太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的探討

【專家解說】：摘要：本文介紹了太陽能輔助熱泵的幾種主要形式，分析了各自的特點。在雙熱源式太陽能輔助熱泵的基礎(chǔ)上提出了一種太陽能－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，同時又能一年四季提供生活熱水。分析了這種系統(tǒng)的特點以及實際應(yīng)用前需要解決的問題。關(guān)鍵詞：太陽能輔助熱泵戶式中央空調(diào)太陽能－空氣雙熱源式熱泵太陽能0引言隨著面積超過100m2的住宅和別墅的出現(xiàn)，以及人們對空調(diào)房間內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高，研究開發(fā)一種經(jīng)濟效益和環(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，研究開發(fā)和利用新能源，已經(jīng)成為世界各國能源研究與開發(fā)的共同戰(zhàn)略目標。20世紀70年代能源危機以來，太陽能作為可利用的新能源，逐步成為國內(nèi)外研究的重點。最近研究表明：到2050年，核能將占第一位，太陽能占第二位；21世紀末，太陽能將取代核能占第一位。太陽能以其取之不盡、安全、無需運輸、清潔無污染等特點受到人們的重視。由于太陽能受季節(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，熱用戶對于供熱的要求也越來越高，太陽能利用的一些局限性日益顯現(xiàn)出來： （1）在太陽輻照時間少的國家和和地區(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導(dǎo)致集熱效率下降； （3）在夜間或陰雨天沒有足夠的太陽輻射時，無法實現(xiàn)24h的連續(xù)供熱，如采用輔助加熱方式，勢必又要消耗大量的其它能源； （4）加熱周期較長； （5）傳統(tǒng)的太陽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)的太陽熱水器需要在房頂設(shè)水箱，在夜間氣溫較低時，儲水箱和集熱器向外界散熱造成大量的熱量損失。為了克服太陽能利用中的上述問題，人們又提出了采用太陽能加熱系統(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際應(yīng)用中最大的問題是當冬天的大氣溫度很低時，熱泵系統(tǒng)的效率比較低。而太陽能熱利用系統(tǒng)中的集熱器在低溫時集熱效率較高，而熱泵系統(tǒng)在其蒸發(fā)溫度較高時系統(tǒng)效率較高，那么可以考慮采用太陽能加熱系統(tǒng)來作為熱泵系統(tǒng)的熱源。這樣既克服了太陽能加熱系統(tǒng)的問題又解決了熱泵系統(tǒng)冬季效率低的問題。太陽能熱泵系統(tǒng)由于利用太陽能具有節(jié)能環(huán)保的作用而得到快速的發(fā)展[1-2]。1太陽能熱泵系統(tǒng)的型式太陽能熱利用技術(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，一般可分為太陽能驅(qū)動熱泵和太陽能輔助熱泵兩大類。太陽能驅(qū)動熱泵主要是指太陽能光電或熱電驅(qū)動的壓縮式熱泵以及以太陽能輻射熱直接驅(qū)動的吸收式、吸附式、噴射式和化學(xué)熱泵等。這類熱泵大多以實現(xiàn)太陽能制冷空調(diào)為主要目的，一般對太陽能集熱溫度要求較高，而且普遍存在體積大、成本高、效率低等問題，較難實現(xiàn)小型化和商業(yè)化發(fā)展。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。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，對太陽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)濟技術(shù)性能和良好的商業(yè)實用化前景。根據(jù)集熱介質(zhì)的不同，太陽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，制冷劑作為太陽能集熱介質(zhì)直接在太陽能集熱/蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，然后通過熱泵循環(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?，但是由于太陽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。非直膨式系統(tǒng)中，太陽能集熱介質(zhì)通常采用水、空氣或防凍溶液等流體，使它們在太陽能集熱器中吸收熱量，然后將此熱量直接傳遞給加熱對象或作為蒸發(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)式是指太陽能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)通過蒸發(fā)器加以串聯(lián)，蒸發(fā)器熱源全部來自集熱循環(huán)所吸收的熱量；并聯(lián)式是指太陽能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)彼此獨立，后者僅作為前者不能滿足供熱需求時的輔助熱源；雙熱源式與串聯(lián)式基本相同，只是熱泵循環(huán)中包括了兩個蒸發(fā)器，可同時利用包括太陽能在內(nèi)的兩種低溫熱源或二者互為補充。雙熱源式太陽能輔助熱泵由于采用包括太陽能在內(nèi)的兩種低溫熱源或二者互為補充，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，減小熱泵機組額定容量、降低系統(tǒng)運行費，提高太陽能依存率（定義為來自太陽的有效得熱占所需熱負荷的比例），并且夏季還可進行與太陽能無關(guān)的蓄冷運行以滿足房間空調(diào)的需求。同時，由于太陽輻射具有不連續(xù)性、波動性大等缺點，而太陽輻射強度的變化必將導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)性能的波動。因此，如何既能充分利用太陽能又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，是太陽能熱泵系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用必須解決的重要問題。同時，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，可以考慮將太陽能熱泵與熱水供應(yīng)聯(lián)合運行，用于替代分體空調(diào)與電熱水器。由此，可以利用太陽能，滿足用戶空調(diào)與生活熱水的要求，降低用戶的耗電費用。（a）直膨式；（b）串聯(lián)式；（c）并聯(lián)式；（d）雙熱源式圖1太陽能輔助熱泵的類型示意圖2太陽能－空氣雙熱源式熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和分析太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)是在上述雙熱源式太陽能輔助熱泵基礎(chǔ)上進行改進的和完善的。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)解決了常用太陽能熱泵系統(tǒng)因太陽能輻射強度變化而使系統(tǒng)運行性能波動大的難題，它同時具備環(huán)保節(jié)能和運行穩(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，極具應(yīng)用和推廣價值。目前，關(guān)于太陽能輔助熱泵的研究已有不少報道[3-5]，但是關(guān)于這種太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用研究在國內(nèi)外還未見報道。1－蒸發(fā)器（冷凝器）；2－冷凍水循環(huán)水泵；3－用戶風機盤管；4－集熱器循環(huán)水泵；5－太陽能集熱器；6－溫度傳感器；7－冷水進口；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；18－冷凝器（蒸發(fā)器）圖2太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)圖太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)見圖2。該系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成：太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)、熱泵機組空調(diào)系統(tǒng)熱泵機組主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、四通換向閥、壓縮機、膨脹元件、空調(diào)水循環(huán)水泵和末端風機盤管，蒸發(fā)器和冷凝器靠四通換向閥在制冷劑環(huán)路實現(xiàn)冬夏季互換。太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、集熱器循環(huán)水泵、熱水蓄水箱等組成。為了加強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，增加了電加熱器和換熱器。整個系統(tǒng)依靠溫度傳感器、空調(diào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換閥和控制器等實現(xiàn)運行控制。熱泵系統(tǒng)有兩個蒸發(fā)器，一個以空氣為熱源，另外一個以被太陽能加熱的工質(zhì)為熱源。太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)總體實現(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)太陽能輻射條件和空調(diào)負荷變化主要有以下幾種工作模式： 1）在冬季采暖季節(jié)，當太陽輻射強度足夠大時，不需要開啟熱泵，直接利用太陽能即可滿足要求；當太陽輻射強度很小，以致水箱中的水溫很低時，開啟熱泵，使其以空氣為熱源進行工作；當太陽輻射強度介于兩者之間時，使熱泵以水箱中被太陽能加熱了的熱水為熱源進行工作；當太陽能和熱泵都不能滿足熱水供應(yīng)要求時，啟動熱水蓄水箱中的電加熱器來輔助加熱； 2）在夏季供冷季節(jié)，開啟空調(diào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換閥，熱泵用于制冷以滿足房間舒適性要求，利用太陽能熱水器提供生活熱水； 3）在春、秋過渡季節(jié)沒有空調(diào)負荷時，空調(diào)系統(tǒng)可以以全新風方式運行為室內(nèi)換氣，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。生活熱水由太陽能集熱系統(tǒng)提供，不足時啟動熱泵系統(tǒng)進行補充。系統(tǒng)運行控制總的原則是：優(yōu)先利用太陽能滿足供暖、供生活熱水需求，不足時啟動熱泵循環(huán)。當太陽能與熱泵循環(huán)都不能滿足用熱需求時，啟動電加熱器輔助加熱。這樣既充分利用了太陽能來達到節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的目的，又能保證系統(tǒng)運行的穩(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)用需要解決的問題和手段系統(tǒng)在實際應(yīng)用之前，還需解決以下主要問題：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)運行特性的；2）在太陽能輻射強度、空調(diào)負荷、生活熱水需求變化的情況下，如何對系統(tǒng)作工況切換既能充分利用太陽能又能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性?？赏ㄟ^理論結(jié)合試驗的方法予以解決：1）在設(shè)計和建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過實測系統(tǒng)在一年內(nèi)的運行性能，結(jié)合建立的系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)的內(nèi)部特性參數(shù)（包括太陽能集熱結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)器和冷凝器、壓縮機容量、蓄熱水箱容積、制冷劑性質(zhì)等）和外部特性參數(shù)（太陽輻射強度、環(huán)境溫度、室外風速、水溫等）對系統(tǒng)運行特性的影響進行分析。2）建立太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，以實際工況參數(shù)作為輸入量，將仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)加以對比分析。全面分析系統(tǒng)內(nèi)部特性參數(shù)和外部特性參數(shù)對系統(tǒng)運行特性的影響；3）在此基礎(chǔ)上，對太陽能－空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，加強系統(tǒng)的節(jié)能性和運行穩(wěn)定性，推進系統(tǒng)的實用化進程。4結(jié)論本文在雙熱源式太陽能輔助熱泵的基礎(chǔ)上，提出了一種太陽能－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，同時一年四季為用戶提供生活熱水。該系統(tǒng)的優(yōu)點是既充分地利用了太陽能又保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。