[科普中国]-太阳能光热空气源热泵制热

背景

近年来，PM2.5与PM10等日益加剧的环境污染问题和己探明化石能源限制开采等能源可持续利用的问题与矛盾，逐渐受到中外社会的重视，开发太阳能、空气能等可再生能源供冷暖技术，己成为世界各国制订可持续发展战略的重要内容川。2015年在巴黎举行的“第21届联合国气候变化大会”公布了最新的能源与环境统计数据。在全球每年的能源应用中，37%用于工业，20%用于交通运输,18%用于建筑，其余25%被当作废热排放。在全球能源应用比例中，太阳能光热仅占0.5%，太阳能光伏仅占0. 0400，太阳能利用技术的发展空间非常广阔。全球排名前10位的碳排放量由多到少的国家和地区依次为，中国的碳排放量占全球碳排放总量的22.3%，美国占19.91%，欧盟占14.04%，印度占5.5%，俄罗斯占5.24%，日本占4.28%，德国占2.69%，加拿大占1.9%，英国占1.84%，韩国占1.72%。我国作为世界上最大的发展中国家和最大的碳排放国，2014年的一次能源消费量为29.72亿吨油当量，相当于德国的9.6倍、日本的6.5倍、英国的15.8倍，而可再生能源应用仅占我国能源消费结构的10%，我国函需调整能源供应结构，大力发展可再生能源供应技术，增加节能减排的国际话语权，而太阳能、空气能等环境与经济友好的可再生能源己经在当下显示出明显的应用优势。

我国的建筑能耗约占社会总能耗的33%，在我国的建筑能耗中，使用能耗约为建造能耗的15倍，而在使用能耗中又以供暖和制冷能耗为最高，特别在北方寒冷地区，供暖能耗约占总使用能耗的35%。因此，供暖、生活热水等制热系统的节能是建筑节能减排的重要领域。空气源热泵作为电驱动可再生能源制热技术，设备安装灵活、运行自动化程度高，但空气源热泵在冬季制热性能波动较大，存在用户热负荷处于高位时，热泵制热性能处于低位的矛盾。太阳能作为清洁可再生能源，每年辐射到地球表而的能量相当于181. 3Gt标准煤，相当于全球能源年需求量的8 700倍。但太阳能的能流密度较低，一般可接收到的太阳能辐射强度不超过1 000W/m2，而且太阳能受时间、气候、地理位置等因素影响的品位波动较大，必须解决太阳能储存或辅助热源的问题，才能保证太阳能制热系统的连续稳定运行。

太阳能光热与空气源热泵各有利弊，两者互补是制热技术的发展方向之一。国家发改委等部委联名发布了“关于印发《‘十三五’全民节能行动计划》的通知”，其中“空气源热泵”和“太阳能热水器”第一次并列出现，并且提出“有条件地区新建建筑应当按相关技术规范要求预留安装位置”，明确要求“在夏热冬冷地区积极推广空气源热泵”。国家发改委、能源局正式发布了《能源发展“十三五”规划》及《可再生能源发展“十三五”规划》，明确了“能源消费总量年均增长比‘十二五’低1.1%，单位UDP能耗下降15%以上，太阳能集热器保有量从‘十二五’末的4亿平方米增至8亿平方米”。国家可再生能源中心发布的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》明确指出，“到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到1500”。津冀、辽宁、河南、山东、山西、江苏、浙江、福建等地区也都出台了具体的“煤改清洁能源”政策，大力扶持空气源热泵制热技术发展。因此，针对太阳能光热空气源热泵制热技术的主要研究进展进行归纳总结，进而提炼出当前中外研究形势，为“十三五”阶段的相关研究路线提供参考，是十必要的12。

热泵系统研究现状综述太阳能光伏光热系统研究现状太阳能光伏光热系统(Photovoltaic-Thermal, PV/T)是一种结合太阳能光热转换和光伏发电的综合型系统，该系统将光伏组件用作集热器的一部分，通过集热器背部管道中流动的工质将光伏组件中的热量加以利用，如进行建筑物采暖、供应生活热水等。PV/T系统根据光伏组件和集热器的不同可以组成多种不同的类型，如有平板型集热器、聚光型集热器等，光伏组件可以采用单晶体硅、多晶体硅、薄膜半导体等，工质可以采用水、空气、氟利昂等3。

PV/T系统的研究最早可以追溯到20世纪70年代。Kern and Russell，以空气和水作为流动介质，根据测得的实验结果提出了PVlT系统的一些主要概念。Hendriea通过运用常规的集热技术提出了一个PVlT系统的理论模型。Florschuetz拓展了Hottel-Whillie：模型的适用范围，用来分析PV/T系统1。

Raghuraman提出的数值方法可以用来预测空气光伏光热平板集热器的性能。 Cox and Raghuraman研究了典型的空气一光伏复合系统，进行了计算机模拟使用了一个新颖的典型硅电池来降低系统的花费，而Loferslti等人通过练个独立的空间分析与测量结果相比较，对一个把空气循环安置在住宅中的复合系统给出了分析结果。Bhargava和Prikash都对单通道PVrI'系统中的空气质量流速、气流管道长度/深度/吸收板太阳能电池所占比例等因素进行了研究，并针对其对系统的性能影响进行了相关的实验研究1。

另一方面，PV/T系统与太阳能辅助加热泵技术的结合使得高温生活用水和优异PV冷却性能成为可能。液态制冷剂在平板集热器背部的管道中蒸发，使得PV/T集热器与蒸发器合二为一，通过朗肯循环，太阳能在地域环境温度的PV/T蒸发器上被吸收，稍后又在较高温度下的水冷式冷凝器上被释放，降低了电池板的板温从而提高了光伏电池的光电效率。由于该新型系统相比于传统的空气源热泵具有更高的蒸发温度，因此该系统的性能系数也获得了提高。

近年来PV/T系统研究取得了全新的进展，Bazilian等人在其工作中展示了PV/T技术的应用和发展方向。Huang等人研究了一种采用常见多晶硅太阳能电池组件的综合PV/T，太阳能水集热系统，并利用一次能源节能效率的概念计算对比分析了该系统与传统太阳能水集热器的整体性能。Zondag等人利用一系列的稳态和动态仿真模型分析了一种PV/T水集热系统的性能表现1。

空气源热泵系统研究现状我国空气源热泵的生产与应用是从20世纪60年代开始的，但由于当时能源价格的特殊性和其他一些因素的影响，空气源热泵在我国的应用在20世纪80年代以前发展缓慢，经历了一段漫长的起步发展阶段。随着我国城市化进程的不断加快、人民生活水平的不断提高，空气源热泵取得了迅速的发展。空气源热泵是以空气为低温热源，通过输入少量电能驱动，将低位能源转化为高位能源的高效节能技术，具有安装方便，能源利用率高等优点。但是它的应用受到气候条件的制约，室内采暖热负荷会随着室外气温的下降而不断增加，同时造成空气源热泵制冷剂吸气比容增加，机组的吸气量迅速下降，最终使热泵系统的制热量减少。再者，由于压缩机压缩比的不断增加，压缩机的排气温度迅速升高，使得压缩机会因防止过热而自动停机保护，限制了空气源热泵不能再太低的环境温度下运行。同时由于压缩机压力比的增加导致系统的性能系数COP急剧下降。针对空气源热泵出现的这些弊端，众多国内外研究人员对如何提高空气源热泵制热性能进行了大量的研究4。

Nobukatsu Arai设计了带闪发器的涡旋压缩机注气系统来改善热泵系统的制热性能，相比于原来的系统制热量提高了15%左右。Bertsch等对双级压缩空气源热泵系统进行性能研究，当室外环境温度低至-30℃时，热水温度仍可高达50℃，系统制热COP为2.11。

清华大学将变频技术和双极压缩进行有机结合，提出了一种适用于寒冷区域的双级压缩变频空气源热泵系统，并提出了一种基于效率优先和制热量优先的双控制模式，根据需要通过采用变频等措施，从而提高了热泵系统在寒冷区域的制热量和性能系数。通过模拟和实验研究表明，该系统在冷凝温度为50℃和蒸发温度-25℃的条件下，系统的制热性能系数高于2，压缩机排气温度低于120℃，制热量可以满足用户的需求。哈尔滨工业大学提出了一种双级祸合热泵空调系统，并针对该系统进行了理论基础和系统创新的研究与实践工作。其研究结果表明，混合式双级祸合热泵空调系统是一种能够在低温环境中可靠运行、节能环保的新系统。

太阳能热泵系统研究现状综上，针对太阳能利用现状及空气能热泵的工作特性，与热泵有机结合的光伏/光热一体化热泵可实现高效率的热、电联供。一方面，PV/T系统提供电能的同时为光伏系统增加了热能;另一方面，PV/T光伏组件产生的热量被系统中的循环水带走，降低了光伏电池的工作温度，提高了发电量1。目前PV/T光伏冼热一体化的研究重点之一是太阳能光伏集热器的结构设计及优化，国内外众多学者对此进行了研究，如Ito5等设计了一种吹胀式铝板结构，也开展了平板型集热结构、低倍聚光型PV/T HP的理论与实验研究，上述研究主要针对集热器性能进行了热力研究而并未给出系统内部运行参数对光电、光热特性的影响。季杰6等提出一种全铝扁盒式PV/T热水系统，表明在对系统最终水温要求不高的情况下，可以通过降低系统初始水温等方法提高系统发电效率和热效率，但该集热器不能承受过大压力。孔祥强等对裸板集热器的热力性能做了性能模拟，表明集热管内径对集热效率影响并不大，但并未提供实验数据支持7。

直膨式制热系统直膨式太阳能热泵制热系统的核心设计，是将空气源热泵的风冷蒸发器替换为太阳能集热器，以吸收太阳能辐射热作为主要低位热源，以吸收自然对流的空气能作为辅助低位热源，满足用户热负荷需求。由于太阳能辐射热的热品位高于空气能，故可进一步提高空气源热泵的制热性能。制热系统的设计多样性则体现在冷凝侧，根据冷凝器的不同设计，主要有3种系统结构。

右图所示的浸入式冷凝器，冷凝器在水箱内直接与冷水接触换热，换热效率较高，制热效果较好。但是由于冷凝器长期处于与全部换热水体直接接触的制热状态，冷凝器铜管极易与水中的钙、镁、氯离子发生化学反应。水箱水体可提前经过软化处理，去除大部分的钙、镁离子，避免冷凝器表而生成水垢，保护冷凝器铜管不会因为水垢阻比有效传热而烧穿铜管。但是水中的氯离子易对铜、钢等金属表而造成腐蚀，故要求对浸入式冷凝器提前进行防腐处理，及水箱内胆使用搪瓷材质，避免冷凝器泄漏导致制冷剂污染水质及水箱漏水。图中与太阳能集热器并联的蒸发器，可作为夏季室内空调的有效选择，完善直膨式太阳能热泵的制冷功能;也可将太阳能集热器与室内蒸发器串联团习，在保证压缩机进口制冷剂不会过分过热的安全前提下，节省更多电能。

右图所示的外绕冷凝器式水箱，由冷凝盘管盘绕在金属材质水箱的外表而，在冷凝器外侧再敷设保温层及水箱外壳。此种水箱有效克服了浸入冷凝器式水箱的缺点，实现了制冷剂与水体的分离，保证了水体加热后的水质不受污染及冷凝器有效传热的顺畅。但由于冷凝器与被加热水体之间存在金属间壁，且为了保护水箱内壁不受腐蚀而选择性增设搪瓷内胆，导致冷凝器换热效率的降低;可通过在水箱外表而增加盘绕冷凝器盘管，进而增加换热而积的方法来缓解冷凝器换热效率降低的问题。

右图所示的热虹吸式冷凝器，是在换热套管内由热虹吸作为驱动力，实现冷凝器与水箱的换热口月。套管下部的水体受热后由于密度差而上浮进入水箱，将水箱下部密度大的水体泵入换热套管，反复循环制热。在直膨式制热系统其他部件相同的条件下，热虹吸式冷凝器的结构安全性和制热性能介于浸入式与外绕式冷凝器之间。浸入式冷凝器的制热性能较好，但结构安全性较差;外绕式冷凝器的结构安全性较好，但制热性能较差。冷凝侧水箱可用于供应生活热水，也可作为缓冲水箱供暖，避免热泵机组的频繁启停噪音及电压冲击。针对供暖和生活热水在水温和水质方而的不同要求，满足两联供功能的水箱研究还略显不足，在一定程度上限制了其推广应用;另外，水箱安装需额外占用室内空间，不利于其在小户型的推广应用。

对于太阳能集热器的多样化改进，有学者研发了翅片管平板式和蜂巢式太阳能集热器，相比于常规的平行管阵列式太阳能集热器，直膨式太阳能热泵制热性能系数分别提高了14. 6%和20. 5%。也有学者将太阳能光伏与光热组件藕合为一体化集热器，太阳能光伏光热组件的向阳一侧为太阳能光伏侧，大量吸收太阳能进行集热供电;背阳一侧为太阳能光热侧，利用太阳能光伏的余热，进行直膨式太阳能热泵制热循环，或加热自来水。相比于常规空气源热泵，太阳能光伏光热直膨式热泵的制热性能系数可提高9%以上。由于太阳能光热组件的冷却作用可提高光伏组件性能，在热电联产模式下系统的光电效率，比太阳能光伏板的单一光电模式可提高25%以上。

对于太阳能辐射强度较弱及低温工况，可设置双级压缩机系统，在满足40^55℃生活热水需求之余，有利于在较高性能下生产65 -80℃的高温热水，但其初投资过大，通过节省运行费用的初投资回收期过长，影响其推广应用。也可通过在热水通路上设置辅助电加热或燃气炉，达到获得温度范围较大的热水的目的。当太阳能辐射强度在100 W/m2以上，室外干球温度在-3℃以上时，即使室外相对湿度达到70%，太阳能集热器也不会结霜}33}。在直膨式制热系统中，50%以上的制冷剂循环于冷凝器中，20%-30%的制冷剂循环于太阳能集热器。改良的BIN方法和TRNSYS软件也被应用于直膨式太阳能热泵制热性能的评价与预测。经过模拟和实验的反复论证，直膨式太阳能热泵的制热性能系数，相比于常规空气源热泵可提高25%以上，相当于电热水器的3倍以上、冷凝式燃气炉的1.3倍以上阶。

虽然直膨式太阳能热泵制热系统在纵向的研发多样性上己经取得长足进展，但是缺少对例如上三幅图的相似结构系统制热性能的横向比较及适用分析。直膨式太阳能热泵制热系统的低位热源稳定性虽高于太阳能制热系统，但是低于以吸收强制对流的空气能作为主要低位热源的空气源热泵，在太阳能辐射强度较低时段的制热性能还需大幅提高，以达到全天制热性能稳定，故需要提高空气能利用率;对太阳能集热器结构的优化，及将占用安装空间较大的分体结构制热系统藕合一体化的研究也略显不足。这些是今后直膨式太阳能热泵制热系统的研究着眼点82。

水箱换热式制热系统水箱换热式太阳能联合空气源热泵制热系统是研发和应用较早的结构形式，依据太阳能集热单元与空气源热泵单元嵌套与否，主要分为如下图所示的两种系统结构。

右图所示的非嵌套水箱换热式制热系统的太阳能集热单元与空气源热泵单元是各自独立的两部分，相互之间不涉及换热，靠两个单元各自制热来共同加热蓄热水箱内的冷水，满足供暖或生活热水需求。日常主要依靠太阳能集热单元维持蓄热水箱的热水供应，当太阳能集热单元不能满足热负荷需求时，空气源热泵单元才会投入制热。此系统中空气源热泵单元的制热性能系数水平，与常规的空气源热泵相同，并没有因为太阳能的加入而有所提高。夏季时，空气源热泵单元可配置室内蒸发器，在提供生活热水的同时，用于空调制冷。此系统相比常规的热水及空调系统的全年平均节能率，可达到25%-50%。

右图所示的嵌套水箱换热式制热系统的太阳能集热单元与空气源热泵单元，通过蓄热水箱的连接，形成相互嵌套的系统结构。太阳能集热单元的制热量通过蓄热水箱的换热，可用于提高空气源热泵的制热能效，而蓄热水箱也可供应生活热水。夏季时，图中空气源热泵单元的蒸发器与冷凝器功能互换，并配置空冷式冷凝器，在提供生活热水的同时，为用户提供空调制冷。供暖末端可采用制冷剂直接制热的地板辐射供暖，避免制冷剂与水地暖的换热及水地暖循环泵的能耗，提高系统制热性能;空调制冷的室内末端可采用风机盘管，提高空调舒适度。当太阳能辐射强度从0 W/m2上升至800W/m2时，系统制热性能系数从2.35增长至2.57。此系统相比常规的热水及空调系统的全年平均节能率，可达50%以上。与上图所示系统存在相同问题，水箱换热式太阳能联合空气源热泵制热系统的占地而积较大，涉及到多台水泵的振动及噪音问题，故对系统设备的布置安装提出了预防共振和隔音降噪的要求，保障用户的使用环境舒适性。

以上两图所示系统结构为基础，通过增加冷热联供及蓄冷蓄热模块，可衍生出5种不同的水箱换热式制热系统结构，与同型号的空气刊丈热泵对比，这5种不同结构的制热系统的年耗电量平均可节省约30%。不同的制冷剂相继被应用于水箱换热式制热系统中。将非共沸混合物R32/R290应用于非嵌套水箱换热式制热系统中时，相对于应用R32/R290的常规空气源热泵，非嵌套水箱换热式系统的制热性能系数可提高4.23%-9.85%。将R22，R134a， R744，CO2应用于嵌套水箱换热式制热系统中，当室外干球温度低于13C时，嵌套水箱换热式系统的制热性能系数由高到低依次为R744，R134a，R22，C02;当室外干球温度高于13℃时，系统的制热性能系数由高到低依次为R134a，R744，R22，C02.虽然CO2系统的工作压力较高、制热性能系数较低，但其低温工况下的制冷剂流量水平较稳定，故制热稳定性较好2。

相变蓄热式制热系统蓄能技术是改善太阳能质量的不稳定性及与热负荷峰谷时间曲线不相匹配问题的有效技术手段。相变蓄热相比于例如水的单相蓄热而言，具有更可观的相变潜热换热量，调节系统性能的作用更显著。如今对相变蓄热式太阳能空气源热泵制热系统的研究，主要集中在3个方而，即对直膨式太阳能热泵制热系统的改进、三套管蓄能换热器的研发及相变蓄热水箱的应用。

对直膨式太阳能热泵制热系统的改进，主要在太阳能集热器排气口与压缩机进气口之间，设置太阳能相变蓄热装置。在天气晴好时，将制冷剂吸收的太阳能有效储存在相变蓄热装置中，一方而可为夜间低温工况的制热运行储存低位热源，保障夜间空气源热泵的高效制热，另外也可有效控制压缩机进气口处制冷剂的温度范围，避免严重过热和压力过载，保障压缩机安全运行。相变蓄热直膨式太阳能热泵的压缩机进气口温度可稳定在30℃左右，系统制热性能系数可维持在4.3左右。

三套管蓄能换热器的研发，是相变蓄热技术应用的新方向。如图所示。

新型换热器是在空气源热泵翅片管蒸发器的基础上，在制冷剂铜管外依次增设相变蓄热材料套管和水环路套管，并在套管中间设置肋片强化换热和结构支撑。当三套管蓄能换热器应用于水箱换热式制热系统时，水环路在太阳能集热器处吸热，在三套管蓄能换热器处将热量释放给相变蓄热材料套管，制冷剂再通过吸收相变蓄热材料的缓释热能作为低位热源，高效完成制热循环。实验数据表明，应用于水箱换热式制热系统时，在室外干球温度低于-10℃的条件下，相比于常规空气源热泵，系统制热性能系数提高了65%。当三套管蓄能换热器应用于直膨式制热系统时，其作为空气源热泵冷凝器，制冷剂将热能释放给相变蓄热材料，相变蓄热材料再通过热量延迟释放，加热最外层的水环路，由水环路达到用户制热的目的。实验数据表明，应用于直膨式制热系统蓄热模式时，系统性能系数可达3.005-3. 75；同时蓄释热模式时，系统性能系数可达3.31-3.45。可见，同时蓄释热模式相对于纯蓄热模式，系统制热性能系数更能稳定维持在高水平。

相变蓄热水箱，即把封装好的相变蓄热材料置于蓄热水箱中，将相变蓄热材料的延迟放热特性与蓄热水箱的大比热容、稳定水温特性结合使用。针对哈尔滨地区气象条件，当设计热负荷为l0 kW时，系统所需太阳能集热器而积为60 m2，对应相变蓄热水箱中相变材料的最佳质量分数为70%.相变材料封装尺寸减小，有助于提高太阳能集热量，且该效果在供暖初期和末期更为显著。针对西安地区气象条件，太阳能相变蓄热水箱空气源热泵供暖的性能系数为3.45 -5. 56。针对乌鲁木齐地区气象条件，太阳能相变蓄热水箱空气源热泵的全年供暖空调平均性能系数为3.342。

结语1)太阳能光热空气源热泵制热技术在直膨式、水箱换热式、相变蓄热式等系统结构的研发方而，己经取得长足进展。为了应对不同的安装环境与负荷需求，实现高效节能减排，几种系统结构可以进行整体或局部的有机组合，并没有严格的技术界限。

2)直膨式太阳能热泵的制热性能系数，相比于常规空气源热泵可提高25%以上，相当于电热水器的3倍以上、冷凝式燃气炉的1.3倍以上。该制热系统的低位热源稳定性虽高于太阳能制热系统，但还需要提高空气能利用率，以达到全天制热性能稳定。针对相似结构系统制热性能的横向比较及适用分析，对太阳能集热器结构的优化，及将占用安装空间较大的分体结构制热系统藕合一体化的研究还略显不足。针对供暖和生活热水在水温和水质方而的不同要求，满足两联供功能的水箱研究还略显不足。水箱安装需额外占用室内空间，在一定程度上限制了其推广应用。

3)水箱换热式制热系统相比常规的热水及空调系统的全年平均节能率，可达25%以上。但其占地而积较大，涉及到多台水泵的振动及噪音问题，故对系统设备的布置安装提出了预防共振和隔音降噪的要求，保障用户的使用环境舒适性。

4)相变蓄热式系统的制热性能系数普遍可达3. 31以上。各种新型相变蓄热材料虽然在热能缓释时间、放热温度范围等方而具有各种优越性能，但由于高成本及控制技术不够普及等原因，市场应用仍较少。

5)而对“十三五”阶段全国加速城镇化的新常态，太阳能光热空气源热泵制热技术的研究路线需要更加偏向适用于城市地区高层建筑用户的应用，即将庞大、分散的系统结构集成一体化，以适应广大高层建筑用户垂直、狭窄的外立而安装环境。