新型太阳能/空气能直膨式热泵与空气源热泵供热性能对比

针对传统空气源热泵制热时极易出现室外机结霜的现象，提出了可同时吸收太阳能和空气能的新型太阳能/空气能直膨式热泵机组，把太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一，使室外机结霜得到有效缓解。为了验证新型太阳能/空气能直膨式热泵机组性能优劣，分别搭建新型太阳能/空气能直膨式热泵系统和空气源热泵系统，在2月26日—3月2日期间，对邯郸某一农村建筑的地板辐射采暖用户进行5天实际测试，对比分析了两种系统的制热性能、耗电量和COP变化情况。通过测试发现室外平均温度为10℃，太阳辐射达到峰值571.5 W·m^-2时太阳能/空气能直膨式热泵的制热量较空气源热泵提高大约70%，全天总制热量较空气源热泵提高大约12%。0～8℃的低温状态时，COP值仍可达到3.46，基本满足建筑采暖需求。并在此基础上对太阳能-空气能直膨式热泵提出进一步的优化措施，逐步推广其在寒冷地区的实际应用。     

基于光电/光热一体化的太阳能热泵性能分析

建立了光电/光热一体化（PV/T）太阳能热泵的数学模型,利用直膨式太阳能热泵实验中获得的数据对模型进行校核,结果显示,模型的计算误差在5%左右。据计算可知,在太阳辐射良好的情况下,PV/T太阳能热泵的COP可达到5以上。在不同的辐射强度下,比较PV/T太阳能热泵与直膨式太阳能热泵的性能,随着太阳辐射强度的提高,系统COP随之提高,热电综合COP平均为7.4,高于直膨式太阳能热泵的COP。结果显示,PV/T太阳能热泵有利于降低系统的能耗,提高光伏组件的光电转化效率,较直膨式太阳能热泵更具节能优势。     

基于光电/光热一体化的太阳能热泵性能分析

建立了光电/光热一体化(PV/T)太阳能热泵的数学模型,利用直膨式太阳能热泵实验中获得的数据对模型进行校核,结果显示,模型的计算误差在5%左右。据计算可知,在太阳辐射良好的情况下,PV/T太阳能热泵的COP可达到5以上。在不同的辐射强度下,比较PV/T太阳能热泵与直膨式太阳能热泵的性能,随着太阳辐射强度的提高,系统COP随之提高,热电综合COP平均为7.4,高于直膨式太阳能热泵的COP。结果显示,PV/T太阳能热泵有利于降低系统的能耗,提高光伏组件的光电转化效率,较直膨式太阳能热泵更具节能优势。     

太阳能-空气复合热源热泵热水系统

针对光伏发电效率较低和空气源热泵在寒冷地区应用中存在的问题,研发了一种新型复合蒸发器,将平板微热管阵列太阳能光伏光热(PV/T)集热器与空气源热泵相结合,组成新型太阳能-空气复合热源热泵热水系统。并对该热水系统在不同运行工况下的水箱水温、吸排气压力、压缩机功率和性能等进行了实验研究。实验结果表明,在环境温度分别为5、10和15℃的条件下,热泵加热73 L水,水温从15℃加热到50℃时,双热源运行工况的加热时间比单空气热源运行工况依次缩短了5.14%、10.29%和11.38%,COP依次提高了5.99%、9.28%和11.96%。     

太阳能-空气复合热源热泵热水系统

针对光伏发电效率较低和空气源热泵在寒冷地区应用中存在的问题,研发了一种新型复合蒸发器,将平板微热管阵列太阳能光伏光热（PV/T）集热器与空气源热泵相结合,组成新型太阳能-空气复合热源热泵热水系统。并对该热水系统在不同运行工况下的水箱水温、吸排气压力、压缩机功率和性能等进行了实验研究。实验结果表明,在环境温度分别为5、10和15℃的条件下,热泵加热73 L水,水温从15℃加热到50℃时,双热源运行工况的加热时间比单空气热源运行工况依次缩短了5.14%、10.29%和11.38%, COP依次提高了5.99%、9.28%和11.96%。     

复合热源热泵热水器变工况运行特性分析

为了对复合热源热泵热水器进行变工况运行特性分析,采用变频压缩机与电子膨胀阀,搭建了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置,建立了系统数学模型,并在相同工况下进行模拟计算和实验验证,比较发现,模拟结果与实验结果吻合良好。利用验证过的数学模型进一步分析了环境温度、太阳辐射强度和压缩机频率对系统性能的影响,并制定了压缩机变频控制策略,给出了不同工况下的推荐频率和加热时长,可以为用户提供变工况运行控制指导。利用南京地区典型年气象参数,对系统在不同模式下的全年逐月运行特性进行了模拟计算并作对比分析。结果表明,相比定容量模式,系统在变容量模式下的性能系数(COP)全年平均增长49.27%,耗电量全年平均下降29.73%,节能效果显著。     

太阳能-空气双热源热泵系统性能实验

将平板微热管光伏光热组件改造为新型光伏光热蒸发器，研发新型太阳能-空气双热源热泵系统，对太阳能供热模式和双热源供热模式下系统的运行性能进行研究。研究表明：受太阳辐射和环境温度影响，双热源供热模式下环境空气的作用会在放热和吸热之间转换，环境温度与背板温度的温差在-3.1~3.5℃之间波动；双热源供热模式适合在低辐照条件下运行，其热效率、综合性能效率和COP分别达56.7%、81.7%和2.38，比太阳能供热模式提升20.3%、25.0%和6.7%；在高辐射条件下，双热源供热模式会造成系统散热加快，但是对系统发电性能有提升作用。根据上述特性，当背板温度小于环境温度时启动双热源供热模式，反之启动太阳能供热模式，可以进一步提升系统的运行效果。     

太阳能热泵技术在国内的研究与发展

随着太阳能光热技术的不断成熟,人们开始将其与传统的热泵行业相结合,本文总结了近些年国内相关学者对于太阳能热泵方面的研究工作,介绍了直膨式与非直膨式太阳能热泵的研究进展,以及光伏热泵的相关研究动向.基于前人研究成果,提出了双热源热电冷联供热泵系统的设想,以期对研究工作有一定的启发作用.     

太阳能空气源复合热泵系统的理论与实验分析

构建了一种多功能直膨式太阳能与空气源复合的热泵空调热水系统,并对其性能进行了理论分析与实验对比,系统利用太阳能提高了集热板的蒸发温度,因此相对于普通的空气源热泵,系统的性能得到了提升。在冬季及春季,对系统样机的性能进行了测试。在春季,太阳辐射强度为856 W·m^-2时,系统制生活热水平均COP为5.78;在冬季晴天测试系统供暖性能,COP变化趋势与太阳辐射强度相同,集热效率则与之相反,COP与集热效率均值分别为5.8和0.64。通过对比分析,探究了系统主要参数的相互关系。     

基于肋片式集热板的直膨式太阳能热泵

将一种新型肋片式集热器/蒸发器应用于直膨式太阳能热泵热水器,对其进行实验研究,并提出一系列优化方案。由于集热器表面温度通常低于环境温度,集热器除了从太阳辐射中吸收热能,还能从空气中吸收部分热能,集热效率较高。相同外形尺寸条件下,新型集热器较吹胀板集热器有更大的换热面积。实验结果表明,在天气晴朗的秋季,将150L水从20℃左右加热至50℃,热泵的平均供热性能系数（COP）能达到5.37,即使在环境温度为18.6℃的小雨天气,系统平均COP依旧能够达到3.43。对实验样机建立仿真模型,并针对新型集热器提出一系列优化方案,计算机模拟结果表明,经过优化,在晴朗天气将150L水从20℃加热至50℃,系统的平均COP可达到6。     

Performance experiment on solar energy and air dual-heat-source heat pump system

The flat micro heat pipe array photovoltaic-thermal module was retrofitted into a photovoltaic-thermal evaporator, and then a novel solar energy and air dual-heat-source heat pump system was developed. The operation performance of the system operating in the solar energy mode (S) as well as the solar energy and air dual-heat-source mode (SA) was studied in detail. Studies have shown that: affected by solar radiation and ambient temperature, the role of ambient air in the dual heat source heating mode will switch between heat release and heat absorption, and the temperature difference between ambient temperature and backplane temperature fluctuates between -3.1—3.5℃; the SA mode was suitable for low solar radiation condition, and its thermal efficiency, comprehensive performance efficiency and COP were 56.7%, 81.7% and 2.38 respectively, which were 20.3%, 25.0% and 6.7% higher than that of the S mode; under the high solar radiation condition, the SA mode would accelerate the heat dissipation of the system, but it could improve the electrical performance of the system. According to the above characteristics, it would get the better operation performance operating in SA mode when the backplane temperature was lower than the ambient temperature as well as operating in S mode when the backplane temperature was higher than the ambient temperature.     

新型光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统

光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统将太阳能环形热管循环模式和太阳能热泵循环模式有机结合,两者采用相同的工质,共用一个PVT蒸发器和冷凝器。当太阳辐照强度较强,工质在PVT蒸发器中的温度高于冷凝器中的温度时,可以利用环形热管模式制热;当太阳辐照强度较弱或工质在PVT蒸发器中与冷凝器中的温差无法满足环形热管模式运行时,可以利用热泵模式制热。两种模式既能够独立运行,又可以互相切换,确保热能的稳定供应,同时能够明显降低系统耗电量。搭建了光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统实验平台,对复合系统在环形热管模式和热泵模式独立运行时的瞬时性能和全天性能进行了实验研究。     

主、被动冷却的微槽道热管PV/T组件光电/光热性能对比分析

利用吸液芯为Ω形轴向微槽道热管在中低温余热回收领域中较高的热回收率和品质,设计与构建了一种基于Ω形微槽道热管风冷冷却的PV/T组件。测试分析了在主动冷却条件和被动冷条件下PV/T组件的热/电性能以及热风温度。试验结果表明,组件平均光电效率高于11%,平均光热效率为30%左右,平均（火用）效率高于13%,热风温度可达41℃以上,且主动冷却PV/T组件的光电、光热效率以及（火用）效率均高于被动冷却PV/T组件。与传统PV/T组件相比,该PV/T组件具有较明显的光电/热性能优势,收集的热风可用于建筑采暖、强化通风及热风干燥。     

相变蓄能-热泵多能互补供能系统冬季性能分析

研发了一种新型相变蓄能-热泵多能互补供能系统,该系统冬季可利用水结冰过程释放的潜热作为水源热泵的低温热源,再通过空气能融冰将热量储存于蓄能水箱中,可使系统保持较高的运行性能,同时解决了传统空气源热泵结霜问题。本实验对相变取能供暖、融冰蓄能及空气能直接供暖3种冬季运行模式进行实际测试及理论分析。结果表明,相变取能供暖模式下,平均机组性能系数（COP）达2.80,系统COP达2.10;融冰蓄能模式下,蓄能水箱循环载冷剂进出口温差维持在2℃左右,融冰时长为7h;空气能供暖模式下,平均机组COP达2.73,系统COP达1.93。系统性能在3种运行模式下较为稳定,性能较好。同时对系统节能量、CO₂减排量及经济性进行了分析。该综合供能系统节能减排效果较为显著,为寒冷地区的农村建筑采暖、"京津冀"煤改电政策的实际推广,提供了新的技术方案。     

平板型太阳能光伏/光热一体化热泵热水系统特性

研究了一种平板型太阳能光伏/光热一体化热泵(PV/T-HP)系统,制冷剂R134a直接在太阳能光伏板背面盘管内吸热而蒸发,以降低光伏电池工作温度,保证其高效稳定地输出电能;集热器同时作为蒸发器,所收集的热量经热泵循环进行温度提升,为建筑提供生活热水、供暖和驱动制冷空调。对平板型PV/T-HP热水系统在南京室外的一个夏季晴天工况下循环加热180 L水至60℃进行了实验研究,探讨了太阳总辐照度、光伏/集热器工作温度以及光电输出控制方式对系统光电、光热综合输出特性的影响规律;对比实验得出了在热电联供模式下,系统发电量比无冷却的单一光电输出模式下相对高出35%。     

多能互补协同蓄能系统热力学分析与运行优化

提出了一种多能互补协同蓄能建筑供能系统,该系统将空气源热泵、水源热泵、太阳能热电联产组件以及蓄能技术（蓄冷、蓄热）有效结合,实现了可再生能源的高效利用与建筑的经济供能,利用热力学分析方法对该供能系统进行性能分析与运行优化研究。首先,通过能源监控平台收集该供能系统的实际运行数据建立了系统分析模型,并对冬季典型日工况进行了系统性能分析,结果表明系统运行稳定,其夜间蓄能平均COP和效率分别为2和32.24%,均高于常规系统。接着,通过分析系统冬季实际运行数据,总结出了各蓄能工况的运行规律,并制定了系统优化运行策略。最后,对该多能互补系统进行了热经济学评价,本系统单位面积供热费用仅为12.5 CNY/m²,年单位成本为2.16 CNY/kWh,且相较于常规空气源热泵直供系统和燃气热水锅炉供暖系统,本系统的动态回收期分别为3.66年和2.47年,经济效益优势明显,是值得推广的供能系统形式。