太阳能与空气源热泵耦合供热技术应用研究

太阳能与空气源热泵耦合供热技术应用研究

沈程

太阳雨集团有限公司

摘要：清洁供暖是我国大气污染防治工作的重要组成部分，为充分实现供暖技术的清洁性，充分引导各地的供暖方式向低能耗、低排放的方向发展。北方农村既有取暖方式主要以污染高的散煤燃烧为主，在浪费大量化石能源的同时，还造成严重的室内外空气污染，故在北方农村推进清洁取暖对降低取暖能耗节约资源有积极影响。近年来，空气源热泵系统作为可再生能源，是目前建筑节能领域重要的供暖形式，太阳能集热系统可全年使用。如果将二者系统耦合供热，可提高能源利用率，弥补不足。因此，将太阳能耦合空气源热泵系统作为最佳耦合系统的研宄具有十分重要的意义。

关键词：太阳能;空气源热泵;供热技术;

引言

目前，太阳能与空气能均显示出清洁、环保的优点。因此，可将二者作为供暖系统的能量来源。其中，太阳能具有清洁且方便利用的特点；但利用空气能的空气源热泵在应用时会受到环境温度低等因素的制约，在冬季还可能存在室外结霜的问题。而将可利用太阳能的装置与可利用空气能的空气源热泵进行综合应用，构建太阳能与空气源热泵复合式供暖系统，有助于解决以上问题；对此类复合式供暖系统的结构参数和运行状况进行优化研究，有助于提高此类复合式供暖系统的系统效率，减少能源消耗，并提高系统的经济性。

1常规太阳能与空气源热泵系统耦合方式

1.1直膨式太阳能耦合空气源热泵系统

直膨式太阳能热泵(DXSAHP)有效地利用了太阳能光热系统和热泵系统，来自太阳辐射或环境空气中的热量直接通过太阳能集热装置吸收热量，经过压缩机直接将热量传递给冷凝器至末端设备，是实现节约能源和可再生能源利用的有效方案。其运行简单，主要依靠太阳能辐射吸收热量来供热，但由于太阳能的不稳定性，系统受太阳能辐射强度影响较大，适用于太阳能资源充足的地区。学者们从不同的角度对直膨式系统进行了研究。方雷［1］采用Ｒ134a作为工质建立了直膨式太阳能热泵(DXSASHPWH)的系统性能系统数学模型。在春季和秋季晴天工况下平均COP为3.26，平均集热效率为0.73，耗电量为1.50;在冬季，平均COP为3.27，平均集热效率为0.68，耗电量为1.81。

1.2混合式系统

混联式系统可实现不同热源多种运行模式的转换。当太阳能充足时，太阳能系统单独供热，多余的热量可运送到储热水箱中;当太阳辐射不足时，太阳能热泵系统与热泵系统串联运行;连续阴雨无太阳时，开启空气源热泵系统供热，优先使用蓄热水箱中的热量辅助热泵系统。混联式系统运行模式复杂，精准度要求高，需要根据不同气候特征及室内外温度转换不同的运行模式。选取示范户位于北京市平谷区农村，取暖系统为太阳能热水集热系统加4kW流变频低温空气源热泵热水机，末端机组采用地热辐射采暖，整个取暖季太阳能热水循环泵耗电约151kWh，低温空气源热泵热水系统耗电6104kWh。学者通过建模模拟分析了复合系统，实验结果显示，在天津地区采用太阳能与热泵系统耦合比气源热泵单独供热要经济很多。因此，太阳能与空气源热泵耦合系统能够高效、可靠地运行，具有节能、环保的优点，有望为国家的节能减排贡献力量。

2太阳能与空气源热泵复合式供暖系统的工作原理

太阳能与空气源热泵复合式供暖系统由太阳能集热系统和空气源热泵系统构成。其中，太阳能集热系统为主要的热源系统，其主要作用是将太阳能转换为热能，并进行供暖；而空气源热泵为辅助供暖的设备。该复合式供暖系统通过设定最优参数及改变工作方式来最大化利用太阳能，从而减少补充热源的利用，以最大程度的实现能源节约。太阳能与空气源热泵复合式供暖系统供暖时的运行方式包括3种，分别为仅太阳能集热系统运行、仅空气源热泵系统运行，以及太阳能与空气源热泵复合式供暖系统运行。当太阳辐射强度较高时，太阳能集热系统单独工作；当太阳辐射强度较低，太阳能集热系统不足以满足房间的供暖要求时，空气源热泵也需要同时工作；若遇到阴天无日照时，空气源热泵则需要单独工作。

3太阳能光伏耦合空气源热泵系统

采用太阳能光伏与空气源热泵组合系统是一种新型建筑采暖方式，容易实现建筑一体化设计，适用我国北方寒冷地区气候特点。采取空气源热泵和光伏发电系统，可充分利用自然的太阳能，避免长途运输造成的损耗，易于操作，便于维修。太阳能光伏发电作为清洁新能源可以对空气源热泵进行供电补充，有效降低公用电网供给空气源热泵的电能使用量。但该系统需考虑高耗能、间歇工作的因素，对于供热强度大的建筑需对应较大面积的光伏太阳能电池板。研发了新型裸板式多孔扁盒集热器，搭建了太阳能光伏耦合空气源系统实验平台。根据系统不同运行模式，提出耦合运行、太阳能单独运行、空气源单独运行3种不同模式。针对3种不同模式在夏季工况下，对比单独运行的太阳能和空气源模式，耦合热源模式COP提高了24.47%和40.14%。将圆筒热管与光伏组件结合设计出基于热管的PV/T系统并将其与热泵结合，设计出了基于圆筒热管的太阳能热泵系统，热泵系统平均COP可达到4.87，光电效率基本在11%以上。设计新型太阳能光伏/空气集热蒸发器并搭建了实验台，缓解了太阳能受天气影响的弊端，光伏太阳能耦合空气源模式下系统COP在3.2～4.2。

4联合系统

空气源热泵耦合太阳能集热器联合系统一共设置有3个循环回路：（1）空气源热泵循环加热系统，以循环水泵为核心，在冷凝器中对工质进行加热，然后回流到水箱。（2）太阳能集热器系统，通过能够吸收太阳能的集热板完成工质加热，工质流入水箱下部盘管，将热量传递给水箱内的水，之后回流到集热板继续加热。（3）供暖系统，存在于水箱上部盘管中的工质可以被水箱中的水加热，通过板式换热器换热后，对室内供暖负荷进行模拟。利用计算机和多功能数据采集仪进行数据的采集和分析，需要采集的参数包括水箱中测点的温度、系统出水、回水温度、设备运行能耗等。

结束语

太阳能与空气源热泵耦合系统能有效提高冬季空气源热泵工作效率，对于缓解北方村镇供暖造成的污染会有很大的改善，未来的市场应用前景十分广阔。不同地区的太阳能资源、辐射时间和室外环境温度、太阳辐照量均有不同。因此不同地区耦合系统应选择适合的耦合方式，避免系统受工况变化的影响，对应不同气候特征的村镇建筑供暖，提供一一对应的耦合热源模式。新型太阳能—空气双热源耦合系统充分实现了能源的最大化利用，通过电动阀门及温度传感器调节供回水的流向，大幅度提高空气源热泵的运行效率，将太阳能未满足供热需求的传热介质传递给空气源热泵中，进行热量传递，也保证了热泵系统在低温下防冻的效果，可适用于北方严寒地区的清洁供暖。寒冷地区冬季供暖负荷相对较大，而且太阳能辐射在供暖季偏低，但是从总体层面分析，整个供暖季太阳能的贡献率可以达到9.99%，具备较为优秀的节能效果。

参考文献

[1]李旭林,张梓蕴,王云龙.太阳能与空气源热泵耦合供热技术应用研究[J].农业与技术,2021,41(08):860-863.

[2]李旭林,王云龙,张梓蕴.太阳能-空气源热泵耦合供暖系统技术应用分析[J].节能,2020,39(11):98-101.

[3]顾祥红,彭齐鑫.太阳能集热器和空气源热泵联合供暖的研究现状[J].大连大学学报,2020,41(03):24-27.

[4]祝彩霞,刘艳峰,孙婷婷,周勇.太阳能与空气源热泵联合供暖系统运行优化研究[J].建筑热能通风空调,2020,39(04):53-57.

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