低温环境复合热泵性能提升技术研究进展★

高昊天，苑 翔，季轩昂

(北方工业大学,北京 100144)

1 概述

低温环境下空气源热泵运行存在诸多问题,例如压缩机吸气比体积增大,输气系数减小,还会产生结霜,机组吸气量迅速下降,造成工质循环量减少,制热量降低,同时润滑油积存在气液分离器,还会造成压缩机缺油。研究发现随着环境温度的降低,空气源热泵排气温度会大幅度提升,工质的质量流量、制热量、输入功率均会下降,目前国内外有很多研究从不同角度出发来提升空气源热泵系统能效比。例如采用分级压缩、对系统进行补气增焓等方式,但这些技术都存在一定的限制条件和弊端。从换热器的结构特性角度分析,复合式热泵技术可有效提升系统性能,节能潜力巨大。

2 提升热泵性能的研究现状

2.1 传统热泵性能提升技术

目前应用较为广泛的几种热泵性能提升技术是复叠式技术、双级压缩技术、补气增焓技术。表1总结了几种技术在实际应用中的优势与劣势。

表1 改善低温空气源热泵技术的优缺点

2.2 热水式复合换热器

在2009年,周光辉[1-3]最早提出了新式复合换热器的概念,传统的换热器在低温环境下无法充分吸热,复合换热器由三部分组成,分别为内套管、外套管和外管翅片。如图1所示,制冷剂流经外套管,分别从内套管的太阳能热水和外管翅片的空气中吸收热量,制冷剂对两种热源同时吸收热量,实现了热泵的复合换热。

在该概念提出后,有学者将复合热泵分为了交替运行和联合运行[4]。紧接着对于热水式的复合热泵分为了两个研究方向,分别为不同工况下系统运行测试和换热器结构参数变化下系统运行测试。对于前者,张迎迎等[5-6]将复合热泵与单一热泵的制热量进行了对比分析,通过实验研究发现,复合式热泵的制热量远高于单一热泵,太阳能热水25 ℃～30 ℃所产生的制热量低于20 ℃～25 ℃所产生的制热量,但前者的换热更为稳定。张超[7-8]研究发现相同水流量下,系统能效比随着热水温度的提升而提升。空气侧进口温度和系统制热量成正比关系,并且研究还发现,进口温度提升会导致空气侧换热量的下降。进口温度提升,制冷剂将主要从太阳能水中吸热,由于温差的影响,系统将会向空气中放热,空气源部分的热量将不会得到充分利用。张玺等[9]进一步研究发现,随着复合系统的进水温度提升,系统能效比提升21.4%。对于换热器结构参数的研究,张超等[10]通过数学模拟得出结论,随着换热器翅片间距的增大,系统能效比将呈现下降趋势。董家昀[11]研究发现复合换热器外管管径越大、环境温度越高,翅片间距对系统制热性能影响幅度越小。此外还可以将太阳热水替换成地埋管出水[12-13],工业余热废水,这可使系统稳定运行,避免土壤热不平衡现象,将热源高效利用。

热水式复合热泵由于结构的特殊性可提高换热效率,进一步提升了低温环境下热泵的供热性能,但需要考虑到双热源温差、进出口温度等变量的影响。此外对于翅片间距、套管布置等换热器结构参数也需进一步合理调配。

2.3 PV/T式复合换热器

PV/T集热器式复合热泵系统可实现两种供热模式,分别为单空气源供热模式和双热源供热模式。太阳能光伏组件的利用可提升发电效率,利用光伏电池的预热还可以改善低温环境下设备结霜的问题。换热器组成构建如图2所示。

王岗[14]首先用太阳能加热装置模拟太阳能光伏集热系统,结果显示,PV/T换热器展现了优越的供热性能,随后将热水温度加热控制在15 ℃～50 ℃的区间范围内,相较于传统空气源热泵,系统制热性能可提升5%～11%[15],PV/T复合型热泵系统的加热时间和系统耗电量都有所降低。同时Tong[16]也对该技术做了性能测试,在室外温度4.3 ℃,平均辐照度644 W/m2的条件下,系统瞬时COP从2.3涨到了3.0。太阳辐照度是影响系统制热性能的关键,研究发现太阳辐照度与光电功率、光电效率、制热功率及热泵COP均成正比关系[17]。

此外在原有设计基础上还呈现出了不同种PV/T换热器的演变形式。王岗等[18]在原有的思路基础上设计了微热管阵列的空冷式PV/T系统,该系统的电效率能达到11%,热效率能达到24%,综合效率能达到55.8%。褚磊驰[19-20]设计了光伏直驱型PV/T双源热泵,因为光伏直驱一定程度减少了能量传递损失,所以相较于传统PV/T双热源热泵,光伏直驱型热泵进一步提升了制热性能。Yang[21]设计了集成复合抛物面聚光器-毛细管太阳能集热器,这种聚光器尺寸更小,经济效益更高,可很好的适用于家庭供热。

研究发现PV/T换热器可提升系统能效比,具有高效、多功能、可调节等特点。能结合环境和用户需求调节其供热模式,并且也衍生出了微热管阵列的空冷式PV/T系统、光伏直驱型PV/T系统,未来可进一步拓展系统的应用范畴。

2.4 循环式复合热泵系统

对于循环式复合热泵的研究开展较早,以串联式太阳能热泵系统为例,集热器吸收太阳能的热量后,将热量传递给蓄热水箱,水箱中的热水流经空气源热泵蒸发器,对蒸发器进行补热,随后经过压缩,冷凝,节流完成循环。循环式复合热泵原理图见图3。

对于复合集热器方面的研究,方雷[22-23]将传统式的蒸发器和集热器相结合,设计成了复合式蒸发集热器,他将不同蒸发器面积进行了经济性分析,同时选取厦门和成都两地,进行全年运行性能分析。结果显示,在选取最佳经济性能的复合式蒸发器运行期间,厦门地区系统平均制热性能最高能提升5.49%,全年能源消耗效率提升8.99%;成都地区系统平均COP最高能提升11.08%,全年能源消耗效率提升13.61%。

不同参数如环境温度、太阳辐射照度对于系统性能也有影响。荣维来等[24]搭建了直膨式太阳能空气源热泵实验台。实验结果发现,以太阳能为单一热源的热泵系统在不同天气情况下均可达到设定水温并平稳运行。晴天时,系统制热量呈现先增大后减小最终趋于平缓的规律,最大值出现在中午13:00,为9 kW,系统的COP在3.0～3.6之间,平均COP为3.4。李思琦[25]验证了新型直膨式太阳能/空气能热泵机组在农村建筑中制热性能优劣,并且他将理论与实践结合,利用TRNSYS软件建立仿真模拟系统,结果表明在太阳辐射最高的13:00左右,热泵的制热量和COP值达到一天中最大值。李珍[26]根据不同种的太阳能和空气源热泵耦合组合方式进行了研究,结果表明,单一空气源热泵COP最低,其次是太阳能与冷凝器并联,太阳能中温增焓系统COP最高,达到了3.26。Luonan Xu等[27]在昆明和香格里拉建立了太阳能-ASHP系统,并在这两个地区测试了系统在不同天气条件下的性能,结果表明在非太阳光时段,环境温度降低1 ℃时,能效比降低约0.07。Guodong Qiu等[28]提出了一种新的集成系统。采用仿真方法对该新型系统的特性和最佳工作条件范围进行了比较研究。通过与上述两种现有系统的比较,结果表明,在大多数中等太阳辐射条件下,新型系统具有最佳性能,当室外温度为-25 ℃时,其COP比两种现有系统提高约55%。

3 展望

基于以上研究及存在问题,提出一种双热源热泵系统(见图4),即空气源/水源热泵系统。如图5所示,制冷剂先后经过风路蒸发器和水路蒸发器,经过二次换热,节能效果显著。双热源蒸发器在风路和水路之间增设控制阀门,可调节阀门大小控制水量,进而控制双蒸发器面积配比,同时在水路一侧增设导热管,被热水导热后的热管将空气预热,可进一步提升系统能效比。当室外温度较低时,可以完全开启阀门,此时系统可被看作为单水源热泵系统,相反若水源受水质、含盐量等因素影响较大,可以完全关闭阀门,此时系统可被视为单空气源热泵系统。后续需进行实验研究,并结合仿真模拟,可以改变水温、水流量,改变不同蒸发器面积配比,分析不同工况下对于热泵供热性能的影响。

4 结论

低温环境下空气源热泵会存在结霜、系统性能下降等问题,根据换热器不同的类型、排列形式总结了三种复合式热泵技术,可很好的将空气源与绿色能源相结合。对复合热泵技术进行的总结如下:

1)热水式复合换热器由于其排列形式的特殊性可提升系统性能,不同进口温度和系统性能呈正比关系,翅片间距和系统性能呈反比关系。此外由于水侧和空气侧位置紧密相连,二者温度不同所产生的温差会导致系统不能很好的吸收空气源中的热量。

2)PV/T式换热器可以切换为单空气源系统供热模式和双热源两种供热模式,根据环境温度的不同实现合理调配。太阳能光伏组件的利用可提升发电效率,系统可以很好的体现节能性和经济性优势。

3)对于循环式热泵系统的研究开展较早,该系统受太阳辐射照度影响较大,未来在考虑节能、低碳的前提下可积极探索新能源,将地下水、工业余热废水作为补热热源。

4)可调节式双热源热泵供热模式,可在低温环境下充分吸收热量,提升系统能效比。未来将这一技术实现推广,可提升系统能效比,降低碳排放,助力碳中和目标的实现。