寒旱地区多种可再生能源互补的热泵系统性能研究

寒旱地区农村冬季燃煤烧柴的建筑采暖方式亟需改变。空气热能、太阳热能和沼气化学能的互补为热泵系统应用到寒旱地区农村建筑采暖提供了可能。为此，本项目构建了寒旱地区多种可再生能源互补热泵供热系统，拟运用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法，研究供能系统的热经济性能、能量的传递与转换机理、多种可再生能源的互补机理，研究极端气候条件下系统的热力学性能稳定性，揭示太阳能集热器、生物质厌氧发酵器、空气换热器、低温水箱、中温水箱、压缩机、节流阀等部件之间的协同耦合运行规律，优化系统结构设计方案，获得系统冬季供热最佳运行模式。本项目的研究结果有助于建成以农村自有能源资源为基础的分布式供能系统，改善农村人居环境，缓解农村趋城市化的用能需求与日益短缺的化石能源供应之间的尖锐矛盾，推动农村自然环境和农业经济的可持续发展。

我国北方大部分地区太阳辐射强度大、冬季寒冷、生物质资源丰富，冬季采暖及全年生活热水负荷大，常规空气源热泵供能时存在蒸发器结霜、性能低下等显著问题。本项目在热泵节能技术中有效集成了太阳能、生物质能、空气热能等可再生能源，构建了多种可再生能源互补热泵系统，在兰州地区建立了系统实验测试系统，对系统进行性能实测与分析。结果表明：当环境温度低于-6℃时，以空气源模式运行时系统性能较差，系统平均COP只有1.27，空气热能输入系统的能量份额为21.26%；而以太阳能-空气能互补模式运行时，系统性能相比空气源模式有较大幅度的提高，平均系统COP达到1.83，比空气源模式下的COP提高了44.1%，太阳能和空气能输入系统的能量份额分别为35.82%和21.59%；以太阳能-生物质能-空气能互补模式运行时，平均系统COP也达到了1.83，同样比空气源模式下的COP提高了44.1%，太阳能、生物质能和空气能输入系统的能量份额分别为20.11%、18.80%和18.42%；后两种模式下系统对可再生能源的利用份额总和都超过了55%，一次能源利用率分别比空气源模式下提高了21.5%和20.4%。系统火用分析表明：三种模式下系统的火用效率分别为28.12%、25.32%和22.83%，太阳能集热器、沼气热水器和压缩机在循环过程中火用损失较大，可以通过增加太阳能水箱容积、降低水温、改进水箱保温措施、增加沼气热水器换热面积、增加沼气热水器烟气回热装置或采用变频压缩机等方式减少火用损失。为了使太阳能与热泵系统高效集成，构建了双介质太阳能集热器，实测结果表明：在空气集热模式下，当太阳辐射强度及环境温度平均值分别为535.2W/m2和22.2℃、空气质量流量为0.024kg/s时，基于采光面积的集热效率平均值与最大值分别为51.29%和53.93%；在水集热模式下，当太阳辐射强度和环境温度平均值分别为562.4W/m2、20.2℃，水质量流量为0.13kg/s时，基于采光面积的集热效率平均值和最大值为51.40%和78.13%；在空气-水复合模式下，总集热效率平均值为70%，大于集热器在单一运行模式下的集热效率，提高了太阳能热利用率。本系统的规模化推广应用，可建成以村镇自有能源为基础的分布式能源系统，缓解村镇趋城市化的用能需求与日益短缺的化石能源之间的尖锐矛盾，推动村镇的可持续发展。