三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统研究

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1、219三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统研究三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统研究哈尔滨工业大学杨灵艳姚杨马最良摘要在能源和环境的双重压力下，从系统节能的角度考虑，首次提出了三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统。该系统通过核心部件，即三套管蓄能换热器，将太阳能热泵、空气源热泵、蓄能热泵有机的结合起来，可以实现多种运行工况，满足全年的不同气候条件下用户的不同供能负荷需要。关键词三套管蓄能换热器，太阳能热泵，空气源热泵，集成系统1引言目前我国正处在经济建设高速发展时期。随着我国城市化进程的不断提高，建筑

2、运行能耗将不断提高，这将对我国能源供应和环境保护造成巨大压力。能耗高，效率低，能源短缺的严峻现实，迫切需要通过科技创新，突破建筑节能技术瓶颈，以保障城镇的可持续发展。尽管目前在建筑节能领域中不断涌现出节能新技术、新系统和新设备。如：冰蓄冷空调技术、热泵空调技术、太阳能热水器、太阳能供暖，地热采暖、地热发电等在建筑节能领域发挥了巨大的节能效益。但是各种节能技术均是从单一技术出发，解决的问题也具有单一性。如冰蓄冷空调仅解决移峰填谷问题，热泵技术解决用能不合理问题等等。因此，节能应进入过程系统节能的时代，应把各种节

3、能技术综合起来，采用综合的集成技术，达到整体最优化。基于这种理念，我们提出一个全新的三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统。2系统介绍三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统，是通过笔者首次提出的全新的三套管蓄能换热器，将太阳能集热设备、空气源热泵设备等有机结合在一起。换热器如图1所示，其内管为制冷剂，中间层为相变蓄能材料，外管为水，通过制冷剂/相变蓄能材料换热和相变蓄能材料/水之间的换热来实现整个系统的夏季蓄冷与冬季蓄热运行。三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统，如图2所示。该系统充分利用了热泵技术和蓄能技

4、术的优点，在夏季，夜蓄日释，即在夜间用电低谷时期，通过空气源热泵的运行，制冷剂将冷量储存在三套管蓄能换热器的中间相变蓄能介质中，而在白天用电高峰期时，水流经三套管蓄能换热器的外管，将冷量取出供给用户。这样不仅达到电力移峰填谷的目的，而且充分利用自然界中的日较差来提高空气源热泵的能效比；相对于现在应用的冰蓄冷系统，本系统采用制冷剂直接蒸发蓄冷，而且蓄冷与取冷的温度高于冰蓄冷系统，从而进一步提高了系统的能效比。在冬季，三套管蓄能换热器一方面作为太阳能的蓄热装置，以解决太阳能的间歇性、不稳定性问题。另一方面它又作为

5、太阳能热泵的蒸发器，即白天通过水侧将太阳能储存在中间套管的相变蓄能材料中进行蓄热，又可以通过制冷剂将储存的热量取出，通过热泵向用户供暖。这样在冬季三套管蓄能换热器在蓄热释热过程中，把太阳能蓄热与热泵有机结合起来。同时，考虑到空气源热泵在冬季低温工况运行效率低、供热量衰减、运行不稳定、结霜与融霜等问题，也考虑到太阳能热泵的间歇性、不稳定性等问题，该系统巧妙地通过两个三通阀将系统变为多源综合利用的热泵系统；另外，为了充分有效地利用该系统中的每个装置，太阳能集热装置和太阳能热水循环热泵在夏季通过改变水路，作为热水供

6、应的辅助热源。在整个系统的夏季蓄冷和冬季蓄热过程中，三套管蓄能装置始终作为蒸发器使用，因而系统的回油问题可以得到很好的解决。图1三套管蓄能换热器示意图3系统运行模式分析本文提出三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统巧妙地通过两个三通阀将系统变为多源综合利用热泵系统；具有多功能、全年运行的特点，通过系统的运行调节可实现以下十种运行模式，具体流程如图3所示。为了能更清楚了解各种运行模式，下面分别对不同运行模式下的工作原理进行描述。（1）夏季空气源热泵供冷及太阳能供生活热水模式。当夏季所需空调冷负荷较大，夜间移峰填

7、谷的蓄冷量远远不能满足日间的需要的时候，则采用空气源热泵机组单独制冷，只需将制冷剂进入蓄能换热装置的阀门关闭。夏季，太阳能集热器和图2三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统图1－热泵压缩机；2－四通换向阀；3,4－换热器；5,7－三通阀；6－气液分离器；8,9,14－膨胀阀；10－太阳能集热器；11,15－水泵；12蓄水罐组成一个循环系统，为用户供应生－热水罐；13－三套管蓄能换热器活热水。（2）夏季夜间蓄冷模式。在过渡季或初夏的晚上电价处于低谷而又无需供冷的时候，采用空气源机组单独蓄冷，将通向直接换热器的阀

8、门关闭，开启蓄能换热器阀门。此时室外气温较日间低，可以降低机组的冷凝温度，提高制冷效率。（3）夏季用户侧取冷及太阳能供生活热水模式。在处于过渡季的时候，日间所需要的冷量不大，由夜间利用低谷电蓄得的冷量可以完全满足需要，因此系统日间采用蓄冷供冷，并且可以通过阀门的开关来控制取冷面积，以此来控制释冷量和释冷速度，使其更好的满足用户的需要。同时太阳能集热供热水系统可在日间独立运行供应生活热水。（4）夏季供