严寒地区太阳能与空气源热泵联合供热系统研究
严寒地区太阳能与空气源热泵联合供热系统研究
摘要：太阳能与空气源热泵联合供热系统的应用，弥补了单一热源供暖的缺陷，充分利用了可再生能源为建筑供暖，能够解决严寒地区供暖问题，并且可以减少污染物的排放，有利于我国尽快实现“双碳”目标。本文首先对太阳能光热技术和空气源热泵技术进行了简述，分析了太阳能与空气源热泵复合建筑供能系统的各种形式，有利于以后太阳能—空气源热泵供暖技术的进一步发展。
关键词:严寒地区，太阳能，空气源热泵，供热系统
1 背景介绍
1.1太阳能利用
太阳能无处不在，拥有范围广阔、安全无污染、清洁高效，来源丰富，取之不尽用之不竭的特点优势。因为太阳光可转变成许多其他类型的能源，近年来中国在可再生能源发展的进程中，太阳光领域发展很快。全国面积大于百分之九十六的地方都有固定且可开发利用的太阳能资源，太阳光资源最充足的地方则大部分集中在中国西部区域，其年照射量最大的区域是
撒哈拉沙漠地带，其次为中国西藏的部分区域，其日平均太阳光辐射量则高达6.4kW·h/m2。由此可见，我国拥有较为丰富的太阳能资源[1]。
据统计，目前我国的建筑能耗已经占到了社会总能耗的40％以上[2]，对国家电网系统带来了极大的负荷压力。近年来随着世界各国对新能源的大力发展，对太阳能技术的挖掘与研究也发展迅速，除了大量采用可再生能源，中国建筑脱碳工程的另一个重要步骤，就是积极推广供暖、通风和空调等的清洁技术。从这个意义上说，热泵被认为是最有前途的技术，可以从住宅建筑的可再生能源中提供空间供暖、空间制冷和家用热水，在未来的脱碳中发挥主要作用哈尔滨供暖时间[3~4]。
1.2空气源热泵
空气源热泵系统主要承担用户侧所需的热负荷或冷负荷。用户末端系统主要将热泵系统所产生的热量或冷量散入到室内，满足室内的热舒适，同时空气源热泵设备在过渡期间还能够自行选择启动频率和运行方式，既能达到使用经济效益又能达到对机体的舒适性，还可以满足建筑供暖又可以满足生活热水的需求。空气源热泵的节能作用主要表现为从大自然免费的室外环境能源中从获取能量，并通过电力将之转换为热量再传递至室内。它的节能
重点主要表现在可以用一份电力，即可同时在室外环境中得到二种以上免费的空气能量，而通过转换可以得到三份以上的空气能量[5]，可以节约掉一半的电力。
空气源热泵在严寒地区的使用不是很广泛，主要受到供暖季室外低温的限制，存在热量衰减，能效比较低的情况，大量学者通过实验证明使用空气源热泵供暖，在极寒条件下也可满足采暖季对室内温度要求，相对电采暖节能率可达48％[6]，还有学者研究严寒地区空气源热泵在采暖季的极端天气和普通天气下的运行情况，虽然热泵结霜情况较严重，但是极端天气时系统能效比可达1.8以上，完全可以满足对室内的采暖需求[7]。
2 系统组成
2.1太阳能光伏空气源热泵供热系统
太阳能光伏系统主要由太阳能电池、逆变器、蓄电池组、控制器等组成。它的特点是实用性高、使用寿命长、不会产生污染气体也不会破坏环境，既能独立发电也可以与公用电网联网运行。独立光伏发电系统不与公用电网连接，光伏所发直流电经过逆变器变为交流电直接供给空气源热泵等设备使用，光伏发电量不稳定，并不能使系统连续运行。并网光伏
发电系统是指太阳能光伏发电连接到国家公用电网，空气源热泵系统所用电能来自国家电网。
2.2太阳能光热空气源热泵供热系统
太阳能光热与空气源热泵式供暖系统主要由太阳能集热循环系统，空气源热泵循环系统，储热水箱，供暖末端，阀门附件以及热水泵系统等所组成。
太阳能空气源热泵的供暖系统按照实际太阳光放射性程度分成了三种运行模式：一种为太阳光集热系统独立运行模式。即在太阳光放射性能量足够的前提下，可以独立运行于太阳光供热系统中，以适应室内供热需要。第二种为空气源热泵辅助太阳能光热系统的运行模式，在阳光辐射温度不够，太阳能光热系统无法独立进行末端供热工作时，优先使用太阳能光热系统，而空气源热泵则协助太阳能光热系统的运作。第三种是空气源热泵独立工作方式。在阳光辐射强度极低无法达到房屋采暖要求的前提下，独立的空气源热泵装置给房屋供热。通过温度控制技术，完成各种工作方式的转换。
2.3太阳能光伏光热空气源热泵供热设备
光伏光热系统一方面提供了新型的太阳能光伏-热泵复合建筑供能系统运行时蒸发器二侧所需的低温热源，另一方面提供了用户所需的部分电力。
光电矩阵首先对太阳能热量进行收集，然后再利用光伏组件将部分的太阳能热量转变成能量，同时再利用太阳能组件中利用余热所形成的低压热水，直接进入蒸发器和制冷剂间进行热交换，将制冷后的低压水回太阳能组件，经过这样多次循环后，使太阳能或光伏光热矩阵面板的工作温度维持在较低水平，以保证系统的正常工作效果，同时利用热水成为制冷装置的低温热量，特别是在严寒区域可达到抗霜冻的效果功能。其中的一个问题就是随着光电矩阵件应用时间的增长，光伏组件的电光转化效能以及使用寿命都将逐渐下降。
3 展望
目前能源和环境问题日益突出，可再生能源的研究与利用已成为解决问题的重要途径，本文提出的光伏发电复合空气源热泵系统冬季可以实现灵活性供暖，满足供暖需求的同时最大程度上节能，且可满足夏季制冷需求。虽然光伏光热特性均得到了充分的利用，但是热泵系统压缩机多数依然依靠电网或蓄电池来维持系统稳定性，无法达到完全摒弃蓄电池并稳定运行的目的。由于光伏光热辅助热泵系统的结构过于复杂，且提高热泵系统的工作性
能的同时只能节省部分系统电能消耗，使其系统压缩机在光伏供热效率方面的评价及实用性有待进一步提高。所以需要寻更低碳且稳定的太阳光和空气源热泵的供暖系统。关于该体系还需继续探讨，包括开展各种模拟工况的试验，以逐步完善其特点，达到最佳工作点和最佳的运行系统，以及最适宜各领域的光伏热泵体系。
参考文献：
[1] 王良，光伏直驱热泵系统性能及其能量耦合特性研究[D].云南师范大学，2020：1-80
[2] T Jiang, Z Li, X Jin, et al. Flexible operation of active distribution network using integrated smart buildings with heating, ventilation and air-conditioning systems[J]. Applied Energy, 2018, 226:181- 196.
[3] A Hepbasli, Y Kalinci. A review of heat pump water heating systems[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 13(6):1211-1229
[4] 王如竹, 张川, 翟晓强. 关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考[J]. 制冷技术, 2014, 34(1):32-41.
[5] 赵耀华，王宏燕，刁彦华等. 平板微热管阵列及其传热特性[J]. 化工学报.2011，(02).
[6]郝英男,岳向吉,丁佳男,张英莉,朱久刚,巴德纯.超低温空气源热泵在沈阳地区供暖的应用研究[J].制冷与空调,2021,21(09):75-80.
[7]金洪文,孙妍,马喆,吴宏伟,蒋娜.超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2017,33(06):728-731+743.DOI:10.19492/jki.1672-0946.2017.06.019.
  项目来源：吉林省大学生创新训练项目，项目编号：202213604033。

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