太阳能与空气源热泵耦合供热技术应用研究

李旭林 张梓蕴 王云龙

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

引言

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。

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。直膨式系统见图1,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。

图1 直膨式太阳能耦合空气源热泵系统

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。

蒋澄阳[2]等人提出了一种肋片式集热器应用于DXSASHPWH，集热器可以在空气中吸收热量，也可以在太阳能辐射吸收能量，系统的平均COP可达到6，远高于常规型系统。由于常规机组受太阳辐射强度的影响较大，徐国英[3]等提出了一种新型耦合热水器，当太阳辐射不足时，可吸收空气中的热量，使得系统能稳定高效地运行。

1.2 非直膨式太阳能耦合空气源热泵系统

1.2.1 串联式系统

串联式系统如图2所示，是指太阳能集热器与热泵循环通过蓄热水箱共同供给末端机组，但各自环路互不干涉。太阳能集热系统与热泵系统共同运行，太阳能集热器吸收的热量传递给换热器直至热泵系统，集热介质在热泵系统中循环吸热，经冷凝器传递到末端机组。串联式系统受太阳能波动影响相对较小，在无太阳能时，会导致太阳能热水的温度过低，热泵工作效率下降。太阳能系统不稳定性的运行，可能会导致传热的温度过低，热泵系统能效降低。串联式系统的COP高于单一空气源热泵，但无阳光时需要加入电磁能辅助热源。

贾少刚[4]等人将太阳能和热泵技术进行有机结合，实现建筑物的制冷、供暖和热水的同时供给，研究表明串联系统运行效率较好且耗电量少节能。张慈枝[5]建立串、并联式数学模型进行耦合测定，当集热水温处于20.4～37.9℃，串联运行模式COP值较高。但当太阳能集热温度到达一定值时，反而并联模式运行性能相对较好。哈尔滨工业大学的余延顺[6]等人在哈尔滨地区的气象地理条件下分析研究了太阳能热泵热水系统的不同运行工况，得到了动态运行工况下的太阳能总集热量和集热效率分别高出静态运行工况下的23.1%和22.7%的结论。

图2 串联式系统

图3 并联式系统

1.2.2 并联式系统

并联式系统中有2种热源分别提供热量供热，如图3所示。太阳能集热系统单独供热运行是在太阳辐射充足条件下，使系统具有更好的经济性；当阴雨天气或太阳能强度弱时，空气源热泵单独运行或开启共同运行，使系统具有较好的稳定性。并联式系统可直接利用太阳能产生热水，太阳能集热系统和热泵系统单独工作互不干涉，便于控制且系统维修方便。刘杰[7]等人选取兰州地区一幢别墅建筑作为供暖对象，结果表明，并联耦合系统在太阳能辐射吸收量、热泵运行效率上均优于单一空气源热泵，大幅度提高了太阳能集热器的运行效率，实现了24h供水运行，但耦合系统需要考虑集热器面积大小，超过一定范围会削弱集热效率。

钟浩[8]等根据昆明地区的气候特点，对空气源热泵耦合太阳能系统进行了一系列测试。结果表明，该系统具有较大的节能潜力，在耦合系统中空气源热泵系统COP值可达3.8以上。靳路[9]等人研究表明，在石家庄农村独立住宅中太阳能与空气源热泵系统中太阳能保证率平均为46%，空气源热泵系统COP值为4.5，其中太阳能集热器的供热占比为59%。

1.2.3 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。

单明[10]等人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。

天津大学陈雁、李新国[11]等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。

图4 光伏太阳能耦合空气源热泵运行原理图

东南大学的周伟[12]等人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%。

Meysam、符慧德[13-15]等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。杜伯尧[16]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。

3 新型太阳能—空气双热源耦合系统

在我国北方村镇地区，传统型热泵会出现冻裂无法运转、制冷剂流量降低、供水温度不高等问题，对整个系统造成影响。直膨式系统优势在于较高的集热效率与系统性能，但受太阳能辐射强度影响较大，存在不稳定性的特点；非直膨式的优点在于系统具有更好的经济性和稳定性，然而受天气条件影响较大，不好单一控制，需要改善低温环境下热泵系统的制热性能，精度要求高；光伏太阳能空气源热泵更适合城市地区，初投资大，但这些形式并不适用于北方独立村镇供暖建筑。因此，针对北方大部分的独立住宅供暖建筑及热泵存在的问题，提出一种适用于北方村镇建筑的供暖方式，对热泵的结构进行调整。

太阳能集热系统与空气源热泵系统采用双源蒸发器为核心部件进行耦合供热。该系统将太阳能未满足供热要求的热水或循环介质转至空气源热泵中，促进空气源系统运行，通过提高转换温度达到提升换热效率。该系统可循环3种模式，空气源热泵单独供热蓄热模式、太阳能集热系统单独供热蓄热模式、太阳能与空气源热泵耦合模式。双源蒸发器可流通3种介质进行热交换，可使制冷剂同时与内管的太阳能热水和外表面的空气进行换热，热泵同时或单独与空气和液态热源2种热源的热交换，实现能源的T级利用。

图5 新型太阳能—空气双热源耦合系统流程图

4 结论与展望

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。

太阳能与空气源热泵耦合系统可以解决单一能源运用的局限性，合理应用可以减少运行能耗，大幅提高了整个系统的能源利用效率，且节能收益较好，可使系统实现全年节能运行。同时，可解决村镇建筑供暖过程中存在的能源浪费、环境污染等问题，改善村镇生态环境、提高人民的生活质量，真正实现了绿色取暖、零碳排放，在北方地区适合大面积推广。