空气源热泵蓄热系统形式及研究进展

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所 哈尔滨 150090)

空气源热泵蓄热系统形式及研究进展

倪 龙 周超辉 姚 杨 姜益强

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所哈尔滨150090)

蓄热技术与空气源热泵的结合可以提供空气源热泵除霜的热量来源，弥补空气源热泵制热量随着室外空气参数变化的波动，解决供需矛盾，并起到电力的移峰填谷作用。本文综述了蓄热技术在空气源热泵中的应用范围，介绍了空气源热泵的蓄热除霜系统，空气源热泵在供热调节和电力调峰方面的作用，以及作为热泵热水器在供热水方面的应用，认为未来空气源热泵蓄热系统将在除霜、供热、热水器以及电力调峰方面发挥更大的作用，指出对于蓄热材料的选择和用量、蓄热罐的选型和容积等问题是未来的研究方向。

空气源热泵；蓄热技术；除霜；热水器；电力调峰

近年来，空气源热泵已经占据了我国较大的市场份额，除了用于冷暖制备的产品，空气源热泵烘干机和热水器等新型产品也逐渐出现在人们的生活中。随着空气源热泵低温运行性能的不断提升[1-3]，在南方供暖和寒冷地区煤改电技术路线选择上，空气源热泵也是许多学者认为值得普遍推广的一种系统[4-5]。空气源热泵工作时，为保证系统低温运行效率、扩大系统使用范围等，也常采用蓄热技术，组成多样化的空气源热泵蓄热系统。空气源热泵蓄热系统可以实现热量在时间上的转移，相关的研究主要是为解决以下四个问题。

1)空气源热泵的结霜问题[6]。空气源热泵除霜工作时，通常是停室内换热器风机，室内换热器变为自然对流的蒸发器，吸热量很小。因此，目前除霜的热量主要来自压缩功，供除霜用的热量不足。造成除霜过程的稳定性和可靠性差，甚至出现吸气压力过低而停机，采用蓄热装置可为空气源热泵除霜提供相应热量。

2)通过蓄热延缓多变的室外空气造成的空气源热泵制热量的变化[7]。

3)热泵的供热量与热用户用热需求之间供需不平衡[8]。在系统内设置蓄热器，可平衡调节热泵供热和用户用热需求。

4)空气源热泵蓄热还有调节电力负荷的作用[9]。大型空气源热泵热水供应系统设置蓄热水罐，夜间蓄热水，白天供应热水以平衡电力高峰负荷与低峰负荷。

1 蓄热方式及应用

蓄热技术作为可再生能源解决方案，已经在建筑供热和制冷，航空航天动力等一些实际场合做出了突出贡献[10]。蓄热技术将不连续的热量储存起来，在需要的时候再释放出去。目前蓄热主要有三种形式：显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种[11]。显热蓄热是利用物质的温度升高来储存热量，是应用最普遍的一种蓄热方式；潜热蓄热是利用相变材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，又分为低温蓄热和高温蓄热。低温蓄热主要应用在冰蓄冷实现电力的“移峰填谷”和太阳能存储等方面，高温蓄热曾应用在太阳能发电和人造卫星等方面。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。

在近几年蓄热技术的研究中，除了对蓄热原理和蓄热材料的分析[12]，国内外开始将蓄热技术应用于不同场合并组成新的蓄热系统，这些新系统被认为是降低能源成本、实现能量再分配、提高能源效率和减少对环境排放的有效途径[13]。

2 空气源热泵蓄热系统形式

根据蓄热装置或蓄热方法的不同，空气源热泵蓄热系统的应用场所有所不同，通过将蓄热技术运用到空气源热泵，系统在制热性能、运行效率等方面都有了较大的提升。

2.1蓄热除霜系统

目前，空气源热泵常规的除霜方式主要有逆循环除霜和热气旁通除霜两种，这两种除霜在实际过程中难以做到按需除霜，同时出现除霜时间长和除霜能耗大的问题[14]。陈超等[15]研制了新型蓄热装置用于空气源热泵的除霜，如图1所示，以DX40相变材料板作为蓄热装置。正常制热时，供热的同时完成相变材料蓄热；除霜时，蓄热装置提供机组除霜所需热量的同时向房间放热。提高了除霜时房间的热舒适性，缩短了机组除霜时间。

韩志涛等[16]将相变蓄能装置引入空气源热泵系统中，提出空气源热泵蓄能热气除霜新系统，如图2所示。通过电磁阀的切换可以实现系统制热、制热兼蓄热、余热蓄能、释能除霜等工况，蓄热模式主要包括串联蓄热(F1、F3开，F2、F4关)、并联蓄热(F1、F2、F4开，F3关)和余热蓄热(室内机关闭，F1、F4开，F2、F3关)。实验研究表明：蓄热除霜系统相对于传统的热气除霜时间更短，节省除霜能耗；蓄热除霜时，压缩机吸气压力比传统方式提高1倍，避免了传统除霜方式因吸气压力过低而出现低压保护停机问题。而排气压力的提高，又使冷凝温度提高，加大融霜过程的传热温差；蓄热除霜系统室内送风温度明显高于传统除霜系统，解决除霜时机组吹冷风问题。

1风冷热泵冷热水机组；2相变蓄热装置；3风机盘管。图1 带有相变蓄热装置的空气源热泵空调系统原理Fig.1 Schematic of ASHP with PCM storage

1室外换热器；2气液分离器；3毛细管；4压缩机；5四通换向阀；6蓄热换热器；7室内换热器；F1～F4电磁阀。图2 空气源热泵蓄能热气除霜系统Fig.2 Schematic of PCM based thermal energy storage and defrosting for ASHP

胡文举等[17]针对蓄热除霜系统，进一步提出了串联供热、非连通供热和连通供热3种供热模式，并发现串联供热模式的性能系数最高，连通模式吸排气都比串联模式高，而非连通模式相比于串联模式除排气温度有所升高，其他基本无变化；J. K. Dong等[18-19]继续研究了蓄热除霜系统3种模式下的蓄热特性，并联模式和余热蓄热模式相对于串联蓄热模式，吸排气压力均降低，而排气温度高达122.5 ℃，串联蓄热模式下系统压力和温度等特性最稳定，且蓄热过程时间较短，对室内供热影响最小，具有较强的可行性。董建锴等[20-21]提出一种过冷式蓄能除霜系统，该系统在传统的空气源热泵的室内机出口与毛细管之间增加了一个相变蓄热器，并与常规的逆循环除霜进行了对比，压缩机的吸排气均提高，除霜时间、恢复供热的时间和系统耗功都有较明显的降低，很好地提高了系统性能。

在性能上，相对于传统除霜方法，利用蓄热器或者蓄热器和室内机串联作为低位侧热能进行逆循环除霜和除霜时间虽然都有很大改善，但尚未解决除霜需要停室内机的问题。针对此问题，L. Zhang等[22]提出了一种新型节能空气源热泵除霜系统，如图3所示。该系统设计了一种包裹在压缩机的蓄热换热器，在正常供热时，可以储存压缩机工作时所释放的热量；除霜工况时，不需要停室内机，此时蓄热换热器作为低位侧的热源，同时向室外机和室内机供热，室外机进行除霜，室内机继续向室内供热，完全满足除霜时人们用热的需求。通过与传统逆循环除霜实验对比，发现新型的除霜系统节省65%的除霜时间，由于除霜的同时保证了室内供热，不存在恢复供热时间的问题；吸排气压力也得到了提高，证明了新系统的稳定性，空气源热泵的能效比提高了1.4%。

1室外换热器；2气液分离器；3电子膨胀阀；4四通阀；5室内换热器；6蓄热换热器；7压缩机；8毛细管。图3 新型空气源热除霜系统Fig.3 Schematic showing the operation of the experimental AHSP unit

近几年蓄热技术在空气源热泵除霜方面的研究取得了很大的进展，并且采用相变装置是学者普遍的选择，但关于可用于空气源热泵的相变材料种类和用量等方面的研究甚少。另一方面，空气源热泵蓄热除霜仍存在结霜运行时期和除霜造成室内制热量降低的问题，如何减少除霜后恢复供热和实现机组无霜运行需要进一步研究。由于相变蓄热除霜技术目前还主要停留在实验室研究阶段，没有大量用于实际产品中，关于蓄热除霜在真正应用时是否稳定可靠或者可能出现的问题，尚无法得知。

2.2应用于供热调节的空气源热泵蓄热系统

室外空气环境多变，常规的空气源热泵容量普遍按某一平衡点温度确定。在室外温度出现低于平衡温度时，热泵的供热量无法满足室内用热需求。图4所示为一种储存冷凝热量的空气源热泵系统[23]。当室外温度高于平衡点温度时，蓄热器相当于过冷装置，制冷剂在冷凝器释放完热量后，多余热量储存在蓄热器当中。而当室外温度低于平衡点温度时，蓄热器又起到蒸发器的作用，蓄热器和蒸发器并联运行，蒸发温度大幅度提高，热泵的制热量也增加，提高了机组在低温工况的能效。在瑞士瓦登斯维尔地区斯托雷厂生产了一台蓄热型空气源热泵[24]，在汇端设置了一台蓄热器，原理与图4类似，区别在于增设了一台蒸发器，用于供热不足时取出蓄热器的热量。马素霞等[25-26]在蓄热除霜系统的基础上增加了一套可以取出蓄热器热量的循环管路，如图5所示，该系统保证在超低环境-25 ℃和-30 ℃下运行时，制热性能系数也能达到2.00和1.94，在蓄热除霜功能上，解决供热量不足的问题，同时该系统能缩短除霜时间的50%左右[27]。

1压缩机；2冷凝器；3三通阀；4节流阀；5蓄热器；6蒸发器。图4 蓄冷凝热的空气源热泵蓄热系统Fig.4 Schematic diagram of air source heat pump condensation heat storage system

1压缩机；2四通换向阀；3套管式冷凝器；4、5、6热力膨胀阀；7保温水箱；8、9气液分离器；10室外蒸发器；11相变蓄热器。图5 相变蓄热蒸发型空气源热泵系统Fig.5 The system of a ASHP with phase change heat storage evaporator

将蓄热技术和空气源热泵结合应用于供热场合，主要是将用热需求低的多余热量转移至供热不足的时间段，或者作为除霜的热量来保证低温时的用热需求，同时保证了机组的低温的高效运行，这也是空气源热泵蓄热系统的优点。

2.3蓄热型空气源热泵热水器

根据中国节能协会热泵专业委员会《2015中国空气源热泵产业发展报告》[28]显示，空气源热泵热水器在国内家用热水器台数所占市场份额约为3%，说明空气源热泵热水器在市场上普及度还不够，除了空气源热泵热水器在北方低温条件下运行效率低的原因，另一方面也是因为相对于电热水器和燃气热水器，空气源热泵热水器加热时间较长。蓄热装置运用于空气源热泵热水器中，可以实现冷水的预热，有助于减少加热时间。张海峰等[29]提出一种具有相变储热功能的热泵型热水器，在加热换热器侧(冷凝器侧)设置一个相变蓄热材料，当不需要热水时，压缩机不必停机从而加热融化相变材料以储存热量。工作时，使冷水先流经蓄热换热器进行预热，提高热水器的出水温度，说明相同的出水温度要求下，采用蓄热系统可提高热水流量，且蓄热工况的COP相对于无蓄热工况有显著提高。朱钰娟等[30- 31]在上述基础上提出一种复叠式蓄热型空气源热泵系统，即将常规的单级空气源热泵改用复叠式空气源热泵，如图6所示。复叠循环的空气源热泵的引入，可以降低在寒冷气候的压缩比，提高其制热效率，配合相变材料的蓄热作用，复叠循环模式的COP与单级模式的空气源热泵热水器相比有所提高，而且运行更为稳定[32-33]。

1低位侧蒸发器；2低位侧压缩机；3四通阀；4复叠式冷凝器；5、7、8、10、13、15过滤器；6、9、14电子膨胀阀；11止回阀；12高位侧蒸发器；16、17电磁阀；18高位侧压缩机；20水冷式冷凝器；21相变材料；22水箱。图6 复叠式蓄热型热泵热水器原理Fig.6 The principal of cascade ASHPWH with thermal storage system

另外，传统的空气源热泵热水器同样面临着结霜带来系统效率差的问题，而在室外空气相对湿度较大时，结霜情况是最严重的[34-35]。F. H. Wang等[36-38]提出一种新型无霜空气源热泵热水器，如图7所示。该系统将除湿器引入空气源热泵室外机侧，通过固体干燥剂降除湿来实现无霜运行，利用相变蓄热装置对冷凝余热进行回收，使之作为再生模式下的低温热源，对干燥剂进行再生，以保证系统的持续运行。郝鹏飞等[39-40]通过无霜空气源热泵热水器系统与传统热水器相比，新型系统压缩比变化较小，运行更为稳定，并且有良好的低温适应性。但干燥剂在低温环境下的再生率较低，如何提高低温下的再生率值得重点研究。

1压缩机；2、14高、低压保护装置；3四通阀；4水箱；5、13、15、18电磁阀；6蓄热装置；7、10、16干燥过滤器；8、11、17电子膨胀阀；9除湿换热器；12室外换热器。图7 新型无霜空气源热泵热水器原理Fig.7 The principal of the novel frost-free ASHPWH system

低温下空气源热泵热水器制热效率低是阻碍其市场应用的主要原因。采用相变材料蓄热可以提高低温下的制热量，但并没有明显改善低温下机组的运行效率，而提出的复叠式系统和新型无霜空气源热泵热水器从机组形式上进行改进，解决空气源热泵低温运行的问题，从而增强了热水机组的低温适用性。

2.4起调峰作用的空气源热泵蓄热系统

孙平等[41]将空气源热泵热水机组与电力的移峰填谷相结合、蓄冷蓄热相结合，并采用新型蓄能式融霜方式，提出一种大型蓄能式空气源热泵热水机组的新流程。曹琳等[42]搭建了这种多功能式空气源热泵热水机组实验台，如图8所示。该系统能够实现蓄热、蓄热蓄冷、单供热水以及供热水同时供冷水等多种功能。通过蓄能达到移峰填谷，并提供系统除霜的外部热源，改善系统的运行条件，保证了系统全年高效节能运行，且能在夏季和过渡季提供免费供冷，解决了目前空气源热泵热水供应形式。通过实验测试研究了机组各种模式下的运行性能，发现在蓄热模式和蓄热蓄冷模式下，系统都具有较高的运行能效比。在蓄热模式下，由于蓄热罐循环热水出口的设置，位于出口下方会出现温度较低的“死区”，而其他区域温度层间的最大温差不超过2 ℃，水温分布较为均匀，有利于提高机组的蓄热能力。在初期阶段，蓄热罐内水温较低，冷凝压力和排气温度也较低，机组有较好的运行环境；而到了蓄热后期，罐内温度较高，造成冷凝压力的提高，压缩机的功耗迅速增加，制热量也降低，但机组最低能效比可达到3.78。同样在蓄热蓄冷运行时，蓄冷罐的水温也较为均匀，平均能效比可达7.24，增加蓄冷罐的体积以及降低压缩机启动控制点的位置，有助于改善机组的节能效果和提高机组运行的可靠性，但文中并未具体分析各蓄热罐等设备容量设计问题，特别是整个系统各设备互相依赖运行程度较高。另一方面，通过对某建筑的模拟全年运行分析，相对于常规的热水制备方式，机组的总电能比电加热热水器节省64.1%，一次能源利用系数较燃气热水器高49.5%，与燃气热水器相比，机组运行1.41年即可回收增加的初投资，且更适用夏热冬暖地区[43]。王洋等[44]研究了不同工况下的蓄能空气源热泵热水机组的运行特性，发现在名义工况下，供水时由于冷水供给的扰动较小，蓄热罐的冷热水分界现象较为明显，分界面随着供水时间而上升，当经过压缩机启动的控制点时，压缩机开始工作，蓄热罐受循环水的扰动出现暂时的中断供水现象，当水温加热至55 ℃时，压缩机停止工作。一个运行周期内的平均制热能效能达到3.25，但是在室外温度较低时，导致机组供热水量的增加，蓄热罐内热水扰动加大，能效比为名义工况下的71.7%，平均制热能效降低，尤其在除霜工况时，机组的供水温度降低，机组每隔一段时间就要进行除霜，消耗一定制热量，此时平均能效比仅为名义工况下的55.6%。

1压缩机；2四通换向阀；3板式冷凝器；4、5热力膨胀阀；6、8、15、17电磁阀；7风冷翅片管蒸发器；9气液分离器；10、21截止阀；11、13、19、24调节阀；12蓄热罐；14热水循环泵；16板式蒸发器；18冷水循环泵；20蓄冷罐；22冷水供水泵；23风机盘管；25热水罐内热电偶；26冷水罐内热电偶。图8 蓄能型空气源热泵热水机组系统原理Fig.8 The principal of ASHP energy storage system

如图9所示，J. Y. Long等[45]实验和数值研究了基于有机相变材料蓄能的空气源热泵热水器性能。在用电低谷期，将热量蓄存到相变材料中，用电高峰时，利用相变材料储存的热量制备热水，系统COP达到3.08。Y. Hamada等[46]在空气源热泵蒸发器侧设置了一台蓄冰罐，在冷凝器侧增设了两台蓄热罐，利用夜间制冰，同时冷凝侧的废热用于蓄热，提高了整体机组的能效比。F. Agyenim等[47]针对一个表面焊接了纵向肋片水平圆柱传热管，在其内部充满RT58相变材料，研究RT58的传热特性。发现换热流体入口温度提高21.9%，蓄热时的换热系数增加45.3%，放热时的换热系数提高16.6%。利用峰谷电价的差异，进一步引入该蓄热装置的空气源热泵对英国普通建筑进行供热，证明该系统可以满足100%的建筑用热需求，由于传热性能的提高，蓄热容量最多可减少30%。在美国得克萨斯州，由于人口增多，导致昼夜用电差异大和水资源紧张等问题，C. R. Upshaw等[48]为减少建筑能源消耗，在空气源热泵冷凝器侧增加了以雨水收集作为介质的蓄热装置，主要在热泵集中运行时作为冷却水提高系统运行效率，在非繁忙的夜间，对雨水进行再次冷却。通过对当地典型居住建筑运行分析，表明在高峰时期，3 785～18 925 L的雨水可以减少29%～53%的热泵压缩机能耗，而压缩机的总能耗增加了5%～15%，这是由于晚上进行雨水再次冷却所消耗的，但这部分是在用电低谷时消耗的。

1蒸发器；2毛细管；3风机；4压缩机； 5相变材料；6保温材料。图9 带相变蓄热装置的空气源热泵热水机原理Fig.9 The principal of heat pump water heater thermal storage system with PCM

应用空气源热泵蓄热系统作为电力调峰的一种方法，是利用夜间电价更低的特点实现系统的经济性；若要推广蓄能型的空气源热泵热水机组系统，还需进一步深入研究，比如“死区”和供水期间由于冷热水分界导致供水中断，以及除霜期间的制热量不足等问题。另一方面，利用系统实现电网“移峰填谷”不是从减少用能的角度出发，但将空气源热泵蓄热系统运用在电力调峰对于降低白天用电负荷有重要意义。

3 结论

1)空气源热泵蓄热系统的研究主要是为了系统高效运行，最大化利用制热量，提高产品的可靠性。根据蓄热设备和安装位置等因素的不同，会出现应用于不同场合的空气源热泵蓄热系统。将蓄热技术运用到空气源热泵的除霜、供热、热水器以及电力调峰方面都能起到提高系统运行效率的作用，有助于推广空气源热泵的应用。

2)在除霜方面的应用中，国内外研究的方向经历着从结霜、蓄热除霜到无霜运行阶段的转变。

3)在供热和热水器的应用中，一方面主要通过蓄热材料或装置实现将用热需求较低时的多余热量转移至高峰时期利用，另一方面是将蓄热技术与提高空气源热泵机组低温运行策略(如复叠式机组)结合来推广空气源热泵在市场的应用。

4)将空气源热泵蓄热系统在电力调峰进行推广，不是从“降低用能”的角度出发，而是通过低谷电价较低的特点提高工程经济性，对于满足国内日益增长用电需求有重大意义。

5)由于目前空气源热泵蓄热系统蓄热装置的设计方法不成熟，如蓄热材料的选择和用量问题，及蓄热罐的选型和容积等问题，尚未形成有竞争力的产品，实际应用案例较少。如何将空气源热泵蓄热系统开发成节能、高效、可靠、经济的产品仍需深入研究。

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Aboutthecorrespondingauthor

Ni Long, male, Ph. D., associate professor, Ph.D.Supervisor, School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, +86 451-86282123, E-mail:nilonggn@163.com. Research fields:heat pump technology and building energy system optimization.

ResearchProgressofAirSourceHeatPumpHeatStorageSystem

Ni Long Zhou Chaohui Yao Yang Jiang Yiqiang

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning of Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090, China)

The combination of heat storage technology and air source heat pump (ASHP) can provide heat source for air source heat pump defrosting, solve the problem of variable heat due to the fluctuation of outdoor air parameters, alleviate the contradiction between supply and demand, and perform an important function on the peak load shifting. Through the review of the application of heat storage technology in ASHP, this paper introduces the air source heat pump heat storage defrosting system, the effect of air source heat pump in heating regulation and electric peak-shaving, and its application as a heat pump water heater in hot water supply. It is pointed out that air source heat pump heat storage system will play an important role in defrosting, heating, water heater and electric peak-shaving in the future. The selection and dosage of heat storage materials, the lectotype and volume of heat storage tanks will be the future research directions.

air-source heat pump； heat storage technology； defrosting； water heater；electric peak-shaving

0253- 4339(2017) 04- 0023- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.023

“十三五”国家重点研发计划课题(2017YFC0702605)资助项目。(The project was supported by the National Key R&D Program of China for the 13th Five-Year Plan(No.2017YFC0702605).)

2016年10月27日

TU831.6; TQ051.5; TK02

： A

倪龙，男，博士，副教授，博士生导师，哈尔滨工业大学市政环境工程学院，(0451)86282123，E-mail：nilonggn@163.com。研究方向：热泵技术及建筑能量系统优化。