小型太阳能/空气双热源热泵系统的应用分析

田芳 张少凡

南京理工大学能源与动力工程学院

0 引言

空气源热泵通过电能驱动，以空气为热源，吸收冬季室外空气中的低品位热能将其转化为较高品位热能，向室内供暖。在冬季室外气温不低于-5℃左右，建筑热负荷不大，而夏季气温较高、有制冷要求的地区，如长江中下游、华南、西南等地区，空气源热泵得到广泛的应用。而在华北、黄河流域等冬季室外较低的寒冷地区，建筑热负荷较大，且供暖时间长，空气源热泵的制热能效较低，其应用受到了制约。近年来空气污染治理的压力日趋加大，取代燃煤供暖的呼声越来越高，空气源热泵以其冷暖兼顾、环境友好、有节能效益等特点更加得到人们的关注，特别是在取代小型、分散式燃煤供暖方面，拥有独特的优势。但在寒冷地区应用时，空气源热泵存在以下几个问题：

1）室外气温的降低导致系统的蒸发压力降低，而机组的冷凝压力变化不大，导致压缩机的压缩比升高，压缩机的功耗增加。

2）压缩机压缩比的升高使得压缩机的输气量降低，从 而导致系统的循环制冷剂量减少，因此，热泵的制热效果变差。

3）蒸发器表面的结霜使得蒸发器的蒸发压力降低，导致压缩比进一步升高。

太阳能作为可再生能源，存在能流密度低，间歇性和不可靠性的缺点，但可以通过水箱将其热能蓄存起来。将太阳能与空气源热泵通过蓄热水箱结合组成系统，在兼顾提供生活热水的同时，可以提高系统的蒸发温度，从而弥补空气源热泵和太阳能的不足，同时可以向用户供生活热水，解决寒冷地区冬季环境温度较低时空气源热泵供暖能效比低的问题。该系统与传统的使用燃煤及单一空气源热泵供暖系统相比，减少了能耗及对环境的污染，并且系统性能有较大的提高。

1 太阳能/空气双热源热泵系统设计

1.1 空气源热泵系统

由于地域条件的限制，随着室外环境温度的变化，空气源热泵的制热量、能效比等也随之发生变化。冬季供暖时，空气源热泵系统的蒸发温度随室外温度的降低而下降，压缩机的制冷剂流量降低，导致系统的制热量降低，而室内热负荷随环境温度的降低而升高，当室外空气温度低于某一值时，系统供热量满足不了负荷要求，需要辅助加热。反之，室外温度升高时，空气源热泵系统的制热量增大，但室内热负荷降低，即系统的制热量与室内负荷为负相关关系[1]，这个温度值即为平衡点温度（见图1），其值取决于空气源热泵的制热性能，也决定了热泵和辅助热源的容量。

图1 空气源热泵供暖的系统特性

1.2 太阳能/空气双热源热泵供暖、供冷系统设计

系统（如图2）通过蓄热水箱将空气源热泵系统与太阳能集热器有机结合，水作为吸热介质在太阳集热器内通过单向流动吸收、输送太阳辐射能。其中蓄热水箱内置铜制单螺旋管，通过电磁阀与室外换热器并联，该换热盘管在冬季作为风冷蒸发器的补充，其蒸发压力，过热度等要与风冷蒸发器的工况相适应，因此，设计时需对应风冷蒸发器运行工况进行设计[2]。系统制冷和制热工况的转换由四通换向阀控制。系统设置两个热力膨胀阀，分别与室外换热器和蓄热水箱内置盘管相连[3]。由于热泵机组全年运行，且冬季需要除霜，所以在压缩机吸气管道上设置气液分离器。考虑到热泵系统冬季运行制备热水的温度范围，室内末端采用辐射供暖的方式，而夏季采用风机盘管供冷，水系统通过电磁阀进行切换。

图2 小型太阳能/空气源热泵系统图

1.3 太阳能集热水系统

太阳能集热系统由太阳能集热器，生活热水箱，蓄热水箱及其连接管路和附件组成。生活热水箱给用户提供生活热水，设计水温50 ℃，蓄热水箱内的热水则作为水源蒸发器的热源，与水箱内置换热盘管进行热量交换，因此为保证蒸发温度不过高，设计蓄热水箱内水温范围为10～30℃。生活热水箱与蓄热水箱垂直串联布置，生活热水箱置于上部，蓄热水箱在下部，中间用隔板将两者分开。

1.4 系统运行模式

1）蓄热模式。太阳能集热器通过电动三通阀与生活热水箱、蓄热水箱相连。太阳辐射充足时，关闭蓄热水箱侧，太阳能集热器加热生活热水至 50 ℃，当达到设定水温时，关 闭生活热水箱，打开蓄热水箱侧，加热蓄热水箱内水温至30℃。当太阳辐射不足时，可启动电加热器辅助加热。

2）制热模式。当室外温度较高或蓄热水箱内水温较低时，关闭水源蒸发器侧电磁阀9，利用空气源热泵制备热水向室内供热。当室外温度降低从而导致空气源热泵性能下降或蓄热水箱内温度较高时，关闭室外换热器侧电磁阀9，转 化为水源热泵模式运行。

3）制冷模式。太阳辐射充足时，关闭蓄热水箱侧，加热生活热水箱内的水温至50 ℃。同时，关闭蓄热水箱内置盘管侧电磁阀9，利用空气源热泵供冷。当太阳辐射不足、生活热水温度达不到 50 ℃时，可启动电加热器辅助加热。

2 太阳能/空气双热源热泵系统的节能优化

2.1 建筑负荷

本文选取北京某农村住宅，建筑总面积为122.1 m2，其围护结构如表1。

表1 住宅的围护结构

考虑朝向修正、冷风渗透等因素后，计算得综合负荷传热系数为1.92 W/(m2·℃)，单 位建筑面积的热负荷q（HW/m2）为：

式中：Tr为室内设计温度，℃；Ta为室外环境温度，℃。

室内设计温度取20 ℃，室外温度为Ta时的该建筑物热负荷为：

式中：Q为建筑热负荷，kW。

2.2 系统计算模型

选择国内某知名品牌空气源热泵机组样本进行参数拟合，得到制热模式下制热性能系数 COPa随室外温度Ta的变化关系式[4]：

空气源热泵制热量Qc,a与额定制热量Qe的关系式：

当系统以水源热泵模式运行时，制热性能系数COPw与水温的T（w℃）的 关系式[4]：

2.3 最佳切换温度的确定

切换温度是指确定热泵系统从空气源（水源）制热工况转换为水源（空气源）制热工况时对应的室外空气温度。定义最佳切换温度T（q℃）为使得太阳能/空气双热源热泵系统的供热季节性能系数（HSPF）最大时对应的温度。当某地区的气象参数、持续时间、机组特性已知时，辅助加热的启动及能耗只与环境温度有关，即HSPF是切换温度Tq（℃）的函数。则HSPF定义为：

随着切换温度的增加，所需的热泵制热量减少，辅助耗能量增加。表 2所示为不同切换温度下，系统的耗能及 HSPF值。并拟合得到 HSPF与切换温度Tq（℃）的关系式为：

表2 不同切换温度下系统的能耗及HSPF

图3 不同切换温度下系统的HSPF变化曲线图

因此得到最佳切换温度为-1～0 ℃，HSPF 值在2.49左右。

2.4 太阳能集热器及蓄热水箱的确定

根据太阳能集热器的性能在不同的使用条件下呈现的不同特点，本文选用全玻璃真空管集热器。根据文献[5]提出，集热器的放置角度等于当地纬度 39°57′，方向为正南。

根据北京地区一月份室外温度T（a℃）与时刻（h）的关系式：

得到不同切换时刻对应的集热器面积及蓄热水箱容积（表3）。

表3 不同切换时刻集热器面积及蓄热水箱的容积

根据得到的最佳切换温度，取在时刻 10.5 h 的蓄热水箱容积为3.459 m3，集热器面积为29.573 m2，取整为30 m2。该住户为四人家庭，按每人每天的用水量为60 L，则该住户所需生活热水箱容积为240 L，则水箱总的容积取为3.7 m3。

3 技术经济比较

将太阳能/空气双热源热泵与燃煤，燃气供暖方式进行经济对比如表4所示。

表4 不同运行方式费用对比

图4所示为三种供暖系统的静态初期投资和运行费用比较曲线。由图中可以看出，随着运行时间的增加，太阳能/空气双热源热泵系统运行节省的费用可弥补初投资多花的费用，且可以全年提供生活热水，为用户提供方便的同时节省了热水的费用。

图4 三种供热系统的静态初期投资和运行费用比较

4 总结

本文提出一种小型太阳能/空气双热源热泵系统，介绍了系统组成及运行模式，选取北京某乡村住宅，分析了系统在不同切换温度下的制热性能（HSPF）的变化规律，并得到系统最佳的切换温度点，结果表明，根据节能运行的原则，最佳切换温度为-1～0℃，对应的 HSPF值为2.49左右。选取最佳切换温度点，确定了太阳能集热器的面积和蓄热水箱的容量，并与传统的燃煤取暖炉、燃气热水供热装置进行经济对比分析，结果显示，该小型太阳能/空气双热源热泵系统随着运行时间的增加，经济性的优势愈加明显。该系统在保证了环保、节能的同时，具有良好的经济性。