太阳能－空气双热源式热泵及热水系统的探讨

【专家解说】：摘要：本文介绍了太阳能辅助热泵的几种主要形式，分析了各自的特点。在双热源式太阳能辅助热泵的基础上提出了一种太阳能－空气双热源式热泵及热水系统，它适用于面积在100m2以上住宅或别墅的户式中央空调系统中，同时又能一年四季提供生活热水。分析了这种系统的特点以及实际应用前需要解决的问题。关键词：太阳能辅助热泵户式中央空调太阳能－空气双热源式热泵太阳能0引言随着面积超过100m2的住宅和别墅的出现，以及人们对空调房间内空气品质的要求越来越高，研究开发一种经济效益和环保效益均优的户式中央空调系统（有的称家用中央空调）已经迫在眉睫。同时，研究开发和利用新能源，已经成为世界各国能源研究与开发的共同战略目标。20世纪70年代能源危机以来，太阳能作为可利用的新能源，逐步成为国内外研究的重点。最近研究表明：到2050年，核能将占第一位，太阳能占第二位；21世纪末，太阳能将取代核能占第一位。太阳能以其取之不尽、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视。由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。随着生活水平的提高，热用户对于供热的要求也越来越高，太阳能利用的一些局限性日益显现出来： （1）在太阳辐照时间少的国家和和地区，其应用受到很大限制； （2）白天集热板板面温度的上升会导致集热效率下降； （3）在夜间或阴雨天没有足够的太阳辐射时，无法实现24h的连续供热，如采用辅助加热方式，势必又要消耗大量的其它能源； （4）加热周期较长； （5）传统的太阳集热器与建筑不易结合，在一定程度上影响了建筑的美观； （6）常规的太阳热水器需要在房顶设水箱，在夜间气温较低时，储水箱和集热器向外界散热造成大量的热量损失。为了克服太阳能利用中的上述问题，人们又提出了采用太阳能加热系统作为蒸汽压缩式热泵系统的热源。蒸汽压缩式热泵在实际应用中最大的问题是当冬天的大气温度很低时，热泵系统的效率比较低。而太阳能热利用系统中的集热器在低温时集热效率较高，而热泵系统在其蒸发温度较高时系统效率较高，那么可以考虑采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源。这样既克服了太阳能加热系统的问题又解决了热泵系统冬季效率低的问题。太阳能热泵系统由于利用太阳能具有节能环保的作用而得到快速的发展[1-2]。1太阳能热泵系统的型式太阳能热利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。太阳能驱动热泵主要是指太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳能辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，一般对太阳能集热温度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。直膨式系统系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体，如图1（a）所示。这种系统极具小型化和商品化发展潜力，但是由于太阳能辐射条件受地理纬度、季节转换、昼夜更替及各种复杂气象因素的影响而随时处于变化中，而工况的不稳定必将导致系统性能的波动。非直膨式系统中，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体。根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式，分别如图1（b）、（c）、（d）所示。串联式是指太阳能集热循环与热泵循环通过蒸发器加以串联，蒸发器热源全部来自集热循环所吸收的热量；并联式是指太阳能集热循环与热泵循环彼此独立，后者仅作为前者不能满足供热需求时的辅助热源；双热源式与串联式基本相同，只是热泵循环中包括了两个蒸发器，可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源或二者互为补充。双热源式太阳能辅助热泵由于采用包括太阳能在内的两种低温热源或二者互为补充，使系统具有更好的稳定性。另外，可以在系统中增加蓄热装置，减小热泵机组额定容量、降低系统运行费，提高太阳能依存率（定义为来自太阳的有效得热占所需热负荷的比例），并且夏季还可进行与太阳能无关的蓄冷运行以满足房间空调的需求。同时，由于太阳辐射具有不连续性、波动性大等缺点，而太阳辐射强度的变化必将导致热泵系统性能的波动。因此，如何既能充分利用太阳能又能保证系统的稳定性和可靠性，是太阳能热泵系统走向实际应用必须解决的重要问题。同时，商业分体空调与家用电热水器的广泛应用，使家庭电能的消耗大幅度增加。因此，可以考虑将太阳能热泵与热水供应联合运行，用于替代分体空调与电热水器。由此，可以利用太阳能，满足用户空调与生活热水的要求，降低用户的耗电费用。（a）直膨式；（b）串联式；（c）并联式；（d）双热源式图1太阳能辅助热泵的类型示意图2太阳能－空气双热源式热泵系统的设计和分析太阳能－空气双热源式热泵及热水系统是在上述双热源式太阳能辅助热泵基础上进行改进的和完善的。它适用于面积100m2以上的住宅或别墅，能够实现夏季供冷、冬季采暖和全年供生活热水的功能。该系统解决了常用太阳能热泵系统因太阳能辐射强度变化而使系统运行性能波动大的难题，它同时具备环保节能和运行稳定的特性，作为户式中央空调系统的一种新方案具有明显的优势，极具应用和推广价值。目前，关于太阳能辅助热泵的研究已有不少报道[3-5]，但是关于这种太阳能－空气双热源式热泵及热水系统的相关应用研究在国内外还未见报道。1－蒸发器（冷凝器）；2－冷冻水循环水泵；3－用户风机盘管；4－集热器循环水泵；5－太阳能集热器；6－温度传感器；7－冷水进口；8－热水出口；9－热水蓄水箱；10－热水循环水泵；11－电加热器；12－换热器；13节流元件；14－空调优先转换阀；15－四通换向阀；16－控制器；17－压缩机；18－冷凝器（蒸发器）图2太阳能－空气双热源式热泵及热水系统图太阳能－空气双热源式热泵及热水系统见图2。该系统主要由两个子系统组成：太阳能集热循环系统、热泵机组空调系统热泵机组主要包括蒸发器、冷凝器、四通换向阀、压缩机、膨胀元件、空调水循环水泵和末端风机盘管，蒸发器和冷凝器靠四通换向阀在制冷剂环路实现冬夏季互换。太阳能集热循环系统主要包括太阳能集热器、集热器循环水泵、热水蓄水箱等组成。为了加强系统运行的稳定性，增加了电加热器和换热器。整个系统依靠温度传感器、空调优先转换阀和控制器等实现运行控制。热泵系统有两个蒸发器，一个以空气为热源，另外一个以被太阳能加热的工质为热源。太阳能－空气双热源式热泵及热水系统总体实现夏季制冷、冬季供暖、常年提供生活热水。热泵装置优先用于空调。根据太阳能辐射条件和空调负荷变化主要有以下几种工作模式： 1）在冬季采暖季节，当太阳辐射强度足够大时，不需要开启热泵，直接利用太阳能即可满足要求；当太阳辐射强度很小，以致水箱中的水温很低时，开启热泵，使其以空气为热源进行工作；当太阳辐射强度介于两者之间时，使热泵以水箱中被太阳能加热了的热水为热源进行工作；当太阳能和热泵都不能满足热水供应要求时，启动热水蓄水箱中的电加热器来辅助加热； 2）在夏季供冷季节，开启空调优先转换阀，热泵用于制冷以满足房间舒适性要求，利用太阳能热水器提供生活热水； 3）在春、秋过渡季节没有空调负荷时，空调系统可以以全新风方式运行为室内换气，改善室内空气品质。生活热水由太阳能集热系统提供，不足时启动热泵系统进行补充。系统运行控制总的原则是：优先利用太阳能满足供暖、供生活热水需求，不足时启动热泵循环。当太阳能与热泵循环都不能满足用热需求时，启动电加热器辅助加热。这样既充分利用了太阳能来达到节能、经济、环保的目的，又能保证系统运行的稳定性，充分满足用户的空调、供生活热水的需求。3系统应用需要解决的问题和手段系统在实际应用之前，还需解决以下主要问题：1）研究系统的内部特性参数和外部特性参数是如何影响系统运行特性的；2）在太阳能辐射强度、空调负荷、生活热水需求变化的情况下，如何对系统作工况切换既能充分利用太阳能又能保证系统运行的稳定性。可通过理论结合试验的方法予以解决：1）在设计和建立系统的基础上，通过实测系统在一年内的运行性能，结合建立的系统仿真模型，对系统的内部特性参数（包括太阳能集热结构、蒸发器和冷凝器、压缩机容量、蓄热水箱容积、制冷剂性质等）和外部特性参数（太阳辐射强度、环境温度、室外风速、水温等）对系统运行特性的影响进行分析。2）建立太阳能－空气双热源式热泵及热水系统的动态仿真模型，以实际工况参数作为输入量，将仿真结果与实测数据加以对比分析。全面分析系统内部特性参数和外部特性参数对系统运行特性的影响；3）在此基础上，对太阳能－空气双热源式热泵及热水系统进行优化设计，加强系统的节能性和运行稳定性，推进系统的实用化进程。4结论本文在双热源式太阳能辅助热泵的基础上，提出了一种太阳能－空气双热源式热泵及热水系统，该系统适合用于面积在100m2以上的住宅或别墅的户式中央空调系统中，同时一年四季为用户提供生活热水。该系统的优点是既充分地利用了太阳能又保证了系统运行的稳定性和连续性。