新材料与新技术化 工 设 计 通 讯
New Material and New Technology
Chemical Engineering Design Communications
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第46卷第12期
2020年12月
目前，许多研究人员针对太阳能的利用开展了研究，而针对供热系统，虽然已经有了许多太阳能供热系统，但是其受到外界条件影响较大，存在运行稳定性不足的问题。而空气源热泵结构较为简单，并且性价比较高，可以直接从空气中获得热量，具有极高的推广价值，并且全球许多地区已经将空气认定为可再生资源，加强了对空气能利用的重视程度。但是，空气源热泵在低温环境下运行效率差，并且在冬季容易产生结霜的问题。因此，本文将针对太阳能与空气源热泵的集成模式展开研究，分析探讨目前主流的几种集成系统，以及其系统类设备的优化改进方法，并针对目前集成系统存在的问题提出了展望建议。 1 太阳能与空气源热泵集成方式
系统中过高的压缩比，作为限制空气源热泵在低温条件
下运行的重要因素之一，通过降低系统中的压缩比能够提升系统在低温条件下的运行效能，因此，将喷射器与空气源热泵相结合，能够通过回收利用节流时损失的膨胀功，使得压缩机吸气压力提升，降低系统中压缩机的压缩比。目前一种新的集成系统，在此基础上，引入了太阳能集热器，通过用
太阳能辅助喷射器，达到提高系统运行效率的目的。通过将太阳能集热器的进口与冷凝器的出口相连，将太阳能集热器的出口与喷射器的喷嘴相连，使得冷凝器中传输的饱和或过冷制冷剂液体，在太阳能集热器中吸收热量，进入喷射器中作引射流体。当外界工作条件缺少太阳能辐射时，通过将集热器旁通的方式，系统的运行方式又变回之前普通的喷射器增效。根据电脑模拟得出的数据，引入太阳能集热器辅助的喷射器增效空气源热泵系统，平均COP （系统制冷性能系数）分别比普通的喷射器增效系统，以及传统空气源热泵高出14%
三爪拉马
和25%[1]（图1）
。电磁阀-B
电磁阀-A
冷凝器
喷射器
蒸发器
压缩机
太阳能集热器
气液分离器电子膨胀阀
图1 喷射器与蒸发器和集热器结合系统示意图
国外针对喷射器与集热器和蒸发器相连，设计了一种集成系统，使制冷剂从冷凝器输出之后分为两股，一股直接进入翅片管换热器，另一股经过液体泵之后，进入平板太阳能集热器。
摘 要：太阳能以及空气源热泵作为新兴的清洁能源，虽然具有清洁节能的优势，但是它们的性能受外界天气影响较为严重，在一些外界工作条件下，难以正常的运行，保证较高的工作效率。因此，通过将太阳能与空气源热泵相结合，整合为一个集成式系统，可以将双方的优势以及缺点互补。结合太
阳能空气源热泵多种集成方式，通过深入的分析研究，探讨主流太阳能与空气源热泵集成供热系统，并分析探讨不同集成系统各自的特点，并在此基础上分析不同集成系统的适用范围。通过探讨分析，总结出了太阳能能够有效地解决空气源热泵在运行过程中存在的结霜问题，提高空气源热泵在低温条件下的运行效率，与此同时，空气源热泵也能够有效地弥补太阳能供热系统存在的不稳定性，以及不连续性等缺点。因此，将太阳能与空气源热泵进行整合，能够有效提高供热系统的稳定性与节能效果。最后，结合太阳能与空气源热泵集成系统的现状，分析集成系统存在的不足之处：现有的集成供热系统，主要针对几个特定的工作环境，很难在较为宽泛的外界环境条件下正常的运行，因此，集成系统的可靠性以及适应性需要进一步加强。其次，集成系统并未根据外界环境变化设置相应的临界数值，并没有一个最优的控制策略以及动态运行特性研究。最后，集成系统主要侧重于提高自身的性能，对于经济性并没有深入的考量。因此，针对存在的问题提出太阳能与空气源热泵集成系统未来的展望建议。
关键词：太阳能；空气源热泵；集成供热系统中图分类号：TU833 文献标志码：B 文章编号：1003–6490（2020）12–0041–02
Solar Energy and Air Source Heat Pump Integrated Heating System
Shen Peng
Abstract ：Solar energy and air source heat pump ，as emerging clean energy ，have the advantages of clean and energy-saving ，but their performance is seriously a ffected by the external weather ，and in some external working conditions ，it is di fficult to operate normally ，to ensure a higher working efficiency.Therefore ，In this paper ，combined with a variety of solar air source heat pump integration mode ，through in-depth analysis and research ，to explore the solar energy and air source heat pump integrated heating system linear ，and analyze the advantages and disadvantages of di fferent integrated systems ，and on this basis ，to analyze the applicable scope of di fferent integrated systems.According to the discussion of the above analysis ，summarizes the solar energy can e ffectively solve the air source heat pump in the settlement of the problems existing in the operation process ，improve the e fficiency of air source heat pump under low temperature conditions ，at the same time ，also can e ffectively make up for the solar air source heat pump heating system is instability ，as well as the discontinuity and so on shortcomings ，therefore.Finally ，combining with the current situation of solar energy and air source heat pump integrated system ，analyzing the de ficiency existing in the system of collection ：first ，some integrated heating system ，focuses on a few specific work environment ，it is difficult to effectively ，under the condition of relatively broad external environment ，the normal operation ，therefore ，integrated system reliability and adaptability of the need to be further strengthened.Secondly ，the in
tegrated system does not set the corresponding critical value according to the change of the external environment ，and there is no optimal control strategy and dynamic operation characteristics research.Finally ，the integrated system particularly focus on improve the performance of their own ，and for the economy is not thorough consideration ，therefore ，the future should be combined with the integrated system of economy ，the development of both efficiency and economic benefit of heating integrated system ，the development direction of the future.
Key words ：solar energy ；air source heat pump ；integrated heating system 太阳能与空气源热泵集成供热系统
申 鹏
智能拼图（北京热力集团输配分公司，北京 100000）
收稿日期：2020–09–13作者简介： 申鹏（1992—），男，北京人，助理工程师，主要从事供
热系统的设计与运行相关工作。
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与此同时，集热器输出的过热蒸汽在喷射器内膨胀为两相流体，然后引射蒸发器出口的制冷剂蒸气，帮助系统提高吸气压力。该系统通过将太阳能集热器串联喷射器，有两个优势：首先，通过太阳能集热器额外吸收的清洁热能，能够有效地提高系统的冷凝功率；其次，通过引入喷射器，能够提高系统的吸气压力，进一步强化系统中压缩机的运行效率。经过计算机模型分析，这种集成模式的系统COP 以及冷凝功率分别较传统的空气源热泵提高了15%和38%左右（图2）。
太阳能集热器
冷凝器
蒸发器
节流阀
压缩机喷射器泵
39
10
2
84
1
7′
5′5sccnn
智能控制模块6
7
水
图2 喷射器与蒸发器和集热器结合系统示意图
四氢呋喃除水1.2 集热器与翅片管换热器并联、串联
在20世纪末，国外设计了一种利用太阳能集热器辅助空气热泵的集成系统，在这个系统中，将太阳能集热器与备用冷却空气型蒸发器进行并联，并通过设置切换阀门，使得集成系统在运行过程中，太阳能集热器与空气型蒸发器中的一个单独作为热泵蒸发器。当外界光照条件充足时，使用太阳能集热器，而当外界光照较少，太阳能集热器运行效率较低时，则使用冷却空气型蒸发器。该系统将太阳能集热器的蛇形铜管，直接暴露在外界空气中，并且没有设置透明盖板，根据大量的实验结果表明，在外界光照条件充足，温度在0~10℃时，该系统的局热效率为55%左右，并且在太阳能集热器模式下，系统COP 比冷却空气型蒸发器模式高40%左右[2]。
由于受到当时客观条件的影响，太阳能集热器并没有设置透明盖板，虽然降低了系统造价，并且增加了光照辐射，但是集热器的散热损失也相应增大。因此，之后有人对该系统进行了优化改进，设计了一种双热源集成系统，具有两种运行模式，分别是太阳能集热器模式，以及太阳能与空气能结合模式。在结合模式下，制冷剂分别同时流过太阳能集热器以及翅片管换热器，并通过电子阀门控制流量分配，这个时候制冷剂既可以对太阳能进行利用，也能够吸收空气中的热量，使得系统在外界光照辐
射较低的条件下，也能够高效稳定地运行。实验表明，双热源系统较之前系统中太阳能集热器模式，节约了约20%的加热时间，且COP 平均提高了14%左右，双热源集合系统能适应严寒的恶劣工作环境（图3）。
压缩机
水箱
3
4a
管式热交换器原理图5a
4b 5b 1
2冷凝盘管
电子膨胀阀2集热器
电子
膨胀阀1太阳能集热器
翅片管换热器图3 集热器与翅片管换热器并联双热源系统示意图
陈雁等设计了一个集成系统，使用平板太阳能集热器，直接对空气进行加热，并用风机将加热之后的空气传输至热泵蒸发器侧[3]。由于传输的空气温度高于外界环境温度，因此，使用预热空气能够有效地提高空气热泵的蒸发温度。与此同时，陈雁提出了应该根据现场实际情况，对太阳能集热器面积进行控制，将集成系统的蒸发温度控制在-7~0℃。刘鹏等对这种集成模式进行了经济效益研究分析，根据他们的研究结果显示，将集热器与翅片管换热器串联的集成模式，相较于单层的空气源热泵系统，每年能够节约至少138元的运行费用。
2 太阳能与空气源热泵集成系统现状与展望
从宏观角度来讲，太阳能与空气源热泵集成供热系统，进一步推动了清洁能源供暖，对保护环境、节约资源有着重要的意义，但是部分集成技术还有待进一步优化改进。根据目前太阳能与空气源热泵集成系统现状，提出以下几点展望：
1）目前太阳能与空气源热泵集成系统，主要针对几种特定的工作环境，因此，在实际运行过程，如果外界环境变化过大，现有集成系统则不能够保证稳定有效的运行。因此，需要结合更加广泛的外界环境条件，对集成系统进行进一步的优化改进，保障其在各种环境条件下的稳定有效运行。
2）目前集成系统主要针对外界太阳辐射强度，以及环境温度来进行系统模式的切换，但却并没有明确切换的临界值，难以最有效地对系统进行运行控制。因此，需要进一步明确系统与外界环境变换的临界值，设置最优的系统控制方案，使得集成系统具有更加高效可靠的动态运行。
3）经济效益作为集成系统推广的基础保障，需要进一步加强集成系统的经济性与运行性能的平衡，通过优化集成系统的配置，使得太阳能与空气源热泵集成供热系统兼具较高的工作效率与较好的经济效益。3 结束语
通过将太阳能与空气源热泵结合，能够将两者的优势与缺陷进行互补，提高供热系统的运行性能以及适用范围。但是，不同的集成系统，由于自身系统特点的不同，因此适用范围也不同，喷射器增效与双热源系统能够在寒冷以及严寒地区使用。而蓄能型集成系统相较于喷射增效以及双热源系统，具有更加广泛的适用范围。其余集成系统虽然相较于传统空气源热泵供热系统，具有更好的性能，但其受到系统特点的限制，只能应用于非严寒地区。
参考文献
[1] 祝彩霞.太阳能与空气源热泵联合供暖系统容量匹配及运行同步优化[D].西安：西安建筑科技大学，2019.[2] 李海林.兰州地区串、并联式太阳能空气源热泵供热系统性能的数值研究与分析[D].兰州：兰州理工大学，2019.[3] 陈雁.太阳能辅助空气源热泵供暖实验和模拟研究[D].天津：天津大学，2006.[4]
王帅.太阳能热泵复合系统能耗分析及优化研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2019.[5] 李倩茹.高原寒冷地区太阳能-空气源热泵复合供暖系统的应用研究[D].重庆：重庆大学，2018.
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