太阳能-空气双热源复合热泵国内研究现状.doc

太阳能-空气双热源复合热泵国内研究现状 张超 赵晓丹 周光辉 刘寅摘要：太阳能-空气双热源复合热泵技术是以太阳能和空气作为复合热源的热泵系统，是太阳能和空气两种低品位能源综合利用的一种形式，能很好地解决空气源热泵冬季供热运行过程中效率低，运行不稳定等技术难题。本文对不同类型的太阳能-空气双热源复合热泵在国内的研究、发展状况进行总结讨论，对其特点进行了分析。特别提出了一种新型的太阳能-空气双热源复合热泵，此系统可以满足不同工况下的供热要求，提高热泵的工作效率，降低能耗，扩大空气源热泵在北方地区的使用范围，有着较高的环境、社会和经济效益。分析结论对太阳能-空气双热源复合热泵的进一步发展指明了方向。关键词：复合热泵，双热源，太阳能利用0 前言空气是一种无污染的，安全的，无穷无尽的自然能源。空气源热泵技术以其节能降耗及环保方面的良好表现普遍受到人们的关注，其结构简单，不需要专用机房，安装使用方便。但是它的使用受到环境温度的限制，其供热能力和供热性能系数会随着室外气温的降低而降低，制冷量和制热量很难与建筑冷热负荷相应。冬季还有室外结霜问题，不适用于寒冷地区。 众所周知，太阳能是地球上一切能源的主要来源。和空气一样，它也是一种安全、取之不尽用之不竭的自然资源。如果将太阳能和空气两种低位能源作为热源，可以很好地解决空气源热泵低温下的性能问题，提高空气源热泵的可靠性。太阳能-空气双热源复合热泵系统实现了这两种热源的复合利用，它可以满足冬季供热，夏季制冷，全年供给生活热水等多方面的需求，设备利用率高。东南大学，南京理工大学，青岛建筑工程学院以及中原工学院等都对其进行了深入的研究。1 太阳能-空气双热源复合热泵交替运行模式交替运行的太阳能-空气双热源热泵有两个并联的蒸发器:水源蒸发器和空气源蒸发器，热泵既可以用环境空气作为热源，也可以用太阳能集热器蓄热水作为热源。当环境温度高于某一温度时，空气作为热泵热源，热泵运行良好，热泵制热量能满足建筑热负荷，空气源热泵运行；当环境温度低于某一温度时，空气源热泵的工作恶化，热泵COP较低，并且热泵供热不能满足建筑热负荷，切换为水源热泵运行，水源热泵的热量来自太阳能，如图1所示。图1 可切换式太阳能-空气双热源复合热泵系统南京理工大学的陈卫星1 针对空气源热泵冬季供暖不足和太阳能热泵的应用特点提出了可切换的太阳能-空气双热源热泵系统，实现太阳能和空气源热泵的交替运行。文中对平板型集热器进行热力经济性优化，给出一个最优配置。分析了空气源热泵和这种可切换的双热源热泵用于建筑供热的情况，充分说明了双热源热泵模式的可行性及节能优势。刘业凤2等针对现有的太阳能热泵随太阳能辐射强度变化导致系统不稳定的问题，提出了一种太阳能-空气双热源式热泵及热水系统。系统根据太阳能辐射强度变化改变运行模式，使太阳能直接利用，空气源热泵和太阳能热泵交替运行，实现夏季供冷、冬季采暖和全年供应生活热水的功能。此系统有环保节能和运行稳定的特性。但是系统无法实现太阳能热泵和空气源同时运行，当太阳能热泵热量不能满足需要的时候使用电加热，大大提高了系统的成本。东南大学的李智3等介绍了一种将太阳能热水器和家用热泵型空调器相结合运行的双热源型热泵系统。冬季室外温度低时采用太阳能低温热水作为热泵热源使用，系统cop值有很大提高，；在没有太阳辐射的情况下，则采用普通的风冷器制热，实现太阳能热泵和空气源热泵的交替使用。文中对冬夏两季运行工况下的节能原理进行了详细的介绍和经济性分析。结果表明，此系统集热效率高、供热性能系数高，采用双热源可以很好地提高太阳能热泵的稳定性。王燕俊4对秋冬季太阳能-空气源热泵制热水系统和太阳能热泵供暖系统两种运行模式进行了研究。该系统秋冬季节制热水模式有两种：第一种，先运行空气源热泵系统，然后再利用太阳能热水系统加热；第二种先由太阳能循环系统对保温水箱内的水进行强制循环对流换热，然后运行热泵系统加热。冬季供暖模式主要有两种：太阳能热水为低温热源供暖和普通空气源热泵供暖。从而实现了太阳能和空气两种低品位能源的交替使用。广州能源研究所的马伟斌等5针对奥运会各种场馆应用太阳能热水过程中产生的问题提出了太阳能空气双热源热泵中央热水系统。该系统有三种运行工况：当太阳能充足时采用太阳能直接加热热水；太阳能不充足时采用太阳能热泵加热热水；没有太阳能时则使用空气源热泵，这三种运行模式交替运行，保证了用户的需求，使太阳能得到了充分的利用。文中对太阳能-空气双热源热泵中央热水系统特点和应用前景作了详细的论述，指出该系统可有效解决北方寒冷地区太阳能全年稳定供热水问题。太阳能-空气源交替运行的系统根据制冷制热不同工况，采用两台换热器，增加了机组占用空间和系统研制投资成本，而且机组的运行依赖太阳能辐射状况和室外空气环境（空气的参数），不能够充分利用太阳能和空气的综合优势，难以在许多地区大量推广。2 太阳能-空气双热源复合热泵联合运行模式为了综合利用太阳能和空气的优势，实现太阳能热水系统和热泵空调的有机融合，东南大学和清华大学等都进行了太阳能-空气双热源复合热泵联合运行模式的研究。台湾的Huang B J和Chyng J P等6在1999年首先提出了整体式太阳能热泵热水系统的概念，最先对双热源热泵进行了探索。此系统最大的特点是：在试验中保持压缩机吸入口接近饱和状态，通过系统中制冷循环的有效设计，使蒸发温度小于环境温度，集热器/蒸发器同时吸收太阳能和周围环境中空气的热量，实现太阳能-空气双热源热泵的联合运行。通过实验和模拟得出，太阳能热泵系统全年运行的COP虽然有所下降，但是就整体来看，系统性能稳定性有很大的提高。东南大学的徐国英和张小松7对太阳能-空气复合热源热水器的性能进行了模拟和分析。该装置利用一个独特的螺旋翅片蒸发管的平板型集热/蒸发器,来实现太阳能-空气双热源的联合运行。平板型集热/蒸发器直接暴露在环境空气和太阳辐射中, 将太阳热泵系统和空气源热泵系统有机地组合，实现辐射与对流复合换热。既充分利用太阳能提高了热泵COP值,又克服了对太阳辐射的过度依赖,避免在阴雨天及冬季使用电辅助加热。模拟结果显示该热水器在不同天气特征情况下可高效率地制造55热水。以上属于直膨式太阳能-空气双热源热泵的联合利用。这种系统结构紧凑，设备简单，便于实现，但是在实际应用中，该系统容易受周围空气，太阳辐射以及蒸发温度与环境温度关系的影响，控制能力差，不能够有效稳定的运行。清华大学的孙兆虎等8提出了一种太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵空调热水系统，系统中设置两个蒸发器，太阳能和空气源可以实现联合运行，有供应热水和空调两大功能，具有节能环保的优点。但和其他的双热源运行热泵系统相比，系统成本高，运行控制比较复杂。3 一种新型的太阳能-空气双热源复合热泵系统图2 新型太阳能-空气双热源复合热泵系统针对现有的太阳能-空气双热源复合热泵系统复杂，成本高，运行不稳定等特点，中原工学院的周光辉等提出了一种新型的太阳能-空气双热源复合热泵，并对其性能进行了一系列的实验和模拟研究。这个系统主要由两部分组成，一部分是太阳能集热、蓄热系统，一部分是双热源热泵系统（如图2所示），其中的核心部件是翅片-套管复合式非同态三介质换热器9。运行的过程中可实现两种模式运行：双热源联合供热模式和单空气源供热模式。此系统可以满足不同工况下的供热要求，提高热泵的工作效率，降低能耗，扩大空气源热泵在北方地区的使用范围，有着较高的环境、社会和经济效益10。4 结论太阳能-空气双热源复合热泵将风冷热泵技术和太阳能热水技术有机结合，突破了风冷热泵系统低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷，提高系统性能系数，充分利用太阳能和空气能等绿色新能源，可以全年提供生活热水，充分满足人们生活的需求，环保节能。特别是太阳能-空气双热源复合热泵联合运行模式可以将太阳能和空气源有机融合，是未来热泵系统发展的趋势。但是目前我国的太阳能-空气双热源复合热泵系统大多处于理论和实验研究阶段，未能实现太阳能热水系统与热泵空调系统的推广利用，需要继续进行深入研究，降低成本。参考文献1 陈卫星. 双热源太阳能热泵模式研究D. 南京:南京理工大学，2004.62 刘业凤，伍德虎. 太阳能辅助热泵和热水器系统的设计与分析J. 太阳能，2008，1：22-243 李智，刘骥，虞维平. 双热源型太阳能热泵夏、冬两季的节能运行分析J. 制冷空调，2008，29（121）：32-34，104 王燕俊. 太阳能热泵复合热水系统的建模与实验研究D. 南京：东南大学，2007.35 马伟斌，龚宇烈. 太阳能空气双热源热泵中央热水系统J. 建筑新能源，2006，74-756 Huang B J,Chyng J P. Integral type solar-assisted heat pump water heater. Renewable Energy,2001,16:731-7347 徐国英，张小松. 太阳能空气复合热源热泵热水器的性能模拟与分析J. 太阳能学报，2006，27（11），1148-11548 孙兆虎，姜培学，邓建强. 太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵热水与空调系统初探J. 制冷与空调，2006，6（6）：20-229 周光辉，郭其训. 地下水辅助空气源复合热泵系统的制冷特性研究J. 制冷技术，2008，37（1）：37-3910 周光辉，余娜. 太阳能-空气源负荷热泵系统供热特性研究D. 郑州:中原工学院，2008.12