申 鹏

（北京热力集团输配分公司，北京 100000）

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

1.1 喷射器与蒸发器和集热器结合

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%和25%[1]（图1）。

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。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）。

图2 喷射器与蒸发器和集热器结合系统示意图

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）。

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。