孫譽桐， 蔣綠林， 范文英

（常州大學 動力工程學院， 江蘇 常州 213016）

0 引言

國際能源署指出， 建筑能耗約占世界終端能耗總量的35%，建筑業(yè)是最大的終端用能部門[1]。在我國， 建筑能耗約占社會終端能耗總量的30%，其中，農村建筑能耗占全國建筑能耗總量的37%[2]，[3]。 因此，在未來的發(fā)展中，降低建筑能耗是社會發(fā)展的必然趨勢， 也是未來節(jié)能研究的重點方向。

Jordan 首先提出了太陽能與熱泵聯(lián)合運行的理念， 并指出這種方式能夠有效提高系統(tǒng)的整體性能[4]。 國內眾多研究者也對太陽能熱泵系統(tǒng)進行了大量研究。 李曉磊設計了太陽能系統(tǒng)與低溫熱回收空氣源熱泵相結合的供暖系統(tǒng)， 該系統(tǒng)以太陽能作為低溫熱源， 對與熱泵蒸發(fā)器串聯(lián)的蓄熱水箱進行加熱，然后以蓄熱水箱作為低溫熱源，并利用低溫熱回收空氣源熱泵對室內進行供暖[5]。 楊永魯實時監(jiān)測供回水溫度、室內溫度、環(huán)境溫度和系統(tǒng)能耗等數(shù)據(jù)變化情況。 由監(jiān)測結果得知，空氣源熱泵聯(lián)合太陽能系統(tǒng)供暖時，室內溫度明顯高于單一系統(tǒng)供暖，并且室內溫度穩(wěn)定[6]。 周璇通過監(jiān)測并聯(lián)式太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，各類因素的動態(tài)變化情況，優(yōu)化了運行控制策略，從而達到降低能耗的目的[7]。 蔣俊卿將太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)與燃氣、 燃油小區(qū)供暖系統(tǒng)進行經(jīng)濟性對比，根據(jù)對比結果得知，太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)更經(jīng)濟實惠， 具有較大的市場潛力[8]。

上述研究雖然較好地解決了太陽能熱泵受天氣變化導致不能連續(xù)供暖的問題。但在夜間，以空氣源熱泵為主的供暖方式，必然增加系統(tǒng)耗電量，特別是嚴寒地區(qū)，由于蓄熱水箱的儲能有限，又沒有穩(wěn)定的低溫熱源， 導致太陽能熱泵性能明顯降低，影響供暖的舒適度。傅杰將太陽能熱泵系統(tǒng)與相變儲能箱相結合， 以緩解電加熱供暖方式費用高、能耗高的問題[9]。韓興超提出了一種儲能瓦片，提高了太陽能的綜合利用率[10]。

本文設計的基于相變儲能的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)，在以太陽輻射能作為熱源的同時，利用相變儲能材料相變潛熱值高、相變點穩(wěn)定的特點，通過獨特設計的儲能冷凝器， 實現(xiàn)白天儲能、 夜間“免費”供暖，極大減少能耗，提高太陽能利用率。這樣既彌補了太陽能熱泵的不穩(wěn)定性， 提高了空氣源熱泵的低溫性能，減少化石燃料使用量，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，又最大限度地利用了太陽能和空氣能[11]。

1 系統(tǒng)原理及控制

基于相變儲能的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 基于相變儲能的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar air source heat pump system based on phase change energy storage

由圖1 可知， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)主要由太陽能集熱蒸發(fā)器、 壓縮機、 空氣源管翅式換熱器、儲能冷凝器、電子膨脹閥、水泵和供暖末端組成。 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)利用無機相變蓄熱材料的相變過程實現(xiàn)熱量的釋放和儲存。 當太陽光照強度良好時， 液態(tài)制冷劑在太陽能集熱蒸發(fā)器或空氣源管翅式換熱器中吸收熱量變成氣態(tài)，氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機絕熱壓縮后變成高溫高壓的過熱狀態(tài)， 氣態(tài)制冷劑在儲能冷凝器中放出熱量變?yōu)橐簯B(tài)，釋放出的冷凝熱一部分用于室內供暖，另一部分存儲在相變儲能材料中。 冷凝后的液態(tài)制冷劑通過電子膨脹閥節(jié)流后， 再次進入太陽能集熱蒸發(fā)器或空氣源管翅式換熱器，如此循環(huán)往復。夜間，儲能冷凝器持續(xù)放熱，為室內供暖；陰雨雪天氣時，空氣源熱泵輔助供暖；結霜時，儲能冷凝器作為穩(wěn)定的低溫熱源， 快速除霜， 穩(wěn)定室內溫度。

儲能冷凝器在整個過程中的作用：一方面，儲能冷凝器起到調節(jié)太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)能量分配的作用， 解決太陽能利用與實際需求不匹配的問題，將富余熱能轉移到夜間供暖使用，減少夜間供暖時系統(tǒng)的耗電量；另一方面，儲能冷凝器作為調節(jié)能量分配的載體， 存儲了太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)運行工況良好時的富余熱量， 作為在空氣源熱泵除霜時的低溫熱源， 解決太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)除霜時間長，運行不穩(wěn)定的問題，保證太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行。

太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)有4 種運行模式。 通過檢測太陽能集熱蒸發(fā)器板芯溫度Tp、室外環(huán)境溫度Tj、室內環(huán)境溫度Ti、室外空氣相對濕度φ 和空氣源管翅式蒸發(fā)器翅片溫度Tx等參數(shù)的變化情況控制電磁閥等，從而實現(xiàn)運行模式的切換。太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)運行模式如下。

①太陽能熱泵模式：當Tp-Tj＞5 ℃時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)啟動太陽能熱泵，電磁閥3 開啟，四通換向閥Ⅰ→Ⅱ，Ⅳ→Ⅲ，其余電磁閥關閉。

②空氣源熱泵模式： 當同時滿足Tp-Tj≤5 ℃和Ti＜18 ℃時， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)啟動空氣源熱泵，電磁閥1，2 開啟，四通換向閥Ⅰ→Ⅲ，Ⅰ→Ⅱ，其余電磁閥關閉。

③儲能供暖模式： 當同時滿足Tp-Tj≤5 ℃和Ti≥18 ℃時， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)啟動儲能供暖模式，電磁閥1，2，3 都處于關閉狀態(tài)，此時壓縮機停止做功。

④儲能除霜模式： 當同時滿足Tx＜0 ℃，φ≥65%和tmin≥50 時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)開啟儲能除霜模式， 電磁閥1，2 開啟， 四通換向閥Ⅱ→Ⅲ，Ⅰ→Ⅳ，其余電磁閥關閉。

2 實驗平臺

以石家莊農村地區(qū)某套“煤改電”居民住宅為研究對象，住宅建筑面積為75 m2，住宅層高為2.8 m，安裝現(xiàn)場圖如圖2 所示。

圖2 安裝現(xiàn)場圖Fig.2 Picture of installation site

冬季，采暖室內設計溫度為18 ℃，有效日照時間為8：00-16：00， 供暖末端為地板輻射采暖。經(jīng)逐時負荷計算，8：00-16：00 總熱負荷為129.33 MJ；16：00-次日8：00 總熱負荷為342.66 MJ。

本實驗平臺中， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)實驗裝置包括上海日立WHP19460DCC 型轉子式壓縮機、24 片平板型太陽能集熱蒸發(fā)器、 換熱面積為9.21 m2的空氣源管翅式換熱器、電子膨脹閥和儲能冷凝器。其中，儲能冷凝器填充了常州海卡公司的47 ℃無機相變儲能材料Ca（NO3）2作為相變儲能材料，相變潛熱為252.6 kJ/kg，密度為1 900 kg/m3。 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)實驗測試儀器包括TBQ-2L 型太陽輻照儀、 美控MIK5000A 型無紙記錄儀、常州金艾聯(lián)JK-16U 型多路巡檢儀、中環(huán)天儀LWY-25C 型渦輪流量計、 長沙威勝DSSD331 型三相三線制電能表和HC2-S 型溫濕度探頭，溫濕度探頭的精度為±0.8%RH/±0.1 ℃。

3 實驗及結果分析

為了驗證太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的有效性，本文分別對白天太陽能熱泵模式、夜間儲能模式和極端條件下空氣源熱泵模式進行分析。

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理

儲能冷凝器中相變儲能材料的蓄熱量Qpcm的計算式為

式中：k 為儲能裝置的熱效率；mpcm為相變儲能材料的質量，kg；Tt為相變溫度，K；Tm1，Tm2分別為相變儲能材料溫度的上限和下限，K；cs為相變儲能材料固相比熱容，kJ/（kg·℃）；cL為相變儲能材料液相比熱容，kJ/（kg·℃）；λ 為相變潛熱，kJ/kg；ρ為相變儲能材料的密度，kg/m3。

太陽能熱泵系統(tǒng)的能效比COP 的計算式為

式中：Qs為太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱量，kW；Ws為太陽能熱泵系統(tǒng)的能耗，kW。

蓄熱水箱體積V 的計算式為

式 中：Q 為 水 的 蓄 熱 量，kJ；c 為 水 的 比 熱 容，kJ/（kg·℃）；ρ 為水的密度，kg/m3；t1，t0分別為水的最終溫度和初始溫度，℃。

消耗標準煤的質量Qm的計算式為

式中：Qj為太陽能空氣源熱泵的供熱量，MJ；qm為標準煤的熱值，取29.3 MJ/kg；ηm為燃煤鍋爐的熱效率，取65%。

3.2 實驗結果

3.2.1 太陽能熱泵模式

圖3 為太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 和室內溫度隨時間的變化情況。

圖3 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 和室內溫度隨時間的變化情況Fig.3 Changes of COP and indoor temperature of solar air source heat pump system over time

由圖3 可知，白天太陽能熱泵運行時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 的波動情況基本與太陽輻照度的變化情況一致，維持在4.5～5.2，平均值為4.92。 在12：00-13：00 時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 的最大值為5.19， 與蓄熱水箱相比，COP 提升約23.9%，節(jié)能效果十分顯著。室內溫度由14 ℃上升到22.5 ℃，完全滿足供暖需求。

白天， 太陽能熱泵熱量隨時間的變化情況如圖4 所示。

圖4 白天，太陽能熱泵熱量隨時間的變化情況Fig.4 Daytime heat changes of solar heat pump over time

白天，太陽輻照良好時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)有效供熱量（為557.17 MJ）低于太陽能熱泵制熱量（為623.45 MJ），能量不匹配的原因如下：①儲能冷凝器的熱效率為0.91，蓄熱過程中，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)會逸散一部分熱量； ②供暖過程中，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)中管路存在散熱情況；③實驗過程中，儀器測量過程存在誤差。太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)有效供熱量的31.4%用于室內供暖， 富余的68.6%存儲在儲能冷凝器中。 綜上所述，在保證室內供暖的前提下，儲能冷凝器存儲了富余的太陽能。

3.2.2 儲能模式

夜間， 儲能冷凝器各項溫度參數(shù)和室內溫度隨時間的變化情況如圖5 所示。

圖5 夜間，儲能冷凝器各項溫度參數(shù)和室內溫度隨時間的變化情況Fig.5 At night， changes of temperature parameters of the energy storage condenser and indoor temperature over time

由圖5 可知，儲能冷凝器內部的相變儲能材料在18：00 達到相變點（相變溫度為47 ℃），直至次日6：30 這段時間相變溫度十分穩(wěn)定。 儲能冷凝器平均出水溫度為42 ℃，儲能冷凝器平均進水溫度為38.3 ℃， 儲能冷凝器供、 回水溫差約為5℃，儲能冷凝器整晚釋放熱量為352.496 MJ，占白天儲能冷凝器蓄熱量的92.2%。

由圖5 還可以看出，供暖初期，室內溫度明顯高于18 ℃，室內溫度經(jīng)歷先上升、后緩慢降低、再逐漸趨于平穩(wěn)的過程，整個供暖過程，室內平均溫度約為20 ℃。 通過分析可知，儲能冷凝器放熱時，釋放出的熱量超過了供暖房間的熱負荷需求，即儲能冷凝器釋放熱量未能與供暖房間負荷完全匹配，這樣不僅使室內溫度過高，造成了熱量浪費，又縮短儲能冷凝器放熱持續(xù)時間。 針對此問題，本文在太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)中安裝了溫度控制裝置，當室內溫度達到設定值時，切斷用戶側供水，待到室內溫度低于設定值時，再恢復供水，達到延長太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)供暖時間的目的。

3.2.3 空氣源熱泵和儲能除霜模式

當連續(xù)陰雨雪天時，太陽輻射能不足以使太陽能熱泵運行時，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)運行模式切換到空氣源熱泵模式；對于結霜問題，本文基于儲能冷凝器提出的新型的儲能除霜模式，即利用儲能冷凝器作為除霜時的低溫熱源，該模式未使用室內熱量穩(wěn)定空氣源熱泵運行，減少除霜時間，快速穩(wěn)定室內溫度。 0：00-2：00 時，室外溫度較低，空氣相對濕度較大，此時較不利于空氣源熱泵供暖。

圖6 為太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量和室內溫度隨時間的變化情況。

圖6 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量和室內溫度隨時間的變化情況Fig.6 Changes of the heating capacity of heat pump system and changes of indoor temperature over time

由圖6 可知，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量呈周期性變化，最大下降量約為該系統(tǒng)制熱量的30%，這是由該系統(tǒng)結霜導致的。室內溫度一直維持在19 ℃左右，并且溫度波動范圍極小，這是由于儲能除霜模式快速除霜，使太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)迅速恢復供暖。 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP均值為2.12。 運行結果表明，極端氣候情況下，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)運行性能較優(yōu)越。

3.3 儲能效果

儲能冷凝器既承擔換熱器的作用，又具有存儲富余的換熱量的作用。 圖7 為儲能冷凝器裝置示意圖。

圖7 儲能冷凝器裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of energy storage condenser device

由圖7 可知，儲能冷凝器左側連接的是氟盤管，右側連接的是水盤管，兩者交替排布，其余位置填充無機相變儲能材料。 由式（1），（3）計算可知， 相同蓄熱量情況下， 相變儲能材料體積為0.695 m3，相變儲能材料重量為1.32 t，相比蓄熱水箱，相變儲能材料體積減小92.3%，相變儲能材料重量減輕83.5%。綜上所知，相變儲能材料蓄熱能力較好， 并且相變儲能材料的固液相變溫度十分穩(wěn)定，方便控制和管理，實現(xiàn)恒溫調節(jié)。

3.4 經(jīng)濟環(huán)保效益

石家莊地區(qū)的供暖期約為120 d， 晴天約為85 d，陰雨雪天約為30 d，極端氣候天氣約為5 d，按照當?shù)夭裼?、天然氣和電的價格分別為6元/kg，2.2 元/m3，0.5 元/（kW·h）估算，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)一個供暖季的運行費用約為2 241元，僅占燃油鍋爐運行費用的25.5%、燃氣鍋爐運行費用的55.4%、電鍋爐運行費用的27.1%、空氣源熱泵運行費用的65.6%、 聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行費用的88.7%。雖然，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資相對較高，但系統(tǒng)的運行費用較低，經(jīng)濟效益明顯。

此外， 本文通過折合標準煤的消耗量分析太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的環(huán)保效益。整個供暖期，太陽能熱泵的總供熱量為46 750 MJ，總耗電量為3 175.48 kW·h，經(jīng)式（4）計算得到，相同的供熱量對應消耗2.455 t 標準煤， 相同耗電量對應消耗0.6 t 標準煤，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)每年可節(jié)省標準煤1.855 t。耗煤量的減少，促使CO2，SO2和可吸入顆粒物等污染物的排放量減少， 符合節(jié)能減排的要求，改善我國的空氣質量。

4 結論

①基于相變儲能的太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)通過太陽能、空氣源與相變儲能優(yōu)勢互補，減小太陽能熱泵系統(tǒng)對環(huán)境的依賴程度。晴天，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)平均能效比為4.92；陰雨雪天，太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 均值為2.12。太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)整體性能優(yōu)越， 與地板輻射采暖結合供暖效果較好，值得在北方地區(qū)推廣。

②儲能冷凝器可以調節(jié)能量。白天，太陽能熱泵高效運行， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)COP 高達5.19；夜間，通過獨特設計的儲能冷凝器，實現(xiàn)儲能“免費”供暖，進一步減少能耗。 在極端氣候，儲能冷凝器也可作為空氣源熱泵的低溫熱源， 快速除霜。

③通過對比分析可知， 太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)初投資較高，但是節(jié)能環(huán)保效益明顯，極大減少了年運行費用和溫室氣體排放。 相變儲能材料蓄熱性能較好， 并且相變儲能材料的固液相變溫度十分穩(wěn)定，方便控制和管理。