基于空氣集熱器的太陽能熱泵供熱供冷裝置分析

王麗煥，陳 東，陳曉宇，陳金深

(1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 大連久盛太陽能科技發(fā)展有限公司，大連 116600)

目前，華北地區(qū)通常的供熱供冷模式是，冬季采用燃煤供熱，夏季采用空調(diào)制冷．這種供熱供冷模式的主要不足是，供熱與供冷需兩套裝置，燃煤供熱的能源效率低，環(huán)境污染大．

太陽能是一種可再生綠色能源，用太陽能光熱轉(zhuǎn)換進(jìn)行冬季供熱具有環(huán)境友好、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，太陽能的不足之處是，受天氣影響大，尤其是在陰天或雨雪天等天氣時(shí)，可能無法為用戶提供充足的熱能．熱泵是一種高效制熱裝置，只需消耗少量電能，即可從大氣、土壤等自然環(huán)境中吸取大量低溫?zé)崮懿⑵渖郎貋頌槭覂?nèi)供熱，而且熱泵裝置除可用于冬季供熱外，還可用于夏季供冷．太陽能與熱泵結(jié)合組成的太陽能熱泵裝置，可一套裝置實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷兩項(xiàng)功能，能源效率高，環(huán)境友好，且不受天氣影響[1]．

目前，研究較多的太陽能熱泵供熱供冷裝置是基于熱水型太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)模式，即冬季供熱時(shí)由太陽能集熱器和熱泵聯(lián)合制取一定溫度的熱水，由管路輸送給用戶供熱；夏季則由熱泵制取冷水，輸送給用戶供冷[2-4]．這種模式的輸熱輸冷均通過水為介質(zhì)，管路較簡單，但其不足之處是，在冬季水易發(fā)生凍結(jié)從而損壞設(shè)備，而且需要將水與空氣進(jìn)行換熱，增加了傳熱環(huán)節(jié)和裝置的復(fù)雜性，也增加了傳熱損失，降低了傳熱效率．

基于空氣集熱器的太陽能熱泵供熱供冷裝置則是直接采用空氣作為輸熱輸冷介質(zhì)，可較好地克服熱水型結(jié)構(gòu)模式的不足，本文旨在對(duì)這一新型裝置的結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行較系統(tǒng)的分析與研究．

1 裝置結(jié)構(gòu)與冬季供熱分析

基于空氣集熱器的太陽能熱泵供熱供冷裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中也標(biāo)出了裝置冬季供熱運(yùn)行時(shí)熱泵工質(zhì)及空氣的流向．

圖中壓縮機(jī)、換熱器Ⅰ、換熱器Ⅱ、換熱器Ⅲ、節(jié)流閥及電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ、電磁閥Ⅲ、電磁閥Ⅳ構(gòu)成熱泵，熱泵內(nèi)充注適宜的熱泵工質(zhì)；蓄能箱中放置一定數(shù)量的蓄能容器，蓄能容器內(nèi)充入適宜的蓄能介質(zhì)(如水、相變介質(zhì)等)，空氣流過蓄能箱內(nèi)時(shí)，通過蓄能容器壁與容器內(nèi)的蓄能介質(zhì)換熱，實(shí)現(xiàn)蓄熱或蓄冷(蓄能箱壁采用保溫材料，供冷或供熱效率一般大于 95%；冬季供熱時(shí)，蓄能箱供熱占總供熱的比率通常為 20%～40%；夏季供冷時(shí)，蓄能箱所占比率為10%～30%)．

空氣集熱器太陽能熱泵用于冬季供熱時(shí)，電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ打開，電磁閥Ⅲ、電磁閥Ⅳ關(guān)閉，熱泵工質(zhì)按圖中箭頭所示方向流動(dòng)．

圖1 空氣集熱器太陽能熱泵冬季供熱示意圖Fig.1 Heating mode of the solar heat pump with air solar collectors

按太陽能空氣集熱器收集熱量、蓄能箱中蓄能介質(zhì)中蓄存熱量的情況，空氣集熱器太陽能熱泵在冬季供熱時(shí)可有如下6種運(yùn)行模式：

模式 1：當(dāng)白天陽光較充足，太陽能空氣集熱器收集的熱量除用于室內(nèi)供熱外還有富余時(shí)，太陽能空氣集熱器同時(shí)給室內(nèi)供熱和蓄能箱充熱．此時(shí)風(fēng)機(jī)Ⅰ和風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ和空氣閥Ⅱ打開，風(fēng)道閥關(guān)閉．這種模式下由太陽能空氣集熱器制取的熱空氣在空氣閥Ⅰ處分為兩路：一路由風(fēng)機(jī)Ⅱ送入蓄能箱加熱蓄能介質(zhì)，將富余熱能蓄存起來；另一路與空氣閥Ⅰ處進(jìn)入的適量低溫空氣混合，由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入待供熱房間．

模式 2：當(dāng)白天陽光不很充足，太陽能空氣集熱器收集的熱量僅夠維持室內(nèi)供熱時(shí)，僅風(fēng)機(jī)Ⅰ運(yùn)行，空氣閥Ⅱ打開，空氣閥Ⅰ和風(fēng)道閥關(guān)閉．這種模式下由空氣閥Ⅱ處進(jìn)入的低溫空氣被太陽能空氣集熱器升溫后，直接由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入待供熱房間．

模式 3：當(dāng)白天陽光較弱，太陽能空氣集熱器收集的熱量不能滿足室內(nèi)供熱需求時(shí)，則風(fēng)機(jī)Ⅰ和風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅱ打開，空氣閥Ⅰ和風(fēng)道閥關(guān)閉．這種模式下由空氣閥Ⅱ處進(jìn)入的低溫空氣與來自蓄能箱的熱空氣混合后，進(jìn)入太陽能空氣集熱器被進(jìn)一步升溫到要求溫度，由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入需供熱的房間．

模式 4：當(dāng)陰天、雨雪天或晚間，太陽能空氣集熱器難以收集熱量時(shí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)Ⅰ和風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ、空氣閥Ⅱ和風(fēng)道閥均打開．這種模式下由空氣閥Ⅱ處進(jìn)入的低溫空氣與來自蓄能箱的熱空氣混合得到適宜溫度的空氣，一部分由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入房間供熱，另一部分由風(fēng)機(jī)Ⅱ再送入蓄能箱吸收蓄能介質(zhì)的熱量．

模式 5：當(dāng)無陽光照射且蓄能箱中蓄能介質(zhì)的溫度下降而無法為房間提供充足熱量時(shí)，熱泵壓縮機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)Ⅰ和風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ和風(fēng)道閥打開，空氣閥Ⅱ關(guān)閉．這種模式下由風(fēng)機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)空氣在蓄能箱與換熱器Ⅱ之間循環(huán)流動(dòng)，空氣從蓄能介質(zhì)中吸熱，再放熱給換熱器Ⅱ中的熱泵工質(zhì)；熱泵工質(zhì)則沿壓縮機(jī)→電磁閥Ⅰ→換熱器Ⅰ→節(jié)流閥→換熱器Ⅲ→電磁閥Ⅱ→換熱器Ⅱ→壓縮機(jī)的路線進(jìn)行循環(huán)，將換熱器Ⅱ所吸收的熱量升溫后由換熱器Ⅰ放出；由空氣閥Ⅰ處進(jìn)入的低溫空氣由風(fēng)機(jī)Ⅰ吹送流過換熱器Ⅰ，在換熱器Ⅰ處被加熱至適當(dāng)溫度后再送入需熱房間．

模式 6：當(dāng)蓄能箱中蓄能介質(zhì)的溫度降至較低溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)Ⅱ停止，風(fēng)機(jī)Ⅲ啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)Ⅰ和壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，空氣閥Ⅰ保持開啟．這種模式下熱泵工質(zhì)的循環(huán)路線與模式 5相同，不同之處是：熱泵是通過室外換熱器(即換熱器Ⅲ)從室外的環(huán)境空氣中吸熱，通過熱泵升溫后通過換熱器Ⅰ放出；由空氣閥Ⅰ處進(jìn)入的低溫空氣由換熱器Ⅰ加熱至適當(dāng)溫度后送入房間．

2 夏季供冷分析

空氣集熱器太陽能熱泵用于夏季供冷時(shí)，其部件及結(jié)構(gòu)與冬季供熱時(shí)相同，但此時(shí)電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ關(guān)閉，電磁閥Ⅲ、電磁閥Ⅳ打開，熱泵工質(zhì)的流動(dòng)方向是沿壓縮機(jī)→電磁閥Ⅳ→換熱器Ⅲ→節(jié)流閥→換熱器Ⅰ→電磁閥Ⅲ→換熱器Ⅱ→壓縮機(jī)．

根據(jù)室內(nèi)設(shè)定溫度、室外空氣溫度的情況，以及當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)政策[5]，該裝置在夏季供冷時(shí)可有如下 5種運(yùn)行模式：

模式 1：室外空氣溫度低于室內(nèi)設(shè)定溫度較多時(shí)(如相差 5,℃以上)，則風(fēng)機(jī)Ⅰ、風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ、空氣閥Ⅱ、風(fēng)道閥均打開．此時(shí)低溫空氣一部分由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入室內(nèi)供冷，一部分由風(fēng)機(jī)Ⅱ送入蓄能箱使蓄能介質(zhì)降溫，實(shí)現(xiàn)蓄冷．

模式 2：當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)設(shè)定溫度但相差不太大時(shí)(如 2～5,℃)，僅風(fēng)機(jī)Ⅰ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ打開．此時(shí)低溫室外空氣直接由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入需供冷的房間，將房間溫度控制在設(shè)定值．

模式 3：當(dāng)室外空氣溫度較高(與室內(nèi)設(shè)定溫度相近，或高于室內(nèi)溫度)，而用戶處有峰谷電價(jià)政策時(shí)，可在谷值電價(jià)時(shí)段利用熱泵為房間供冷并同時(shí)用蓄能箱蓄冷，即壓縮機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)Ⅰ、風(fēng)機(jī)Ⅱ、風(fēng)機(jī)Ⅲ運(yùn)行，空氣閥Ⅰ、空氣閥Ⅱ、風(fēng)道閥均打開．此時(shí)熱泵從換熱器Ⅰ和換熱器Ⅱ中吸熱制冷，并通過換熱器Ⅲ將熱量排向室外，熱泵工質(zhì)沿壓縮機(jī)→電磁閥Ⅳ→換熱器Ⅲ→節(jié)流閥→換熱器Ⅰ→電磁閥Ⅲ→換熱器Ⅱ→壓縮機(jī)的路線進(jìn)行循環(huán)．風(fēng)機(jī)Ⅰ吹送空氣經(jīng)換熱器Ⅰ制冷降溫后送入房間；風(fēng)機(jī)Ⅱ吹送空氣經(jīng)換熱器Ⅱ制冷降溫后送入蓄能箱，冷卻蓄能介質(zhì)實(shí)現(xiàn)蓄冷．

模式 4：當(dāng)室外空氣溫度較高且為非谷值電價(jià)時(shí)段，而蓄能箱中蓄能介質(zhì)溫度較低時(shí)，可由蓄能介質(zhì)為室內(nèi)供冷．此時(shí)風(fēng)機(jī)Ⅰ和風(fēng)機(jī)Ⅱ運(yùn)行，空氣閥Ⅱ和風(fēng)道閥打開，空氣閥Ⅰ關(guān)閉，被蓄冷介質(zhì)降溫的空氣與適量由空氣閥Ⅱ進(jìn)入的空氣混合后，由風(fēng)機(jī)Ⅰ送入房間．

模式 5：當(dāng)蓄能箱中蓄能介質(zhì)溫度逐漸升高，無法滿足房間的需冷量時(shí)，則啟動(dòng)熱泵為房間供冷，即壓縮機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)Ⅰ、風(fēng)機(jī)Ⅲ運(yùn)行，風(fēng)機(jī)Ⅱ停止，空氣閥Ⅰ打開，空氣閥Ⅱ關(guān)閉，熱泵工質(zhì)的循環(huán)路線與模式3相同，熱泵通過換熱器Ⅰ將空氣閥Ⅰ處進(jìn)入的空氣冷卻降溫后送入房間，并通過換熱器Ⅲ將熱量排向室外．

3 裝置的性能分析

以北方某城市一套面積為 S＝200,m2的樓房為例，設(shè)[6]夏季時(shí)空調(diào)負(fù)荷為 qR＝0.1,kW/m2，空調(diào)季為DR＝90,d，每天平均使用空調(diào)時(shí)間 HR＝10,h(其中谷值電價(jià)時(shí)段HRG＝3,h，峰值電價(jià)時(shí)段為HRF＝7,h)；冬季供熱負(fù)荷為 qH＝0.05,kW/m2，供熱季為 DH＝120,d，每天供熱時(shí)間 HH＝24,h．

3.1 夏季供冷分析

參考常規(guī)空調(diào)的工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，取[6]常規(guī)空調(diào)的制冷系數(shù)COPR＝3.0，則空調(diào)耗電功率為

一個(gè)空調(diào)季的總耗電量為

設(shè)[5]谷值電價(jià)為 PEG＝0.401,8 元/(kW·h)，峰值電價(jià)為 PEF＝1.236,8元/(kW·h)，則一個(gè)空調(diào)季的耗電費(fèi)用為

設(shè)本文裝置在夏季供冷時(shí)的制冷系數(shù)也為COPR＝3.0，且平均每天以模式 2供冷 2,h，模式 3供冷 3,h，模式 4供冷 3,h，模式 5供冷 2,h，并設(shè)蓄能箱中冷量均由模式 3制取，風(fēng)機(jī)功耗不計(jì)(與壓縮機(jī)功耗相比，風(fēng)機(jī)功耗很低，為簡化分析計(jì)算，此處未計(jì)入)．常規(guī)空調(diào)供冷時(shí)均需壓縮機(jī)工作，本文裝置供冷時(shí)，每天10,h中有2,h是按模式2運(yùn)行，此時(shí)機(jī)組僅風(fēng)機(jī)工作，耗能極少，故比常規(guī)空調(diào)節(jié)電約 20%，供冷耗電費(fèi)用為

可降低耗電費(fèi)用約50%．

3.2 冬季供熱分析

冬季供熱負(fù)荷為

常規(guī)燃煤集中供熱時(shí)，取[7]鍋爐效率 η＝0.7，煤的熱值qC＝24,MJ/kg，則一個(gè)供熱季的耗煤量為

設(shè)常規(guī)燃煤集中供熱的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)為 PCA＝25元/m2，則一個(gè)供熱季的費(fèi)用為CHA為

采用本文裝置時(shí)，設(shè)[1]每天太陽能供熱時(shí)間為6,h，蓄能供熱時(shí)間為 6,h(蓄能熱量均來自太陽能)，熱泵供熱 12,h，熱泵供熱的制熱系數(shù) COPH＝3.5(當(dāng)裝置完全無熱損失時(shí)，制熱系數(shù) COPH＝COPR+1＝4.0，考慮到實(shí)際機(jī)組中熱損失不可避免，此處取COPH＝COPR+0.5＝3.5)，不計(jì)風(fēng)機(jī)耗電，則熱泵供熱的耗電功率為

一個(gè)供熱季的耗電量為

取[8]我國發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為 RCE＝0.35,kg/(kW·h)，則熱泵耗電的折合煤量為

即空氣集熱器太陽能熱泵供熱的耗能量約為常規(guī)燃煤集中供熱的23%．

設(shè)[7]電價(jià)為 PE＝0.808,3元/(kW·h)，則一個(gè)供熱季的耗電費(fèi)用為

即空氣集熱器太陽能熱泵供熱的費(fèi)用約為常規(guī)燃煤集中供熱的67%．

4 結(jié) 語

基于空氣集熱器的太陽能熱泵供熱供冷裝置在夏季供冷季可比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)電約 20%，降低能源費(fèi)用約 50%；在冬季供熱季其耗能量約為常規(guī)燃煤集中供熱的 23%，費(fèi)用約為常規(guī)燃煤集中供熱的 67%．該裝置用一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷兩種功能，與傳統(tǒng)的空調(diào)和燃煤集中供熱模式相比，節(jié)約能源和降低運(yùn)行費(fèi)用的效果顯著．

進(jìn)一步應(yīng)就裝置的部件優(yōu)化、動(dòng)態(tài)特性及調(diào)控參數(shù)等進(jìn)行更深入的分析與研究，使該裝置的設(shè)備投資與傳統(tǒng)供熱供冷裝置相近，降低其投資回收期．

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