣的系統(tǒng)形式、合理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能和良好的商業(yè)實(shí)用化前景。根據(jù)集熱介質(zhì)的不同，太陽(yáng)能輔助熱泵一般可分為直膨式和非直膨式兩大類。直膨式系統(tǒng)系統(tǒng)中，制冷劑作為太陽(yáng)能集熱介質(zhì)直接在太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，然后通過(guò)熱泵循環(huán)將冷凝熱釋放給被加熱物體，如圖1（a）所示。這種系統(tǒng)極具小型化和商品化發(fā)展?jié)摿?，但是由于太?yáng)能輻射條件受地理緯度、季節(jié)轉(zhuǎn)換、晝夜更替及各種復(fù)雜氣象因素的影響而隨時(shí)處于變化中，而工況的不穩(wěn)定必將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的波動(dòng)。非直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱介質(zhì)通常采用水、空氣或防凍溶液等流體，使它們?cè)谔?yáng)能集熱器中吸收熱量，然后將此熱量直接傳遞給加熱對(duì)象或作為蒸發(fā)器熱源經(jīng)熱泵循環(huán)升溫后再加熱物體。根據(jù)太陽(yáng)能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)的不同連接形式，非直膨式太陽(yáng)能輔助熱泵又可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式三種基本形式，分別如圖1（b）、（c）、（d）所示。串聯(lián)式是指太陽(yáng)能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)通過(guò)蒸發(fā)器加以串聯(lián)，蒸發(fā)器熱源全部來(lái)自集熱循環(huán)所吸收的熱量；并聯(lián)式是指太陽(yáng)能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)彼此獨(dú)立，后者僅作為前者不能滿足供熱需求時(shí)的輔助熱源；雙熱源式與串聯(lián)式基本相同，只是熱泵循環(huán)中包括了兩個(gè)蒸發(fā)器，可同時(shí)利用包括太陽(yáng)能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩椿蚨呋檠a(bǔ)充。雙熱源式太陽(yáng)能輔助熱泵由于采用包括太陽(yáng)能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩椿蚨呋檠a(bǔ)充，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。另外，可以在系統(tǒng)中增加蓄熱裝置，減小熱泵機(jī)組額定容量、降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)，提高太陽(yáng)能依存率（定義為來(lái)自太陽(yáng)的有效得熱占所需熱負(fù)荷的比例），并且夏季還可進(jìn)行與太陽(yáng)能無(wú)關(guān)的蓄冷運(yùn)行以滿足房間空調(diào)的需求。同時(shí)，由于太陽(yáng)輻射具有不連續(xù)性、波動(dòng)性大等缺點(diǎn)，而太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化必將導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)性能的波動(dòng)。因此，如何既能充分利用太陽(yáng)能又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，是太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用必須解決的重要問(wèn)題。同時(shí)，商業(yè)分體空調(diào)與家用電熱水器的廣泛應(yīng)用，使家庭電能的消耗大幅度增加。因此，可以考慮將太陽(yáng)能熱泵與熱水供應(yīng)聯(lián)合運(yùn)行，用于替代分體空調(diào)與電熱水器。由此，可以利用太陽(yáng)能，滿足用戶空調(diào)與生活熱水的要求，降低用戶的耗電費(fèi)用。（a）直膨式；（b）串聯(lián)式；（c）并聯(lián)式；（d）雙熱源式圖1太陽(yáng)能輔助熱泵的類型示意圖2太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)是在上述雙熱源式太陽(yáng)能輔助熱泵基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的和完善的。它適用于面積100m2以上的住宅或別墅，能夠?qū)崿F(xiàn)夏季供冷、冬季采暖和全年供生活熱水的功能。該系統(tǒng)解決了常用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)因太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度變化而使系統(tǒng)運(yùn)行性能波動(dòng)大的難題，它同時(shí)具備環(huán)保節(jié)能和運(yùn)行穩(wěn)定的特性，作為戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的一種新方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)，極具應(yīng)用和推廣價(jià)值。目前，關(guān)于太陽(yáng)能輔助熱泵的研究已有不少報(bào)道[3-5]，但是關(guān)于這種太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。1－蒸發(fā)器（冷凝器）；2－冷凍水循環(huán)水泵；3－用戶風(fēng)機(jī)盤(pán)管；4－集熱器循環(huán)水泵；5－太陽(yáng)能集熱器；6－溫度傳感器；7－冷水進(jìn)口；8－熱水出口；9－熱水蓄水箱；10－熱水循環(huán)水泵；11－電加熱器；12－換熱器；13節(jié)流元件；14－空調(diào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換閥；15－四通換向閥；16－控制器；17－壓縮機(jī)；18－冷凝器（蒸發(fā)器）圖2太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)圖太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)見(jiàn)圖2。該系統(tǒng)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)、熱泵機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)熱泵機(jī)組主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、四通換向閥、壓縮機(jī)、膨脹元件、空調(diào)水循環(huán)水泵和末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管，蒸發(fā)器和冷凝器靠四通換向閥在制冷劑環(huán)路實(shí)現(xiàn)冬夏季互換。太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱器、集熱器循環(huán)水泵、熱水蓄水箱等組成。為了加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加了電加熱器和換熱器。整個(gè)系統(tǒng)依靠溫度傳感器、空調(diào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換閥和控制器等實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制。熱泵系統(tǒng)有兩個(gè)蒸發(fā)器，一個(gè)以空氣為熱源，另外一個(gè)以被太陽(yáng)能加熱的工質(zhì)為熱源。太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖、常年提供生活熱水。熱泵裝置優(yōu)先用于空調(diào)。根據(jù)太陽(yáng)能輻射條件和空調(diào)負(fù)荷變化主要有以下幾種工作模式： 1）在冬季采暖季節(jié)，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，不需要開(kāi)啟熱泵，直接利用太陽(yáng)能即可滿足要求；當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度很小，以致水箱中的水溫很低時(shí)，開(kāi)啟熱泵，使其以空氣為熱源進(jìn)行工作；當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度介于兩者之間時(shí)，使熱泵以水箱中被太陽(yáng)能加熱了的熱水為熱源進(jìn)行工作；當(dāng)太陽(yáng)能和熱泵都不能滿足熱水供應(yīng)要求時(shí)，啟動(dòng)熱水蓄水箱中的電加熱器來(lái)輔助加熱； 2）在夏季供冷季節(jié)，開(kāi)啟空調(diào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換閥，熱泵用于制冷以滿足房間舒適性要求，利用太陽(yáng)能熱水器提供生活熱水； 3）在春、秋過(guò)渡季節(jié)沒(méi)有空調(diào)負(fù)荷時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)可以以全新風(fēng)方式運(yùn)行為室內(nèi)換氣，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。生活熱水由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供，不足時(shí)啟動(dòng)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。系統(tǒng)運(yùn)行控制總的原則是：優(yōu)先利用太陽(yáng)能滿足供暖、供生活熱水需求，不足時(shí)啟動(dòng)熱泵循環(huán)。當(dāng)太陽(yáng)能與熱泵循環(huán)都不能滿足用熱需求時(shí)，啟動(dòng)電加熱器輔助加熱。這樣既充分利用了太陽(yáng)能來(lái)達(dá)到節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目的，又能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，充分滿足用戶的空調(diào)、供生活熱水的需求。3系統(tǒng)應(yīng)用需要解決的問(wèn)題和手段系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用之前，還需解決以下主要問(wèn)題：1）研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性參數(shù)和外部特性參數(shù)是如何影響系統(tǒng)運(yùn)行特性的；2）在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、空調(diào)負(fù)荷、生活熱水需求變化的情況下，如何對(duì)系統(tǒng)作工況切換既能充分利用太陽(yáng)能又能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性?？赏ㄟ^(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)的方法予以解決：1）在設(shè)計(jì)和建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)測(cè)系統(tǒng)在一年內(nèi)的運(yùn)行性能，結(jié)合建立的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部特性參數(shù)（包括太陽(yáng)能集熱結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)器和冷凝器、壓縮機(jī)容量、蓄熱水箱容積、制冷劑性質(zhì)等）和外部特性參數(shù)（太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、水溫等）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行分析。2）建立太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，以實(shí)際工況參數(shù)作為輸入量，將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以對(duì)比分析。全面分析系統(tǒng)內(nèi)部特性參數(shù)和外部特性參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響；3）在此基礎(chǔ)上，對(duì)太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)的節(jié)能性和運(yùn)行穩(wěn)定性，推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。4結(jié)論本文在雙熱源式太陽(yáng)能輔助熱泵的基礎(chǔ)上，提出了一種太陽(yáng)能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合用于面積在100m2以上的住宅或別墅的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)中，同時(shí)一年四季為用戶提供生活熱水。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是既充分地利用了太陽(yáng)能又保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。