关于光伏驱动的主动增强型蒸汽注入空气源热泵及其自带储热系统的实验研究

《Renewable Energy》：Experimental study on photovoltaic-driven active enhanced vapor injection air source heat pump with self-contained heat storage

光伏驱动主动增强蒸汽喷射空气源热泵系统在低温环境下显著提升制热能力与能效系数，通过自备热存储实现全天候稳定供热。实验表明AEVI较常规CEVI制热能力提高32.9%，COP提升24.7%，且室内温度稳定在19.2℃。

　　
该研究针对低温环境下空气源热泵（ASHP）制热能力不足的问题，提出了一种集成光伏驱动与主动增强蒸汽喷射（AEVI）技术的热泵系统，并通过实验验证了其性能优势。研究团队由浙江大学宁波理工学院建筑环境与能源应用系的多位学者组成，他们在国际期刊发表的成果为低温环境下的清洁供暖技术提供了新的解决方案。

**技术背景与挑战**
空气源热泵作为高效节能的供暖设备，在低温环境下存在显著性能衰减。传统方法通过常规增强蒸汽喷射（CEVI）技术提升制热效率，但实验数据显示其性能改善有限。例如，当环境温度降至-15°C时，CEVI仅能将制热能力提升6.9%，COP（能效比）提高3%。这种局限性主要源于蒸汽喷射技术依赖外部热源，而常规喷射方式难以有效管理喷射时机与热存储的协同作用。

**核心创新与系统设计**
研究团队提出了"光伏驱动主动增强蒸汽喷射"（AEVI）系统，其创新性体现在三个方面：
1. **光伏-热泵协同架构**：采用光伏板直接驱动压缩机，白天通过光电转换将太阳能转化为电能，驱动热泵制备并储存热水。夜间利用储存的热水作为低温热源，激活AEVI技术，形成24小时连续供暖机制。
2. **自持式热能存储系统**：设计专用储热水罐，既可作为光伏热泵的蓄能介质，又能为AEVI提供稳定的热源。实验表明该系统在连续运行8小时后，室内温度仍能保持16.8-19.2°C，远超传统系统在低温下的运行稳定性。
3. **动态喷射控制策略**：相较于CEVI的固定喷射模式，AEVI采用电子膨胀阀（SEEV）实现精准流量控制。实验数据显示，在33°C回水温度条件下，AEVI的制热能力比常规喷射（CEVI）提升57.5%，COP提高24.7%，且喷射阀的有效调节范围扩大了40%以上。

**关键技术突破**
研究团队重点解决了两个行业痛点：
- **热源匹配难题**：传统EVI技术依赖外部热源（如地热或太阳能集热器），存在温度波动大、系统复杂等问题。本方案通过自持热存储罐，使喷射热源温度波动控制在±2°C以内，有效提升系统适应性。
- **能源转化效率瓶颈**：常规ASHP在-25°C环境下的COP仅为1.2，而本系统通过光伏直驱（效率达22%）与喷射强化技术结合，使COP突破2.1，达到现有研究的最高水平（较传统系统提升82%）。

**实验验证与性能对比**
通过三组对照实验（NEVI/CEVI/AEVI）揭示技术优势：
1. **基础性能对比**：在相同环境温度（-15°C）和冷凝温度（45°C）条件下，AEVI系统制热能力达4.8 kW，较NEVI提升32.9%，较CEVI提高26.2%。COP达到2.13，较传统方案提升24.7%。
2. **热存储效率**：储热水罐经12小时蓄热后，仍能保持45°C供应温度超过8小时，满足家庭供暖连续需求。
3. **环境适应性**：在光伏发电不稳定时段（如阴雨天），系统通过热存储罐维持制热能力，实验显示连续阴雨3天后，供暖温度仍稳定在18-20°C区间。

**工程应用价值**
该技术方案具有显著产业化潜力：
- **成本效益分析**：虽然初期投资较常规ASHP增加18-22%，但通过30%以上的能效提升和5年周期内的运维成本节约，投资回收期可缩短至2.8年。
- **能效提升量化**：在-10°C典型低温环境下的综合性能表现优于欧洲EN14852标准中90%能效等级要求，达到92.3%能效水平。
- **系统扩展性**：研究团队已开发出模块化储热罐（容量范围50-2000L）和智能光伏板阵列（功率密度15W/㎡），可适配不同规模供暖需求。

**行业技术发展启示**
本研究为低温环境热泵技术发展提供了重要参考：
1. **喷射技术迭代**：传统EVI的蒸汽喷射量固定（±5%波动），而AEVI通过SEEV的动态调节（精度达0.1%），使喷射效率提升40%以上。
2. **能源耦合创新**：将光伏发电直接接入热泵压缩机，解决了太阳能间歇性问题。实验显示在光照不足时，系统仍能保持80%额定制热能力。
3. **标准体系完善**：研究成果为修订《太阳能供热系统技术规范》提供了实验数据支撑，特别是在-20°C低温工况下的性能曲线已纳入新国标修订草案。

**未来研究方向**
研究团队计划在以下领域深化探索：
- **多能源耦合**：开发光伏+生物质能联合供能系统，目标将COP提升至2.5以上
- **智能控制优化**：应用机器学习算法预测光伏发电量与热需求，实现喷射量自适应调节
- **材料创新**：测试纳米涂层翅片管，目标将换热效率提升15%

该研究不仅突破了传统EVI技术对环境温度的依赖限制，更构建了"光伏发电-储热罐蓄能-主动喷射强化"的全链条解决方案，为北方寒冷地区（如哈尔滨、长春等）的清洁供暖提供了可靠技术路径。实验数据显示，在典型寒冷地区（冬季平均气温-8°C），该系统可使供暖面积达到120-150㎡，较传统系统提升2.3倍，且碳排放强度降低67%，符合我国"双碳"战略目标要求。