太阳能复合热泵的节能效果分析

曹文普，李海英，张　彦，章　艳，陈宗友

(华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063009)



太阳能复合热泵的节能效果分析

曹文普，李海英，张彦，章艳，陈宗友

(华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

摘要：文中通过对太阳能—水源热泵、太阳能—空气源热泵、太阳能—地源热泵及带蓄热装置的太阳能复合热泵系统进行分析，对比了各种太阳能复合热泵的原理及应用效果。通过分析数据得出，采用将太阳能热泵系统与其他热泵相结合的方式，整体系统的COP能达到3以上，有效地提高了整体系统的能源利用效率，为未来太阳能利用提供了一种高效利用的方向。

关键词：太阳能热泵；热泵；蓄热

0引言

随着工业水平的不断提高，人们对物质的渴求的愿望也越来越强烈。人们的衣、食、住、行无不依赖以化石(煤炭、石油、天然气)为主的不可再生能源。但在使人类的物质生活水平提高的同时，燃烧化石燃料所带来的环境问题也日益凸显。目前化石能源消耗所排放的SO2、N0x 和固体颗粒物分别占94%、60%和70%[1]。颗粒物中PM2.5是引起雾霾的罪魁祸首并且还威胁人们的健康。如何解决人们日益增长的物质、能源需求同环境相矛盾的问题是现阶段限制我国高速发展的主要原因。太阳能作为一种无污染、取用方便的清洁能源，逐渐出现在人们的视野中。根据国内外大量研究者的工程试验发现，太阳能热泵系统与传统的供暖系统(供气供暖、热水供暖、电采暖、单一空气源热泵)相比，其优势尤为突出[2]。但是由于太阳能是一种间歇性、波动大、不稳定的能源，这就导致太阳能热泵系统的不可靠性。因此在实际运用中，可与其他热泵相结合以此来弥补单一太阳能热泵的不足。

1太阳能热泵系统工作原理

传统的太阳能热泵系统是工质在蒸发器内吸收热量后变成低温低压的过热蒸汽，在压缩机中经过绝热压缩后，工质气体由低温低压蒸汽变成高温高压气体，再经过冷凝器定压冷凝放热后变成高压中温的液体，此时工质释放其汽化潜热，再通过循环水将热量带出去供用户使用。液态的高压工质在经过节流阀(膨胀阀)节流后变成低温低压的液体后，再回到蒸发器中，完成一个循环工程。如图1所示。

图1　太阳能热泵供暖示意图

2太阳能热泵复合系统

太阳能热泵复合系统大体上可分为：太阳能—水源热泵系统、太阳能—空气源热泵系统、太阳能—地源热泵系统。

2.1太阳能-水源热泵系统

太阳能低温水水源热泵供暖系统如图2所示，该系统工作流程如下：

(1)当太阳光照充足时，蓄热水箱直接供热，不开启水源辅助热泵。

(2)当太阳光照不足时，蓄热水箱中热量不能满足供暖需求时，运行水源热泵，同时采用太阳能与蓄热水箱中低温水为热源的方式供暖。

(3)当热水也不足以提供热泵热源时，直接采用地下水为热泵热源的供暖模式。

图2　太阳能低温水源热泵供暖系统示意图

由图可知，太阳能低温水源热泵辅助供暖系统主要有集热器、蓄热水箱和水源热泵组成。但由于系统设计的限制，这种太阳能的利用率并不高。马洪亭[6]设计了一种太阳能—水源热泵多能互补供暖系统如图3所示，这套装置通过根据蓄热水箱中的水温的变化，来不断的切换太阳能与热泵系统，将太阳能和地下井水作为低温热源，并通过自动控制系统来实现太阳能、地热能直接的切换和室内温度的控制，以此来维持室内温度在18～20 ℃，以满足用户的需求。

图3　太阳能—水源热泵多能互补供暖系统原理图

2.2太阳能—空气源热泵系统

该系统是以空气源热泵系统作为太阳能热水系统的辅助系统。主要有太阳能集热器、空气源热泵系统组成。如图4所示。

图4　太阳能—空气源热泵供暖系统

(1)当太阳能辐射足够强时，不启用热泵单元，太阳能集热器收集热量直接供给热用户。

(2)当辐射不足或无太阳能可利用时，空气源热泵系统直接对供热水箱中的水加热。

系统特点：

(1)机动性、灵敏性高。通过合理的设计控制系统，能保证太阳能高效的利用，根据热用户需求，能灵活的改变参数。

(2)设计差异性强。对于太阳能资源丰富的地区，如拉萨、青海等地，应加大太阳能供暖的比例。对于太阳能短缺且室外温度在零摄氏度以上地区，应侧重于空气源热泵的利用比例。

(3)运用局限性大。在低温季节，空气源热泵在运行工程中容易结霜，这样会加大空气的流动阻力，导致传热性能下降，影响效率。因此必须避免空气源热泵在0℃以下运行[7]。

2.3太阳能—地源热泵系统

太阳能—地源热泵系统由太阳能集热器、地热换热器、热泵机组及其它附属设备组成[8]。原理如图5所示。

图5　太阳能—地源热泵供暖系统示意图

太阳能与土壤热的结合具有良好的互补性，地源热泵系统能够弥补太阳能间歇性和不稳定性对整个系统的影响，同时由于地下埋管换热器还可以将日间或夏季富余的太阳能贮存在土壤中，这不仅能起到恢复土壤的温度同时还减小了系统蓄热装置的容量。提高了系统的能源利用率，加大可再生能源利用。

3带蓄热装置的太阳能—土壤源热泵供暖系统

3.1工作原理

利用蓄热材料，当光照充足时，蓄热系统将集热器收集的热量在蓄热器中转化为蓄热材料的潜热贮存在蓄热材料中，同时供暖系统持续供热。当出现光照不足(如阴天)时，蓄热器中蓄热材料开始释放出热量，直接将热量通过循环水的形式输送给热用户供暖。如果室内温度仍不能达到目标温度，此时热泵机组开始工作，将蓄热器放出的热量吸收用来补充室内热量的不足[8]。与传统的太阳能热泵系统相比，带蓄热的太阳能热泵系统具有更好的续航能力，同时也提高了集热器的效率、提高供热热泵的COP，提高了系统的稳定性。

图6　带蓄热器的太阳能—土壤源热泵系统示意图

3.2工作模式

(1)蓄热器和U型埋管蓄热。当太阳光照很强时，室外空气温度比室内空气高，此时建筑物向往散失的热量比吸收的热量小，能量将自动的由建筑物的外部向建筑物内部传递，直到室内外无温差。在这个工程中无需向室内供暖。太阳辐射的能量全部由集热器收集后经循环水送到蓄热器中贮存在相变材料和土壤中。

(2)蓄热和太阳能供暖。当太阳辐射较强时，室内温度较低时，集热器收集的热量直接供给室内用了供暖，但由于建筑物还有部分热量，因此只需要集热器的部分热量就能维持室内温度一定。此时仍需要将集热器的部分热量通过循环水送入蓄热器中进行蓄热。

(3)太阳能直接供暖。系统运行到后期，由于光照的减弱室外温度逐渐降低，室内温度比室外温度高产生温差，大量的热量开始由室内向室外扩散。此时依靠太阳能部分供暖以达不到室内温度要求，因此直接采用太阳能供暖而放弃蓄热。

(4)蓄热器供暖。在夜间，由于没有光照，室内没有外部供热，温度急剧降低，此时循环水进入蓄热器中，将贮存在蓄热材料的热量通过换热吸收后，通过循环水泵将热量带入室内供暖。

(5)蓄热体和太阳能热泵联合供暖。当蓄热器中热量不足以提供室内要求时，这时候打开热泵机组，将蓄热器中剩余的热量通过热泵机组提高品质之后，在换热进入室内供暖，如果这部分热量仍然不能维持室内温度要求，此时如果有部分光照，可以采用蓄热体与太阳能热泵机组联合供暖的形式供暖。

(6) 土壤源热泵供暖。当多日没有光照、且蓄热体中无热量时，开启地源热泵循环阀。如果有微弱光照，可以开启太阳能集热系统，将太阳能与土壤同时作为热源，以增加太阳能的利用率。

4太阳能复合热泵系统的性能分析

各个太阳能复合热泵系统的工况数据见表1。

表1　太阳能复合热泵系统采暖统计表

由表1可以看出：(1)在室外空气温度与室内温度基本一致且单一太阳能热泵机组的太阳能辐射强度较高的情况下，复合系统的COP整体比单一的太阳能热泵系统高，从这一点能够肯定复合性系统在运行中是可行的。(2)带蓄热装置的太阳能—土壤源热泵系统COP远远高于其他复合型热泵机组。其主要原因在于将太阳能多余的热量贮存在了浅层土壤中，同时蓄热器蓄热的热量也为系统提供了较高温度的热源，减小了换热温差，提高了整个系统的热效率。

5结束语

综上研究表明，将太阳能热泵系统与其他热泵相结合的新型太阳能复合式热泵系统，既可以提高热泵热源的平均温度和热泵机组的COP，也提高了能源利用率；同时也解决了太阳能由于其不稳定性所带来的难以持续高效的利用的问题。其灵活性，既开拓了热泵系统的应用范围，也提高了太阳能热泵系统的利用率，为太阳的高效开发利用提高了一种方式。

参考文献

[1]郭位.核电雾霾你[M].北京：北京大学出版社，2014.

[2]李申生.太阳能的特点[J].太阳能，2003,5(5):10-12.

[3]张增，李明滨，李宏燕，等.一种小型太阳能水源热泵采暖系统的试验研究[J].中国农机化学报，2015,36(2)：224-226.

[4]孙先鹏，邹志荣，赵康，等.太阳能蓄热联合空气源热泵的温室加热实验[J].农业工程学报，2015,31(22):215-221.

[5]索阳阳.太阳能-地源热泵房屋采暖复合节能项目设计与实现[J].北京工业职业技术学院，2015,14(2)：13-19.

[6]马洪亭，张传龙，宋肖的，等.太阳能-水源热泵多能互补供暖系统实验研究[J].太阳能学报，2014，11:2152-2158.

[7]钱金龙.太阳能空气源热泵采暖效率的研究[J].洁净与空调技术,2015,3:79-81.

[8]王侃宏，董呈娟，李保玉.太阳能辅助地源热泵供暖的可行性研究[J].节能，2006(3)：33-36.

[9]林媛.太阳能热泵蓄热系统的实验研究[J].住宅技术，2009,3:1-5.

Energy Saving Effect Analysis of Solar Hybrid Heat Pump

CAO Wen-pu, LI Hai-ying, ZHANG Yan, ZHANG Yan, CHEN Zong-you

(Department of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, Hebei Province, China.)

Abstract:This article analyzed several solar hybrid heat pump system such as solar and water source heat pump solar and air source heat pump, solar and ground source heat pump and solar hybrid heat pump system with heat storage device. The principle and application effect of various solar hybirid heat pump were compared also. From the data, by the using of solar heat pump system and other heat pump combination, the COP of the whole system can achieve above 3 levels. The energy efficiency of whole system can be improved effectively. Solar hybrid heat pump system can provide the efficient utilization of solar for the future energy industry.

Key words:Solar hybrid heat pump; Heat pump; Thermal storage

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.06.013

收稿日期：2016-04-21

修订日期：2016-05-10

作者简介：曹文普，华北理工大学冶金与能源学院。

中图分类号：TU111.1

文献标志码：A

文章编号：1009-3230(2016)06-0041-03