蓄热型空气式太阳能集热-空气源热泵复合供暖系统在寒冷地区的应用研究*

2021-04-08上海理工大学李亚伦李保国上海筑能环境科技有限公司苏树强肖洪海

暖通空调 2021年2期

上海理工大学李亚伦李保国上海筑能环境科技有限公司苏树强肖洪海

0 引言

随着我国经济的快速发展，能源危机和环境污染问题日趋严重[1-2]。为此，国家“十三五”能源规划提出大力促进清洁能源利用。在我国寒冷地区，受年均供暖时间长、供暖季环境温度低、建筑热负荷较大等因素的影响，太阳能、地热能和空气能等清洁能源的应用推广受到限制，目前仍以燃煤供暖为主，越来越不适合社会可持续发展的要求。研究适用于寒冷地区的清洁能源供暖方式成为热点[3-5]。

太阳能热泵供暖技术将太阳能和空气源热泵结合，既弥补了太阳能供暖技术受天气影响的不足，又可改善热泵性能，相对于传统供暖方式，对节能减排具有重要作用[6]。为充分利用太阳能，提高太阳能热泵系统的供热稳定性，傅杰等人建立了相变蓄能太阳能热泵试验台，研究发现，在晴天工况下热泵关闭后，相变蓄能罐仍可满足室内7 h的供暖需求[7]。Youssef等人对带有相变蓄能换热箱的混联式太阳能热泵系统进行了研究，发现其与无蓄能箱的太阳能热泵系统相比，晴天和阴雨工况下的COP分别高6.1%和14%[8]。Diallo等人设计了一种具有相变蓄热功能的三通换热器，将其应用在太阳能热泵系统中，使其综合能效提高了28%[9]。Plytaria等人通过仿真的方法研究了相变材料对太阳能热泵地板供热系统的影响，发现相变材料的应用可有效减小建筑的热负荷，热泵能耗可降低42%～67%[10]。太阳能热泵系统在寒冷地区运行时会出现制冷系统压缩机频繁启停、制热量严重衰减、热水温度受限等问题[11]。夏洪涛[12]、韩宗伟等人[13]提出设立地下蓄热水池，利用土壤的保温能力，将夏季多余的太阳能储存，用于冬季室内供暖，实验发现，在环境温度为-25 ℃时，系统仍可满足供暖需求，但该系统存在人工费用较高、占地面积较大、水面蒸发导致漏热等不足。刘寅等人设计了带有肋片-套管复合式换热器的太阳能热泵系统，发现当环境温度低至-15 ℃时,与空气源热泵相比，其COP和制热量均可提高45%左右[14]。吴启任等人将喷射器应用到太阳能-空气源热泵系统，研究发现，在蒸发温度为-30 ℃时，该系统可产生3.5 kW的制热量，COP可达3.2[15]。刘业凤等人通过仿真分析得出了带有喷射器的太阳能热泵系统性能优于常规热泵系统的结论[16]。Chen等人提出了一种直膨式太阳能辅助喷射-压缩热泵系统，研究表明，该新型系统比传统空气源热泵系统COP提升25.07%[17]。Li等人通过仿真分析发现，喷射式-复叠太阳能热泵系统在低温环境下的性能得到显著改善[18]。Fine等人设计了一种新型光伏复叠热泵热水系统，研究发现，与单级热泵系统相比，年均热量输出提升37%～68%[19]。Chaturvedi等人对直膨式复叠热泵系统的研究发现，复叠系统所需要的集热器面积更大，制热性能得到显著提升，可用于产生60～90 ℃的高温热水[20]。

本文设计了一种新型的蓄热型空气式太阳能集热-空气源热泵复合供暖系统(以下简称空气式太阳能热泵供暖系统)，太阳能可直接加热循环水为室内供暖，也可为热泵蒸发器提供热量，通过对热能的梯级利用，实现对室内全天候高效供暖。在内蒙古通辽市对该系统进行了实验测试，研究了该系统在低温环境下的供暖效果和运行稳定性，分析了其经济效益和社会效益，旨在为太阳能热泵供暖技术的发展提供参考。

1 空气式太阳能热泵供暖系统设计

1.1 整体方案设计

空气式太阳能热泵供暖系统由太阳能集热系统、热泵系统及水循环系统组成。该系统有3种工作模式：太阳能供热模式、太阳能辅助热泵供热模式及热泵供热模式，工作原理如图1所示。在太阳能辐照度满足室内供暖需求时，太阳能供热模式启动，空气在风机驱动下通过进风联箱进入真空管，在真空管内吸热升温后经出风联箱导出，在换热器中加热循环水向室内供热，与此同时，设置在真空管中的相变蓄能芯储存多余的太阳能，当太阳辐照度减弱时，相变蓄能芯放出热量加热空气，可保证供热的稳定性。当太阳能辐照度衰减至300 W/m2以下时，真空管的有效得热量为零，相变蓄能芯储存的热量用于向室内供热，延长太阳能供热时间，提高太阳能利用率；当相变蓄能芯的温度低于设定温度时，启动空气源热泵，由相变蓄能芯为热泵蒸发器提供热量，以保证室内供暖的连续性。在夜晚或阴雨天无太阳能时，启动热泵供热模式为室内供热。在系统供水回路上设有电加热器，在恶劣工况下，电加热器作为辅助热源，保证用户的舒适度。随着热泵系统的运行，当蒸发温度低于空气的露点温度时，在蒸发器表面会出现结霜现象，通过调节电动三通阀，将回水直接通往汽-水换热器，利用回水余热加热集热器内的循环空气，对热泵蒸发器进行除霜，以保证系统高效运行，除霜期间，启动电加热保证室内连续供暖的需求。

1.太阳能集热器；2.汽-水换热器；3.风机；4.电动风阀；5.肋片式蒸发器；6.热力膨胀阀；7.干燥过滤器；8.壳管式冷凝器；9.压缩机；10.气液分离器；11.电动三通阀；12.水泵；13.膨胀水箱；14.电加热器；15.电磁流量计；16.散热器；17.风机盘管；t为测温点处的温度；p为测压点处的压力。图1 空气式太阳能热泵供暖系统原理图

1.2 空气式太阳能集热器设计

传统的太阳能集热器大都以水为传热介质，需设置水箱储存太阳能，存在水垢堵塞、冻裂、泄漏等隐患，为此研发了空气式太阳能集热器，如图2所示。该太阳能集热器由双通螺旋真空管、相变蓄能芯、进风联箱、出风联箱组成。该集热器以空气为传热介质，可避免出现结垢、堵塞及充注液泄漏引起的污染和腐蚀等问题，延长集热器的使用寿命；将太阳能真空管改进为双通直流结构，且将真空管末端设计成螺旋结构，可以防止真空管因热胀冷缩引起的炸裂问题，提高集热器的安全性；在真空管内放置相变蓄能芯，在太阳辐射较强时储存多余的热量，在太阳辐射不足时释放热量，减小集热器内部的温度波动，起到削峰填谷的作用，可以提高太阳能利用率和供热稳定性。相变蓄能芯由铝管封装相变蓄能材料而成，蓄能材料为一种复合型无机盐，熔点为100 ℃，凝固点为54.5 ℃。

图2 空气式太阳能集热器结构示意图

1.3 运行模式及控制逻辑设计

控制系统通过检测各测温点(如图1所示)温度参数，实现各运行模式的自动转换。控制逻辑如图3所示，当室内温度t9<20 ℃时，控制系统开始检测太阳能辐照度和集热器内部温度t1，若太阳能充足，集热器内部温度t1>80 ℃，则由太阳能单独供热满足室内供暖需求，风阀和热泵机组关闭，风机和水泵启动，调节电动三通阀，由循环水通过汽-水换热器吸收太阳能热量为室内供热，供水温度t4>50 ℃时，风机关闭，供水温度t4<45 ℃时，风机开始运行为室内供热；若集热器内部温度t1<70 ℃，则热泵机组启动，调节电动三通阀，使循环水经冷凝器吸收热量给室内供热，此时为太阳能辅助热泵供热模式；若集热器内部温度t1<环境温度t10，则打开电动风阀，热泵吸收环境中的热量为室内供热，供水温度t4<42 ℃时，热泵不能满足室内的热量需求，电加热启动，供水温度t4>45 ℃时，电加热关闭。当热泵系统蒸发器温度t6<-13 ℃时，热泵机组蒸发器出现较厚霜层，热泵机组关闭，电加热启动，调节电动三通阀，利用回水余热对热泵蒸发器进行除霜；当蒸发器温度t6>20 ℃时，除霜完成，压缩机重新启动，电加热关闭。

2 空气式太阳能热泵供暖系统应用

在内蒙古通辽市对空气式太阳能热泵供暖系统进行了应用研究。通辽市太阳能资源属于Ⅱ(A)类地区，全年太阳总辐射为4 896～5 502 MJ/m2，年平均日照时间在2 800 h以上。通辽市的供暖时间为每年10月20日至次年4月20日，共计180 d，供暖期内日均辐照量为16.075 MJ/(m2·d)，日均日照时间为7.52 h，供暖期平均气温为-5.1 ℃，设计室内温度为20 ℃。

采用空气式太阳能热泵供暖系统代替原有的电锅炉为某建筑供暖。根据通辽市的气候特点，该系统由空气源热泵系统承担建筑的主要热负荷，太阳能集热器产生的热量作为热泵系统的主要低温热源，在无太阳能时，热泵系统也可从环境中吸取热量，电加热器作为辅助热源，保障室内供暖的连续性及舒适性。太阳能集热器、热泵系统及其辅助设备放置在屋顶，供暖末端采用散热器和风机盘管。建筑为通辽油库员工休息室，供暖面积为314.47 m2。

2.1 建筑负荷计算

该建筑属老旧单体建筑，需全天24 h供暖，墙体无保温措施，单个房间较大，且部分房间人流量较大，房门长时间开敞，供暖热负荷相对较大。考虑到建筑保温性能及当地气候条件，供暖热负荷指标Pn设计为80 W/m2。

图3 空气式太阳能热泵供暖系统控制逻辑图

系统总耗热量Q为

(1)

式中S为供暖面积，m2；h为供暖时间，h。

计算得该建筑供暖总耗热量Q为2 173.6 MJ/d。

2.2 主要部件选型

2.2.1太阳能集热器

建筑物供暖所需太阳能集热器总面积为

(2)

式中Ac为太阳能集热器面积，m2；f为太阳能保证率，取60%；Jt为供暖季日均辐照量，MJ/(m2·d)，取16.075 MJ/(m2·d)；ηcd为太阳能集热器集热效率，取46.5%；ηl为管路及贮热装置热损失率，取20%。

根据计算及系统管路要求，太阳能集热系统需为建筑提供白天12 h供暖所需的热量。设计并安装28台相变蓄能空气式太阳能集热器，每台集热器集热面积为4 m2，总集热面积为112 m2。

根据GB/T 50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》，太阳能系统全年使用时，集热器的安装倾角宜与当地纬度相等；偏重于冬季使用时，倾角应比当地纬度大10°。该项目太阳能集热器倾角取45°。

2.2.2空气源热泵

在阴雨气候条件下，空气源热泵需承担建筑全部热负荷，故热泵机组应根据建筑的最大供暖负荷25.15 kW进行选型。热泵机组的制热量Qh计算式为

Qh=qhK2K3

(3)

式中qh为空气源热泵的名义制热量，kW；K2为冬季热泵计算温度修正系数，取0.76；K3为机组化霜修正系数，每小时化霜1次取0.9，化霜2次取0.8。

计算得到所需热泵的名义制热量为36.78 kW，选取2台空气源热泵机组承担建筑的主要热负荷，压缩机额定制热量为21.2 kW，采用R507作为制冷剂，充注量为4.5 kg，其余各部件均与压缩机相匹配。

2.2.3其他部件选型

太阳能集热系统风机采用离心式风机，型号为CY180，轴功率为0.75 kW，最大风量为27 m3/min；水循环系统中设置膨胀水箱，容积为200 L，用于为水循环回路补水和缓解管路压力过高；水泵采用QDL型立式多级离心泵，输入功率为0.55 kW，额定流量为2.0 L/s；配置的辅助电加热的功率为18 kW，在恶劣气候条件下，保障室内供热。

3 实验结果分析

测试时间为2019年1月1日至3月31日，共计90 d。系统的主要参数如表1所示。1月环境温度波动较小，日平均温度维持在-15～-1 ℃，系统的日均耗电量约为318.84 kW·h，平均COP为3.52；2月环境温度显著降低，系统的日均耗电量相对于1月略有升高，COP减小，这是由于建筑热负荷增大，热泵制热量衰减，电加热运行比例增大；3月环境温度出现明显回升，系统的能耗减小，COP增大。

表1 系统运行参数

3.1 运行参数分析

系统的运行参数主要受环境温度影响较大，选取2019年2月19日至3月20日共30 d的运行数据(此期间的环境工况更接近于整个供暖季的平均水平)进行分析。环境温度波动如图4所示，日平均环境温度在-3.1～11.9 ℃之间，温度变化整体呈上升趋势。图5显示了日平均供、回水温度和室内温度变化，测试期间系统可产生平均温度为42.6 ℃的热水，整体呈现稳定趋势，室内温度随环境温度变化略有波动，可维持在21.3～24.1 ℃之间，平均为22.9 ℃，可满足建筑的供暖需求。

图4 测试期间日平均环境温度

图5 日平均供水、回水和室内温度随时间的变化

图6显示了测试期间系统日供热量和耗电量随时间的变化。系统日供热量和耗电量受环境温度影响较大，环境温度降低，建筑热负荷增大，系统供热量和耗电量增大；相反环境温度升高，建筑热负荷减小，系统供热量和耗电量降低。测试期间系统日均耗电量为263.9 kW·h，日均供热量为946.4 kW·h。

图6 系统日供热量和耗电量随时间的变化

图7显示了热泵系统和电加热器日供热量的占比，热泵日供热量占比在79.9%～92.7%之间，电加热器日供热量占比为7.3%～20.1%。热泵和电加热器的日供热量受气候条件的影响，在晴天太阳辐射较强时，太阳能集热器吸收太阳能产生的热能作为热泵系统的低温热源，可提高热泵系统的蒸发温度，改善其运行工况，热泵日供热量升高，电加热器运行时间缩短，系统能耗较低；在阴雨天无太阳能时，热泵系统吸收环境中的热能，运行工况不断恶化，制热量减小，电加热器运行时间延长，系统能耗增加。

图7 热泵和电加热器日供热量随时间的变化

图8显示了系统日平均COP随时间的变化，测试期间系统COP最大为4.3，最小为2.6，平均为3.6，系统整体能效较高，节能效果显著。系统运行30 d，总耗电量为7 918.6 kW·h，总共可为室内提供热量102.2 GJ，其中空气源热泵供热量为89.7 GJ，占总热量的87.8%，建筑单位面积耗热量为97.5 W/m2。

图8 系统日平均COP随时间的变化

3.2 经济与社会效益分析

该空气式太阳能热泵供暖系统已运行了一个供暖季，并未出现冻堵、炸裂和泄漏等问题，运行稳定可靠，可满足建筑的供暖需求。测试期间，系统可维持室内平均温度为22.33 ℃，日均耗电量为304.81 kW·h，平均COP为3.51。经济效益分析如表2所示，空气式太阳能热泵供暖系统的初投资较高，但年运行费用显著降低，且随着系统运行年限的增加，电供暖、燃煤锅炉及燃气锅炉系统会逐渐老化，供暖效率将逐渐降低，系统需要定期维护，使得运行费用逐年增加，空气式太阳能热泵供暖系统的优势将会更加显著。

表2 经济效益分析

空气式太阳能供暖热泵系统的回收期定义为相对于其他供暖系统增加的初投资除以每年节约的供暖费用。

(4)

式中n为投资回收期，a；Sic、Oic分别为空气式太阳能热泵供暖系统和其他系统(电供暖、燃煤锅炉和燃气锅炉)的初投资，万元；Soc、Ooc分别为空气式太阳能热泵供暖系统和其他系统的年运行费用，万元/a。

不计空气式太阳能热泵供暖系统的维护费用，且假定系统的使用寿命为15 a，与电供暖系统、燃煤锅炉供暖及燃气锅炉供暖系统相比，年运行费用可分别降低62.2%、49.1%、46.2%，回收期分别为4.7、9.8、10.3 a。

社会效益体现在系统整个供暖季节约的电能(折合成标准煤消耗量)，以及减少的温室气体和有害气体排放量，以此对所设计的太阳能热泵的性能进行综合评价。空气式太阳能热泵供暖系统节约的标准煤质量可通过下式计算：

(5)

式中mc为节约的标准煤质量，kg；Qj为空气式太阳能热泵供暖系统的节能量，MJ；qc为标准煤的热值，取29.3 MJ/kg；ηc为燃煤锅炉的热效率，取80%。

在测试期间，空气式太阳能热泵供暖系统总耗电量为27 218.8 kW·h，可为室内提供热量342.5 GJ，经计算得到，为建筑提供相同的热量所需的标准煤为14.6 t，系统的耗电量折合成标准煤为4.1 t，节省标准煤10.5 t。估算得到，该空气式太阳能热泵供暖系统在整个供暖季可节省标准煤21 t，当量减排CO254.6 t、粉尘0.31 t、SO20.51 t、NOx0.14 t，起到了保护环境的良好作用，节能减排效益突出。