基于相变储能的太阳能空气源热泵系统的研究

2021-02-27孙誉桐蒋绿林范文英

可再生能源 2021年2期

孙誉桐，蒋绿林，范文英

（常州大学动力工程学院，江苏常州 213016）

0 引言

国际能源署指出，建筑能耗约占世界终端能耗总量的35%，建筑业是最大的终端用能部门[1]。在我国，建筑能耗约占社会终端能耗总量的30%，其中，农村建筑能耗占全国建筑能耗总量的37%[2]，[3]。因此，在未来的发展中，降低建筑能耗是社会发展的必然趋势，也是未来节能研究的重点方向。

Jordan 首先提出了太阳能与热泵联合运行的理念，并指出这种方式能够有效提高系统的整体性能[4]。国内众多研究者也对太阳能热泵系统进行了大量研究。李晓磊设计了太阳能系统与低温热回收空气源热泵相结合的供暖系统，该系统以太阳能作为低温热源，对与热泵蒸发器串联的蓄热水箱进行加热，然后以蓄热水箱作为低温热源，并利用低温热回收空气源热泵对室内进行供暖[5]。杨永鲁实时监测供回水温度、室内温度、环境温度和系统能耗等数据变化情况。由监测结果得知，空气源热泵联合太阳能系统供暖时，室内温度明显高于单一系统供暖，并且室内温度稳定[6]。周璇通过监测并联式太阳能空气源热泵热水系统，各类因素的动态变化情况，优化了运行控制策略，从而达到降低能耗的目的[7]。蒋俊卿将太阳能热泵低温辐射地板供暖系统与燃气、燃油小区供暖系统进行经济性对比，根据对比结果得知，太阳能热泵低温辐射地板供暖系统更经济实惠，具有较大的市场潜力[8]。

上述研究虽然较好地解决了太阳能热泵受天气变化导致不能连续供暖的问题。但在夜间，以空气源热泵为主的供暖方式，必然增加系统耗电量，特别是严寒地区，由于蓄热水箱的储能有限，又没有稳定的低温热源，导致太阳能热泵性能明显降低，影响供暖的舒适度。傅杰将太阳能热泵系统与相变储能箱相结合，以缓解电加热供暖方式费用高、能耗高的问题[9]。韩兴超提出了一种储能瓦片，提高了太阳能的综合利用率[10]。

本文设计的基于相变储能的太阳能空气源热泵系统，在以太阳辐射能作为热源的同时，利用相变储能材料相变潜热值高、相变点稳定的特点，通过独特设计的储能冷凝器，实现白天储能、夜间“免费”供暖，极大减少能耗，提高太阳能利用率。这样既弥补了太阳能热泵的不稳定性，提高了空气源热泵的低温性能，减少化石燃料使用量，实现了节能环保，又最大限度地利用了太阳能和空气能[11]。

1 系统原理及控制

基于相变储能的太阳能空气源热泵系统原理图如图1 所示。

图1 基于相变储能的太阳能空气源热泵系统原理图Fig.1 Schematic diagram of solar air source heat pump system based on phase change energy storage

由图1 可知，太阳能空气源热泵系统主要由太阳能集热蒸发器、压缩机、空气源管翅式换热器、储能冷凝器、电子膨胀阀、水泵和供暖末端组成。太阳能空气源热泵系统利用无机相变蓄热材料的相变过程实现热量的释放和储存。当太阳光照强度良好时，液态制冷剂在太阳能集热蒸发器或空气源管翅式换热器中吸收热量变成气态，气态制冷剂经压缩机绝热压缩后变成高温高压的过热状态，气态制冷剂在储能冷凝器中放出热量变为液态，释放出的冷凝热一部分用于室内供暖，另一部分存储在相变储能材料中。冷凝后的液态制冷剂通过电子膨胀阀节流后，再次进入太阳能集热蒸发器或空气源管翅式换热器，如此循环往复。夜间，储能冷凝器持续放热，为室内供暖；阴雨雪天气时，空气源热泵辅助供暖；结霜时，储能冷凝器作为稳定的低温热源，快速除霜，稳定室内温度。

储能冷凝器在整个过程中的作用：一方面，储能冷凝器起到调节太阳能空气源热泵系统能量分配的作用，解决太阳能利用与实际需求不匹配的问题，将富余热能转移到夜间供暖使用，减少夜间供暖时系统的耗电量；另一方面，储能冷凝器作为调节能量分配的载体，存储了太阳能空气源热泵系统运行工况良好时的富余热量，作为在空气源热泵除霜时的低温热源，解决太阳能空气源热泵系统除霜时间长，运行不稳定的问题，保证太阳能空气源热泵系统高效、稳定地运行。

太阳能空气源热泵系统有4 种运行模式。通过检测太阳能集热蒸发器板芯温度Tp、室外环境温度Tj、室内环境温度Ti、室外空气相对湿度φ 和空气源管翅式蒸发器翅片温度Tx等参数的变化情况控制电磁阀等，从而实现运行模式的切换。太阳能空气源热泵系统运行模式如下。

①太阳能热泵模式：当Tp-Tj＞5 ℃时，太阳能空气源热泵系统启动太阳能热泵，电磁阀3 开启，四通换向阀Ⅰ→Ⅱ，Ⅳ→Ⅲ，其余电磁阀关闭。

②空气源热泵模式：当同时满足Tp-Tj≤5 ℃和Ti＜18 ℃时，太阳能空气源热泵系统启动空气源热泵，电磁阀1，2 开启，四通换向阀Ⅰ→Ⅲ，Ⅰ→Ⅱ，其余电磁阀关闭。

③储能供暖模式：当同时满足Tp-Tj≤5 ℃和Ti≥18 ℃时，太阳能空气源热泵系统启动储能供暖模式，电磁阀1，2，3 都处于关闭状态，此时压缩机停止做功。

④储能除霜模式：当同时满足Tx＜0 ℃，φ≥65%和tmin≥50 时，太阳能空气源热泵系统开启储能除霜模式，电磁阀1，2 开启，四通换向阀Ⅱ→Ⅲ，Ⅰ→Ⅳ，其余电磁阀关闭。

2 实验平台

以石家庄农村地区某套“煤改电”居民住宅为研究对象，住宅建筑面积为75 m2，住宅层高为2.8 m，安装现场图如图2 所示。

图2 安装现场图Fig.2 Picture of installation site

冬季，采暖室内设计温度为18 ℃，有效日照时间为8：00-16：00，供暖末端为地板辐射采暖。经逐时负荷计算，8：00-16：00 总热负荷为129.33 MJ；16：00-次日8：00 总热负荷为342.66 MJ。

本实验平台中，太阳能空气源热泵系统实验装置包括上海日立WHP19460DCC 型转子式压缩机、24 片平板型太阳能集热蒸发器、换热面积为9.21 m2的空气源管翅式换热器、电子膨胀阀和储能冷凝器。其中，储能冷凝器填充了常州海卡公司的47 ℃无机相变储能材料Ca（NO3）2作为相变储能材料，相变潜热为252.6 kJ/kg，密度为1 900 kg/m3。太阳能空气源热泵系统实验测试仪器包括TBQ-2L 型太阳辐照仪、美控MIK5000A 型无纸记录仪、常州金艾联JK-16U 型多路巡检仪、中环天仪LWY-25C 型涡轮流量计、长沙威胜DSSD331 型三相三线制电能表和HC2-S 型温湿度探头，温湿度探头的精度为±0.8%RH/±0.1 ℃。

3 实验及结果分析

为了验证太阳能空气源热泵系统供暖的有效性，本文分别对白天太阳能热泵模式、夜间储能模式和极端条件下空气源热泵模式进行分析。

3.1 实验数据处理

储能冷凝器中相变储能材料的蓄热量Qpcm的计算式为

式中：k 为储能装置的热效率；mpcm为相变储能材料的质量，kg；Tt为相变温度，K；Tm1，Tm2分别为相变储能材料温度的上限和下限，K；cs为相变储能材料固相比热容，kJ/（kg·℃）；cL为相变储能材料液相比热容，kJ/（kg·℃）；λ 为相变潜热，kJ/kg；ρ为相变储能材料的密度，kg/m3。

太阳能热泵系统的能效比COP 的计算式为

式中：Qs为太阳能热泵系统的制热量，kW；Ws为太阳能热泵系统的能耗，kW。

蓄热水箱体积V 的计算式为

式中：Q 为水的蓄热量，kJ；c 为水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρ 为水的密度，kg/m3；t1，t0分别为水的最终温度和初始温度，℃。

消耗标准煤的质量Qm的计算式为

式中：Qj为太阳能空气源热泵的供热量，MJ；qm为标准煤的热值，取29.3 MJ/kg；ηm为燃煤锅炉的热效率，取65%。

3.2 实验结果

3.2.1 太阳能热泵模式

图3 为太阳能空气源热泵系统COP 和室内温度随时间的变化情况。

图3 太阳能空气源热泵系统COP 和室内温度随时间的变化情况Fig.3 Changes of COP and indoor temperature of solar air source heat pump system over time

由图3 可知，白天太阳能热泵运行时，太阳能空气源热泵系统COP 的波动情况基本与太阳辐照度的变化情况一致，维持在4.5～5.2，平均值为4.92。在12：00-13：00 时，太阳能空气源热泵系统COP 的最大值为5.19，与蓄热水箱相比，COP 提升约23.9%，节能效果十分显著。室内温度由14 ℃上升到22.5 ℃，完全满足供暖需求。

白天，太阳能热泵热量随时间的变化情况如图4 所示。

图4 白天，太阳能热泵热量随时间的变化情况Fig.4 Daytime heat changes of solar heat pump over time

白天，太阳辐照良好时，太阳能空气源热泵系统有效供热量（为557.17 MJ）低于太阳能热泵制热量（为623.45 MJ），能量不匹配的原因如下：①储能冷凝器的热效率为0.91，蓄热过程中，太阳能空气源热泵系统会逸散一部分热量； ②供暖过程中，太阳能空气源热泵系统中管路存在散热情况；③实验过程中，仪器测量过程存在误差。太阳能空气源热泵系统有效供热量的31.4%用于室内供暖，富余的68.6%存储在储能冷凝器中。综上所述，在保证室内供暖的前提下，储能冷凝器存储了富余的太阳能。

3.2.2 储能模式

夜间，储能冷凝器各项温度参数和室内温度随时间的变化情况如图5 所示。

图5 夜间，储能冷凝器各项温度参数和室内温度随时间的变化情况Fig.5 At night， changes of temperature parameters of the energy storage condenser and indoor temperature over time

由图5 可知，储能冷凝器内部的相变储能材料在18：00 达到相变点（相变温度为47 ℃），直至次日6：30 这段时间相变温度十分稳定。储能冷凝器平均出水温度为42 ℃，储能冷凝器平均进水温度为38.3 ℃，储能冷凝器供、回水温差约为5℃，储能冷凝器整晚释放热量为352.496 MJ，占白天储能冷凝器蓄热量的92.2%。

由图5 还可以看出，供暖初期，室内温度明显高于18 ℃，室内温度经历先上升、后缓慢降低、再逐渐趋于平稳的过程，整个供暖过程，室内平均温度约为20 ℃。通过分析可知，储能冷凝器放热时，释放出的热量超过了供暖房间的热负荷需求，即储能冷凝器释放热量未能与供暖房间负荷完全匹配，这样不仅使室内温度过高，造成了热量浪费，又缩短储能冷凝器放热持续时间。针对此问题，本文在太阳能空气源热泵系统中安装了温度控制装置，当室内温度达到设定值时，切断用户侧供水，待到室内温度低于设定值时，再恢复供水，达到延长太阳能空气源热泵系统供暖时间的目的。

3.2.3 空气源热泵和储能除霜模式

当连续阴雨雪天时，太阳辐射能不足以使太阳能热泵运行时，太阳能空气源热泵系统运行模式切换到空气源热泵模式；对于结霜问题，本文基于储能冷凝器提出的新型的储能除霜模式，即利用储能冷凝器作为除霜时的低温热源，该模式未使用室内热量稳定空气源热泵运行，减少除霜时间，快速稳定室内温度。 0：00-2：00 时，室外温度较低，空气相对湿度较大，此时较不利于空气源热泵供暖。

图6 为太阳能空气源热泵系统制热量和室内温度随时间的变化情况。

图6 太阳能空气源热泵系统制热量和室内温度随时间的变化情况Fig.6 Changes of the heating capacity of heat pump system and changes of indoor temperature over time

由图6 可知，太阳能空气源热泵系统制热量呈周期性变化，最大下降量约为该系统制热量的30%，这是由该系统结霜导致的。室内温度一直维持在19 ℃左右，并且温度波动范围极小，这是由于储能除霜模式快速除霜，使太阳能空气源热泵系统迅速恢复供暖。太阳能空气源热泵系统COP均值为2.12。运行结果表明，极端气候情况下，太阳能空气源热泵系统运行性能较优越。

3.3 储能效果

储能冷凝器既承担换热器的作用，又具有存储富余的换热量的作用。图7 为储能冷凝器装置示意图。

图7 储能冷凝器装置示意图Fig.7 Schematic diagram of energy storage condenser device

由图7 可知，储能冷凝器左侧连接的是氟盘管，右侧连接的是水盘管，两者交替排布，其余位置填充无机相变储能材料。由式（1），（3）计算可知，相同蓄热量情况下，相变储能材料体积为0.695 m3，相变储能材料重量为1.32 t，相比蓄热水箱，相变储能材料体积减小92.3%，相变储能材料重量减轻83.5%。综上所知，相变储能材料蓄热能力较好，并且相变储能材料的固液相变温度十分稳定，方便控制和管理，实现恒温调节。

3.4 经济环保效益

石家庄地区的供暖期约为120 d，晴天约为85 d，阴雨雪天约为30 d，极端气候天气约为5 d，按照当地柴油、天然气和电的价格分别为6元/kg，2.2 元/m3，0.5 元/（kW·h）估算，太阳能空气源热泵系统一个供暖季的运行费用约为2 241元，仅占燃油锅炉运行费用的25.5%、燃气锅炉运行费用的55.4%、电锅炉运行费用的27.1%、空气源热泵运行费用的65.6%、联合供暖系统运行费用的88.7%。虽然，太阳能空气源热泵系统的初投资相对较高，但系统的运行费用较低，经济效益明显。

此外，本文通过折合标准煤的消耗量分析太阳能空气源热泵系统的环保效益。整个供暖期，太阳能热泵的总供热量为46 750 MJ，总耗电量为3 175.48 kW·h，经式（4）计算得到，相同的供热量对应消耗2.455 t 标准煤，相同耗电量对应消耗0.6 t 标准煤，太阳能空气源热泵系统每年可节省标准煤1.855 t。耗煤量的减少，促使CO2，SO2和可吸入颗粒物等污染物的排放量减少，符合节能减排的要求，改善我国的空气质量。