蓄能技术在空气源热泵系统中的应用与发展

文 博,张子静

1.兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730030 2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030

1 蓄能技术的重要性

在空气源热泵系统中应用蓄能技术的重要性主要体现在以下四个方面：（1）传统空气源热泵除霜系统需要由制冷替换供热模式，再由冷凝器替换蒸发器实施除霜工作，而通过蓄能装置进行除霜，则能有一定的热量支撑，加上科学合理地采取运行策略，能在很大程度上避免在除霜阶段对末端用户的供热效果造成影响；（2）在空气源热泵系统中应用蓄能技术，能够有效调节电力负荷；（3）在对供热进行调节的过程中，能避免出现用户热需求和热供给不平衡的现象；（4）蓄能技术可应用在太阳能集热系统、空气源热泵热水机组等不同的热泵系统中。

与传统供热方式相比，空气源热泵具有初投资低、安装灵活，以及节能等优势，正是因为这诸多优势，空气源热泵的应用越来越普遍。值得注意的是，虽然空气源热泵发展前景大好，但在较为寒冷的地区，室外低温环境会增加空气源热泵技术的压缩比，对机组正常运行造成一定的影响。若想从根源上解决空气源热泵的这一不足，还需结合蓄能技术，进一步完善与优化空气源热泵，保证低温工况效率。

2 蓄能技术的类型

（1）显热蓄能。显热蓄能主要是通过提高蓄能材料温度的方式达到蓄能效果，这种热能的储存方式与蓄能材料的温度和热能量都有着密不可分的联系。通常在显热蓄能密度较小的情况下，还需要有较大的蓄能容积来支撑。

（2）相变蓄能。通过蓄能材料的相变，能够达到热量储存和释放的目的。受蓄能材料相变潜热高出显热的影响，相变蓄能的热能密度要比显热蓄能高出很多。除此之外，相变蓄能具有诸多优势，如设计简单、热能密度高等，可将相变蓄能技术与空气源热泵进行有机结合并加以应用。

（3）热化学反应蓄能。若想更好地实现蓄能，利用可逆热化学反应能实现这一目标。与显热蓄能和相变蓄能这两种方式相比，热化学反应蓄能所储存的热能密度更高。值得注意的是，受热化学蓄能研究不充足的影响，其并未在商业方面进行应用。

3 蓄能技术在空气源热泵系统中的应用

3.1 双级耦合热泵系统

在普通风冷式空气源热泵系统供热的过程中，其最低温度一般不低于-7℃，如果低于最低温度，则会出现结霜或者压缩比过大等问题，从而降低系统效率。若想更加妥善地解决传统空气源热泵在寒冷地区效率不高的问题，还需要对双级耦合热泵进行深入研究。双级耦合热泵系统如图1所示。

图1 双级耦合热泵系统原理

双级耦合热泵作为传统空气源热泵系统的升级版，是低温侧空气源热泵机组、高温侧水源热泵机组的结合版本。将封闭水系统安装在两个系统间，低温侧机组能为高温侧机组提供15℃左右的水，再由高温侧机组向末端用户提供热源，当然也可结合室外的真实温度，随时切换单、双级，实现供热效率的大幅度提高。与单级热泵系统相比，双级热泵系统能有效减少压缩机压缩比，即使是在寒冷地区，也能有效改善空气源热泵性能，促进该系统的高效、持续运行。除此之外，双级耦合热泵需分别在低温和高温环境下同时运行，因此还需要利用不同的制冷剂。值得注意的是，受不同制冷剂蒸发温度差异的影响，若想提高整个系统的运行效率，还需要明确最佳中间环路温度。

3.2 蓄能除霜系统

从蓄能方式、空气源热泵的应用环境来看，空气源热泵和蓄能技术的组合方式有很多种。结合相变蓄能装置的特点，带有相变蓄能装置的空气源热泵系统应运而生，其原理如图2所示。

图2 带有相变蓄能装置的空气源热泵空调系统原理

3.3 太阳能蓄热系统

太阳能资源优势诸多，主要体现在安全、洁净以及储量大等方面，可作为传统不可再生能源的替代能源，但是在储存与利用方面难度较大。随着我国蓄能技术突飞猛进的发展，从中低温热能利用领域的角度来看，无论是太阳能地源热泵系统、太阳能空气源热泵系统，还是太阳能吸收式热泵系统都具备明显的节能效果。这些系统都需要有蓄能装置的支撑，以此为系统稳定性提供保障，同时也能进一步提升供热效果。太阳能蓄热系统是通过太阳能集热器来达到收集热量的目的，再通过显热蓄热装置对热量进行有效的储存，并通过热泵利用热源。为妥善解决冬、夏季节热需求与热供给的失衡问题，可设计季节性中央太阳能蓄热装置，如图3所示。在寒冷区域，可设计太阳能与低温空气源热泵复合空调系统，如图4所示。

图3 季节性中央太阳能蓄热装置

图4 太阳能与低温空气源热泵复合空调系统

太阳能与低温空气源热泵复合空调系统可实现两个热源的优势互补。首先，合理利用空气源热泵系统，不仅能有效减少太阳能集热器数量、减小蓄热水池体积，还能对初期投资进行严格把控。其次，设置太阳能季节性蓄热水池可在实现调峰作用的同时，从根源上减少空气源热泵在低温环境下的运行时间，从而为供热系统的安全稳定提供保障。

在太阳能辅助空气源热泵系统的基础上，也可结合实际情况增加蓄能装置，形成太阳能辅助空气源热泵蓄能系统。太阳能辅助空气源热泵蓄能系统由3套管蓄能型换热器组合而成，利用数据模拟等方式，可充分掌握蓄能容量和释能速率之间的关系。在此基础上，可构建二元串联黏性模型，合理设计蓄能换热器，并在最大程度上降低传热结构不对称的影响，提升系统全年运行的节能效果。目前蓄能器种类繁多，相关工作人员在具体选择时还需要结合实际情况，对各相变材料在各蓄能器中的蓄热与放热阶段的优化进行更加深入且细致的探讨。

4 结束语

综上所述，通过蓄能技术虽然能改善供热工况，利用峰谷电价实现经济效益，但由于大规模供热实例较少，还需要相关人员结合实际情况加强完善与优化蓄能型空气源热泵系统。蓄能热泵应用于双级耦合热泵系统，主要是融合了蓄能与双级耦合技术的优势，不但解决了双级耦合热泵存在的缺点问题，而且也能有效降低空气源热泵系统的温度。