太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统的应用研究

刘小溪，张昌建，胡文全，罗景辉

(河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸056000)

0 引言

太阳能供暖系统是一种利用太阳能集热器收集太阳辐射并转化为热能用于供暖的系统，其以太阳能为热源，供给建筑物采暖用热。目前，太阳能供暖系统主要存在以下6个方面问题：1)冬季太阳辐射的能量密度低；2)太阳辐射受昼夜、季节、纬度、天气和海拔高度等自然条件的限制，存在间歇性和不稳定性；3)末端采暖所需要的低温热水温度为35～45 ℃，导致太阳能集热器的有效工作时长较短；4)真空管太阳能集热器回水管路易结冰；5)昼夜热量不平衡；6)初装成本较高。以上问题导致太阳能供暖系统的规模化应用受限[1-2]。

本文针对太阳能供暖系统存在的问题，设计了一种太阳能供暖系统与直蒸式水源热泵相结合的供暖系统，即太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统。该系统具有以下特点：采用直蒸式水源热泵，可超低温(-10 ℃)吸收水或冰中的热能；利用蓄热水箱储存热量，削峰填谷；采用不易结冰的平板型太阳能集热器；通过自动控制系统按需供应末端负荷；运行费用较低。

搭建了实验平台，对太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统的工作原理、设计特点和运行特性进行研究与分析，并根据实验结果对系统进行优化与改进，以期为河北省南部地区乡镇住宅采暖提供技术可靠、供暖稳定、初装成本较低的新型供暖系统。

1 系统的工作原理及设计特点

1.1 系统的工作原理

本系统的工作原理如图1所示。07:00时，太阳能侧的循环水泵及其相关阀门由自动控制系统控制开启，太阳能被平板型太阳能集热器铜管中的介质乙二醇吸收，高温介质流经保温管道到达蓄热水箱，经过蓄热水箱下部的盘管换热器后将热能释放到水箱中，释放完热能后的低温介质在循环水泵的作用下回到平板型太阳能集热器，继续吸收太阳能，完成1个太阳能侧循环，具体如图1中的环路1所示。

图1 本系统的工作原理图Fig. 1 Working principle diagram of system in this paper

蓄热水箱上部的盘管换热器中的介质吸收水中的热能，并将热能传给直蒸式水源热泵，然后介质再回到蓄热水箱上部的盘管换热器，完成1个直蒸式水源热泵侧循环，具体如图1中的环路2所示。

18:00时，太阳能不可利用，此时自动控制系统会关闭太阳能侧的循环水泵，打开直蒸式水源热泵的阀门。这是因为直蒸式水源热泵可以在-10℃超低温工况下(本次设计最低温度为-5 ℃)吸收水或冰中的热能，故蓄热水箱下部的盘管换热器可通过水-冰相变释放出的相变潜热给直蒸式水源热泵供热，便于次日通过太阳能侧循环水泵快速融冰，具体如图1中的环路3所示。

在阴天或雪天时，无可利用的太阳能，由自动控制系统控制阀门开关，蓄热水箱上部和下部的盘管换热器同时向直蒸式水源热泵供热，以增加换热面积，减缓管外冰层结冰速度，可充分利用水相变释放的潜热，具体如图1中的环路4所示。

在压缩机的作用下，直蒸式水源热泵中的蒸发器吸收的热能将蒸发器的低温热能变成高温热能，通过末端冷凝器，给用户供暖。

1.2 系统的设计特点

1)昼夜供热量不平衡。对于冬季供暖，大多数供暖系统采用面积热指标[3]进行设计，而不考虑热负荷随时间的周期性变化。本次实验考虑到白天有太阳辐射，室内温度较高，白天所需热量少于夜晚所需热量的情况，因此，当供暖面积为60 m2、白天面积热指标q取25 W/m2时，白天所需热量为12×60×25×3600/1000=64800 kJ；夜晚面积热指标q取35 W/m2时，夜晚所需热量为12×60×35×3600/1000=90720 kJ；全天所需热量为155520 kJ。

2)太阳能利用度较高。传统的太阳能供暖系统的热源温度普遍在35 ℃以上，蓄热水箱体积小，太阳能利用时间较短。本系统的水-冰相变过程放热能力稳定，太阳能侧的循环水泵进口温度高于0 ℃蓄热水箱就可以蓄热，太阳能的利用温度区间和时间变长。

3)水-冰相变蓄热密度较高。传统的太阳能供暖系统在阴雨天或雪天等太阳能不充足情况下，无法满足供暖需求，而本系统利用蓄热水箱进行水-冰相变蓄热，即使没有太阳能的情况下，也可以坚持供暖一段时间，改善了太阳能存在较大的间歇性和不稳定性的问题。

2 实验平台

2.1 实验平台组成

实验平台由5部分组成：1)平板型太阳能集热器；2)内有与平板型太阳能集热器连接的放热盘管换热器、与直蒸式水源热泵连接的取热盘管换热器的蓄热水箱；3)直蒸式水源热泵；4)循环水泵及管道；5)控制系统。

图2 实验平台的各组成部分Fig. 2 Components of experimental platform

2.2 测试仪器

实验过程中所需测试仪器如表1所示。

表1 测试仪器类别Table 1 Test instrument category

3 系统的设备选型与设计

3.1 直蒸式水源热泵

本系统中直蒸式水源热泵直接将冷凝器置于室内，作为末端设备，其比常规的水源热泵供暖方式减少了一个环节，提高了水源热泵系统能效比(COP)。本系统中直蒸式水源热泵的输入功率为0.735 kW，采用R410A作为冷媒，运行温度为-5～15 ℃，制热能效比随直蒸式水源热泵进口温度变化曲线如图3所示。

图3 制热能效比随直蒸式水源热泵进口温度变化曲线Fig. 3 Variation curve of heating COP with inlet temperature of direct steaming water source heat pump

从图3可以看出：随直蒸式水源热泵进口温度升高，制热能效比也随之增大。当直蒸式水源热泵进口温度为15 ℃时，制热能效比为4.5，制热量为3.34 kW；当直蒸式水源热泵进口温度为0 ℃时，制热能效比为2.9，制热量为2.13 kW，-5～15 ℃的平均制热能效比为3.5。本实验主要用于测试低温相变取热供暖情况，低温工况下直蒸式水源热泵进口温度约为0 ℃，故制热能效比取值为2.9。

3.2 平板型太阳能集热器

平板型太阳能集热器的作用是将太阳辐射转化为热能。传统的太阳能供热系统介质在35～45℃循环采暖，可利用日照时间约有4 h(11:00～15:00)，采用太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统，直蒸式水源热泵内的低温介质在-5～15 ℃循环，可利用的日照时间增至7 h(07:00～11:00，15:00～18:00)。经实验人员在邯郸实验地点实测得出，太阳能日照辐射得热量日平均值为21016 kJ/m2，平板型太阳能集热器的集热效率[4]为58%，太阳能集热面积为12.76 m2；经计算[5]，采用2.4 m×0.7 m的平板太阳能集热器8块，平板型太阳能集热器与地面倾斜角为45°[6]。采用平板型太阳能集热器，可以解决真空管太阳能集热器回水管路结冰的问题。

3.3 蓄热水箱

蓄热水箱尺寸设计为1.0 m×1.0 m×1.1 m，有效容积为1 m3，外部进行保温处理。

蓄热水箱内有与平板型太阳能集热器连接的放热盘管换热器，位于蓄热水箱下方，放热盘管换热器材料选择聚乙烯(PE)，管径DN20，管长200 m，平均每米管长的换热量为7.5 W/m·℃，在平均温差为3 ℃时，换热能力为4.5 kW。白天释放的热量用以供暖和储存。直蒸式水源热泵连接的取热盘管换热器位于蓄热水箱上方，热水密度低，向上流动，便于取热，取热盘管换热器材料选择铝塑管，管径DN15，管长110 m，平均每米管长的换热量为5.5 W/m·℃，平均温差为3.5 ℃时，换热能力为2.31 kW。

3.4 循环水泵

太阳能侧的循环水泵采用闭式水泵，流量为1.45 m3/h，扬程为15 m，功率为0.55 kW；直蒸式水源热泵系统循环水泵采用闭式水泵，流量为1 m3/h，扬程为12 m，功率为0.5 kW；管道内流动介质采用20%乙二醇水溶液，冰点为-10 ℃。

4 系统运行情况分析

4.1 太阳能充足情况下

07:00～18:00，环路1和环路2开始运行。此时太阳能侧的循环水泵平均流量为1.42 m3/h，直蒸式水源热泵侧平均流量为0.568 m3/h。太阳能充足时07:00～18:00期间循环水泵进、出口温度如图4所示。

图4 07:00～18:00平板型太阳能集热器的进、出口温度Fig. 4 Inlet and outlet temperature of flat panel solar collectors during 07:00 to 18:00

从图4可以看出：07:00开启太阳能侧的循环水泵，环路转变，进、出口温度均有所变化。从约08:30开始，进出口温差逐渐增大，稳定融冰供暖；约11:30后，温差逐渐稳定，意味着融冰完成，开始储热；14:00～15:00，进、出口温度均达到峰值，表明此时太阳能得热量达到最高。15:00后，太阳辐射减弱，太阳能得热量逐渐减小；18:00关闭太阳能侧的循环水泵。

18:00～次日07:00，环路3运行。此时直蒸式水源热泵的平均流量为0.625 m3/h。直蒸式水源热泵的进、出口温度如图5所示。

从图5可以看出：07:00～18:00，直蒸式水源热泵进出口温差大，对应的流量较小；19:00～次日06:00的温差比07:00～18:00的温差小一些，对应的流量较大，这样直蒸式水源热泵整体供暖稳定，可以满足室内供暖要求。

4.2 太阳能不充足情况下

阴雨天或雪天等太阳能供应不足情况下，为充分利用水-冰的相变潜热，运行环路4，放热盘管换热器、取热盘管换热器同时变成取热盘管换热器，与蓄热水箱中的水进行热交换，乙二醇水溶液通过直蒸式水源热泵来为室内供暖。

图5 直蒸式水源热泵的进、出口温度变化曲线Fig. 5 Temperature change curve of inlet and outlet of direct steaming water source heat pump

利用蓄热水箱的水相变潜热供暖，其最大程度上可以将70%以上的水冻结成冰。利用蓄热水箱进行相变蓄热，1 m3的0 ℃水变成0 ℃冰最大可释放的热量为336000×0.7=235200 kJ，理想情况下可满足2天1夜的供暖。由于换热面积增加，流量增大，温差减少，结冰厚度也相对减少，针对结冰厚度对换热效果的影响，此处不再叙述。

本次实验测试了在24 h无太阳能供热的情况下，系统连续运行的实际运行效果，具体如图6所示。

图6 双换热器同时取热时水源热泵的进、出口温度Fig. 6 Inlet and outlet temperature of water source heat pump when double heat exchanger takes heat at the same time

在无太阳能可利用时，直蒸式水源热泵可持续稳定供暖，通过蓄热水箱的水相变释放出的潜热可以满足24 h供暖需求，维持室内温度正常。

考虑到融冰需求，如需维持后续正常供暖，可增加平板型太阳能集热器面积。按面积热指标为35 W/m2，24 h所需负荷为181440 kJ，所需平板型太阳能集热器面积约为15 m2。因此，可增设1～2块平板型太阳能集热器。

5 控制系统

太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统形成后，在不改变主要设备的前提下，采用PLC控制系统，根据天气变化情况，及时调整系统的运行情况，包括各开关及阀门启停，收集流量、温度、湿度、风速和电功率等数据，保证系统正常运行。

白天保证室内温度在约20 ℃的方式有2种，一种是自动控制末端风量大小，另一种是控制系统用户侧循环水泵的流量，目的是防止热能流失，让蓄热水箱多储藏高品位的热能，供晚上使用。

6 经济性分析

目前，河北省南部地区的乡镇住宅主要采用燃气壁挂炉采暖，运行费用高昂。2种供暖方式的经济性分析结果对比如表2所示。

表2 2种供暖方式的运行费用对比Table 2 Comparison of operating costs of two heating methods

本系统中的设备虽造价较高，但运行费用较低，预计3.38 年可收回成本，且有较高的环保效益。

7 结论

本文设计了一种太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统，并对其运行性能进行了测试，得到以下结论：

1)该系统供热量可满足河北省南部地区乡镇60 m2住宅的供暖要求，在阴雨天或雪天时也能满足供暖要求，直蒸式水源热泵的平均能效比为3.5，基本实现了太阳能的高效利用。

2)太阳能/直蒸式水源热泵耦合供暖系统具有一定的创新性，为太阳能采暖系统在乡镇住宅中的应用提供了新的方案。该系统解决了冬季太阳辐照量密度低、间歇性、不稳定和昼夜热量不平衡问题。系统投资成本在可接受范围内，且系统结构简单，运行费用低。