文 博,張子靜

1.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030 2.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030

1 蓄能技術(shù)的重要性

在空氣源熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用蓄能技術(shù)的重要性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)空氣源熱泵除霜系統(tǒng)需要由制冷替換供熱模式，再由冷凝器替換蒸發(fā)器實(shí)施除霜工作，而通過(guò)蓄能裝置進(jìn)行除霜，則能有一定的熱量支撐，加上科學(xué)合理地采取運(yùn)行策略，能在很大程度上避免在除霜階段對(duì)末端用戶的供熱效果造成影響；（2）在空氣源熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用蓄能技術(shù)，能夠有效調(diào)節(jié)電力負(fù)荷；（3）在對(duì)供熱進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中，能避免出現(xiàn)用戶熱需求和熱供給不平衡的現(xiàn)象；（4）蓄能技術(shù)可應(yīng)用在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水機(jī)組等不同的熱泵系統(tǒng)中。

與傳統(tǒng)供熱方式相比，空氣源熱泵具有初投資低、安裝靈活，以及節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，正是因?yàn)檫@諸多優(yōu)勢(shì)，空氣源熱泵的應(yīng)用越來(lái)越普遍。值得注意的是，雖然空氣源熱泵發(fā)展前景大好，但在較為寒冷的地區(qū)，室外低溫環(huán)境會(huì)增加空氣源熱泵技術(shù)的壓縮比，對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行造成一定的影響。若想從根源上解決空氣源熱泵的這一不足，還需結(jié)合蓄能技術(shù)，進(jìn)一步完善與優(yōu)化空氣源熱泵，保證低溫工況效率。

2 蓄能技術(shù)的類型

（1）顯熱蓄能。顯熱蓄能主要是通過(guò)提高蓄能材料溫度的方式達(dá)到蓄能效果，這種熱能的儲(chǔ)存方式與蓄能材料的溫度和熱能量都有著密不可分的聯(lián)系。通常在顯熱蓄能密度較小的情況下，還需要有較大的蓄能容積來(lái)支撐。

（2）相變蓄能。通過(guò)蓄能材料的相變，能夠達(dá)到熱量?jī)?chǔ)存和釋放的目的。受蓄能材料相變潛熱高出顯熱的影響，相變蓄能的熱能密度要比顯熱蓄能高出很多。除此之外，相變蓄能具有諸多優(yōu)勢(shì)，如設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、熱能密度高等，可將相變蓄能技術(shù)與空氣源熱泵進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并加以應(yīng)用。

（3）熱化學(xué)反應(yīng)蓄能。若想更好地實(shí)現(xiàn)蓄能，利用可逆熱化學(xué)反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。與顯熱蓄能和相變蓄能這兩種方式相比，熱化學(xué)反應(yīng)蓄能所儲(chǔ)存的熱能密度更高。值得注意的是，受熱化學(xué)蓄能研究不充足的影響，其并未在商業(yè)方面進(jìn)行應(yīng)用。

3 蓄能技術(shù)在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)

在普通風(fēng)冷式空氣源熱泵系統(tǒng)供熱的過(guò)程中，其最低溫度一般不低于-7℃，如果低于最低溫度，則會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜或者壓縮比過(guò)大等問(wèn)題，從而降低系統(tǒng)效率。若想更加妥善地解決傳統(tǒng)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)效率不高的問(wèn)題，還需要對(duì)雙級(jí)耦合熱泵進(jìn)行深入研究。雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)原理

雙級(jí)耦合熱泵作為傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的升級(jí)版，是低溫側(cè)空氣源熱泵機(jī)組、高溫側(cè)水源熱泵機(jī)組的結(jié)合版本。將封閉水系統(tǒng)安裝在兩個(gè)系統(tǒng)間，低溫側(cè)機(jī)組能為高溫側(cè)機(jī)組提供15℃左右的水，再由高溫側(cè)機(jī)組向末端用戶提供熱源，當(dāng)然也可結(jié)合室外的真實(shí)溫度，隨時(shí)切換單、雙級(jí)，實(shí)現(xiàn)供熱效率的大幅度提高。與單級(jí)熱泵系統(tǒng)相比，雙級(jí)熱泵系統(tǒng)能有效減少壓縮機(jī)壓縮比，即使是在寒冷地區(qū)，也能有效改善空氣源熱泵性能，促進(jìn)該系統(tǒng)的高效、持續(xù)運(yùn)行。除此之外，雙級(jí)耦合熱泵需分別在低溫和高溫環(huán)境下同時(shí)運(yùn)行，因此還需要利用不同的制冷劑。值得注意的是，受不同制冷劑蒸發(fā)溫度差異的影響，若想提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還需要明確最佳中間環(huán)路溫度。

3.2 蓄能除霜系統(tǒng)

從蓄能方式、空氣源熱泵的應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，空氣源熱泵和蓄能技術(shù)的組合方式有很多種。結(jié)合相變蓄能裝置的特點(diǎn)，帶有相變蓄能裝置的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其原理如圖2所示。

圖2 帶有相變蓄能裝置的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

3.3 太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)諸多，主要體現(xiàn)在安全、潔凈以及儲(chǔ)量大等方面，可作為傳統(tǒng)不可再生能源的替代能源，但是在儲(chǔ)存與利用方面難度較大。隨著我國(guó)蓄能技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從中低溫?zé)崮芾妙I(lǐng)域的角度來(lái)看，無(wú)論是太陽(yáng)能地源熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)，還是太陽(yáng)能吸收式熱泵系統(tǒng)都具備明顯的節(jié)能效果。這些系統(tǒng)都需要有蓄能裝置的支撐，以此為系統(tǒng)穩(wěn)定性提供保障，同時(shí)也能進(jìn)一步提升供熱效果。太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)是通過(guò)太陽(yáng)能集熱器來(lái)達(dá)到收集熱量的目的，再通過(guò)顯熱蓄熱裝置對(duì)熱量進(jìn)行有效的儲(chǔ)存，并通過(guò)熱泵利用熱源。為妥善解決冬、夏季節(jié)熱需求與熱供給的失衡問(wèn)題，可設(shè)計(jì)季節(jié)性中央太陽(yáng)能蓄熱裝置，如圖3所示。在寒冷區(qū)域，可設(shè)計(jì)太陽(yáng)能與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 季節(jié)性中央太陽(yáng)能蓄熱裝置

圖4 太陽(yáng)能與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)

太陽(yáng)能與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)熱源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。首先，合理利用空氣源熱泵系統(tǒng)，不僅能有效減少太陽(yáng)能集熱器數(shù)量、減小蓄熱水池體積，還能對(duì)初期投資進(jìn)行嚴(yán)格把控。其次，設(shè)置太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱水池可在實(shí)現(xiàn)調(diào)峰作用的同時(shí)，從根源上減少空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的運(yùn)行時(shí)間，從而為供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提供保障。

在太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，也可結(jié)合實(shí)際情況增加蓄能裝置，形成太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵蓄能系統(tǒng)。太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵蓄能系統(tǒng)由3套管蓄能型換熱器組合而成，利用數(shù)據(jù)模擬等方式，可充分掌握蓄能容量和釋能速率之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可構(gòu)建二元串聯(lián)黏性模型，合理設(shè)計(jì)蓄能換熱器，并在最大程度上降低傳熱結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的影響，提升系統(tǒng)全年運(yùn)行的節(jié)能效果。目前蓄能器種類繁多，相關(guān)工作人員在具體選擇時(shí)還需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)各相變材料在各蓄能器中的蓄熱與放熱階段的優(yōu)化進(jìn)行更加深入且細(xì)致的探討。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)蓄能技術(shù)雖然能改善供熱工況，利用峰谷電價(jià)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，但由于大規(guī)模供熱實(shí)例較少，還需要相關(guān)人員結(jié)合實(shí)際情況加強(qiáng)完善與優(yōu)化蓄能型空氣源熱泵系統(tǒng)。蓄能熱泵應(yīng)用于雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)，主要是融合了蓄能與雙級(jí)耦合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不但解決了雙級(jí)耦合熱泵存在的缺點(diǎn)問(wèn)題，而且也能有效降低空氣源熱泵系統(tǒng)的溫度。