浅析太阳能耦合空气源热泵技术的原理及应用

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(1.国网山东省电力公司聊城供电公司,山东 聊城 252000；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东综合能源服务有限公司,山东 济南 250001))

1 绪论

随着生活水平的提升，人民对生活质量的要求日益严格，随之而来的是大量的能源消耗。现阶段，我国的能源利用主要以一次能源为主，在利用过程中伴随着大量的污染物排放，清洁能源(太阳能、风能、核能等)的利用率并不高。据有关数据统计，我国一次能源消耗约为日本的6.5倍，英国的13.5倍。《中国建筑节能年度发展研究报告2017》中指出，由建造能耗和使用能耗(供暖、空调等)所构成的建筑能耗占据我国社会总能耗的33%。在北方严寒和寒冷地区，供暖能耗占建筑总使用能耗的35%，提升供暖、制冷的效率，降低能耗，大力推广使用可再生的清洁能源是发展低能耗建筑技术的一个重要方面。

我国城镇人口的供暖主要依靠集中供热来满足，所在辖区范围内利用热电厂产生高温水或蒸汽，在加压泵的作用下，流经供热管网至小区换热站，而后在二次循环泵的作用下，流经用户端换热器。集中供暖一次性投资大，运行费用高，无论是否需要，暖气始终全天供热。此种供暖方式对于我国较为分散的农村并不适用，主要在于管网的布置成本较高。针对此现状，采用分布式热源的方式，可以较好的满足北方农村供暖的需求。

现阶段，北方农村的供暖多采用火炕、散煤供暖等方式，能源利用效率较低，同时伴随较多的硫化物、氮化物及PM2.5的排放，严重影响北方冬季的环境。为改善空气质量，降低PM2.5含量，我国采取了多种举措，比如“煤改电”、“煤改气”政策，推广清洁取暖。空气源热泵作为一种高效的供暖技术，可以大幅降低供暖能源消耗，减小污染物排放，近几年成为北方清洁取暖、“煤改电”政策实行的主力军。马一太等[1]人指出，北方取暖的热泵COP约为3～3.5，而农村和小城镇的散煤燃烧效率约为25%，若采用空气源热泵技术，1吨电煤提供的热量相当于4～5吨散煤，并且没有污染。虽然电力产生的过程伴随一定的污染，但电厂的排放指标较为严格，污染物处理技术完善，污染物排放远远低于散煤燃烧。太阳能是清洁无污染的可再生能源，它具有巨大、广泛、长久、无害等优点。太阳能热利用技术与空气源热泵结合组成的太阳能-空气双热源复合热泵系统，可有效提高热泵系统蒸发器蒸发温度，从而提高系统整体制热性能。

2 系统原理分析

空气源热泵的原理如图1所示，低压气态冷媒进入压缩机，经过压缩成为高温高压气体，这时冷媒沸点随压力的升高而升高。高沸点的冷媒进入冷凝器开始液化，这时冷媒放出热量，变成液体。接下来在进入蒸发器前先经过膨胀阀(节流阀)，膨胀阀(节流阀)又使冷媒压力降低，压力降低的冷媒在蒸发器中又开始蒸发，这时冷媒吸收热量，又变为低压的气体。再次进入压缩机，整个冷媒循环系统就这样形成。

图1 空气源热泵原理图

太阳能-空气双热源复合热泵系统主要是耦合太阳能作为输入能源，提高整体系统的热能利用效率，主要分为直膨式和间接膨胀式系统(图2(a)和(b))。对于直膨式太阳能-空气双热源复合热泵系统，传统的热泵系统内的蒸发器添加了一个回路，耦合太阳能集热器作为蒸发器的一部分。与传统的集热器不同，该复合系统的集热器内部流通的为液态的制冷剂，制冷剂在集热器内部吸收太阳能，变为汽态，流经压缩机、冷凝器，完成整个热泵循环。在白天阳光较为充足时，集热器的热量作为主力，而阳光较弱或夜晚，传统热泵系统的蒸发器作为系统运行的主要吸热元件。与直膨式系统不同，间接膨胀式系统主要利用太阳能集热器维持蓄热水箱的能量，而空气源热泵系统作为辅助热源，仅在太阳能系统供应不足的时候开启利用。整体而言，间接膨胀式系统，空气源热泵的效率与传统空气源系统一致，而直膨式热泵系统的热效率与集热器的性能相关。

图2 太阳能-空气双热源复合热泵系统图[2]

太阳能热泵基于热泵系统的节能性和集热器的高效性，将太阳能热利用技术与热泵技术有机地结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。与传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是可以采用廉价的低温集热器，集热成本非常低。在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄能装置容积等都要比常规太阳能系统小得多，使得系统结构比较紧凑，布置灵活。

3 应用实例

北京市建筑工程物资协会组织大专院校、设计科研单位、企业等11家，承担了住建部“空气源热泵、太阳能与低温热水地暖组合建筑采暖系统的节能能效研究”科技项目。该课题完成了空气源热泵、太阳能与低温热水地暖及生活热水，不同组合系统技术的优化设计与示范，并在多个工程项目中推广应用。其中在北京市、秦皇岛市、青岛市、上海市、重庆市和长沙市等地的房屋建筑(13项工程)中进行了重点测试。经该课题示范项目测试：在华北地区北部，2011年～2012年采暖季，一月份室外平均温度-4℃，最低温度-17℃，采暖室内平均温度保持在18℃。凡达到50%节能设计标准的建筑，冬季采暖+生活热水使用空气源热泵+太阳能的运行费用为每平方米14～16元;使用空气源热泵的为每平方米18～20元。低于其它采暖方式的运行费用。例如：北京市区南四环的鸿博家园小区测试项目，按采暖季125天，以每户建筑面积平均82m2计算，采暖总耗电不超过2000度，约为33度/m2，采暖季电费15元/m2左右。低于同期同户型壁挂炉散热器采暖运行费用。房山区西白岱村项目，系统采暖和生活热水总耗电量5367度，制热能效比(COP)3.16，其中太阳能集热器面具16m2，冬季太阳能制热贡献率占总制热量30%。

图3 空气源热泵耦合太阳能采暖实例图[3]

张洪岩等[4]分析了北京市怀柔县建的一间200m2的单层民房的耦合太阳能及空气源热泵的清洁取暖情况，根据当地气象条件选择了KFR180-LPZ超低温热泵(6P,18kW)以及2组LPC58-1850高效真空管横双联集箱，并分析对比了几种供暖方式的采暖费用比。由表1可得，采用新型耦合太阳能及空气源热泵的采暖技术，平均采暖费用为46.47元/m2，小于燃气壁挂炉的采暖方案，接近是电锅炉采暖方案的55%，可以大幅降低居民的采暖支出。

表1 采暖形式费用对比

安徽淮南某高校综合服务楼热水工程，采用上海金龙制冷技术有限公司“龙泉系列”商用循环式空气能热泵热水机组6台，耦合120组(单组集热面积为5.2m2)HH-1500太阳能集热器，满足每天60吨的热水供给。该高校以前使用的是燃油锅炉，每年所需运行费用约62万元。采用太阳能-空气源热泵复合热水系统，其年运行费用仅4万余元。本项目总投资约100万元，经过2年时间即可将投资成本全部收回,见表2。

表2 安徽淮南某高校综合服务楼热水工程运行费用

图4 热水采暖系统[5]

除了在供暖方面的应用，太阳能耦合空气源热泵技术在食品加工方面也得到了推广应用。2017年，依托格尔木杞盛科技有限公司利用太阳能光热综合技术，建成1套空气式太阳能光热枸杞干燥系统，日加工枸杞10吨生产线1条，较常规能源干燥节能75%、减排100%。应用后取得了脱水干燥时间短、干燥后果实商品率高、批次烘干容量大和参数控制自动化程度高等技术成果。太阳能与高温热泵的耦合、太阳能集热器与烘干房的建筑相结合，在满足建筑美感的同时，降低了风道长度、减少管道耗材、减少管道阻力、降低风机能耗、降低热量损失等优点，太阳能+热泵的烘干系统可以实现精确控温、控湿、分阶段控制、全天候运行，适合不同烘干物干燥，品质优良、运行成本低廉。以3kg的标本鲜果为例，烘干10t鲜枸杞太阳+热泵总耗电量828kW·h，采用纯热泵烘干相同枸杞耗电量1237kW·h，可以大幅降低加工成本。

图5 耦合太阳能与空气源热泵的枸杞干燥系统

4 近年政策支持

太阳能供暖与空气源热泵供暖各有特点，二者装置互补既可进一步提高节能减排的可再生能源利用率，又可保障装置供暖性能的稳定性，是小型化主动调节供暖技术的发展方向之一。近年来，我国发布了一系列的政策文件，推动清洁取暖。2016 年 7 月，《“十三五”国家科技创新规划》指出：“突破超低能耗建筑技术标准和建筑能耗评价体系，研究节能集成技术、高效冷却技术等基础性技术，研发主动式/被动式多能源协调高效利用装置，降低能源消耗；加强建筑新型高效供暖解决方案研究，研发室内环境保障和既有建筑高性能改造技术”。2017 年 2 月，《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2020 年)》明确了“推广太阳能、热泵、地暖供暖新模式”。2017 年 3 月，《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，“要求到 2020 年，城镇新建建筑能效水平比 2015 年提升 20%，城镇可再生能源替代民用建筑常规能源消耗比重超过 6%。在条件适宜地区积极推广空气热能建筑应用，建立空气源热泵装置评价机制，解决设备产品噪音、结霜除霜、低温运行低效等问题”[7]。

5 结论与展望

空气源热泵是一种高效节能的分布式供暖方案，太阳能是一种免费的清洁可再生能源，储量丰富。二者装置互补既可进一步提高节能减排的可再生能源利用率，又可保障装置供暖性能的稳定性，是小型化主动调节供暖技术的发展方向之一。同时可以大幅降低空气源热泵的运行成本，提高用户使用积极性，推动"清洁取暖"政策在北方地区的实施。