太陽能熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析

魏翠琴 王麗萍 賈少剛 高志宏

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太陽能熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析

魏翠琴 王麗萍 賈少剛 高志宏

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖州 313000）

太陽能是清潔可再生能源，熱泵是高效節(jié)能技術(shù)，兩者有機結(jié)合應(yīng)用既提高了太陽能集熱器效率和熱泵性能，又拓寬了應(yīng)用范圍，使其實用性大大增強。在介紹太陽能熱泵系統(tǒng)的分類與工作原理基礎(chǔ)上，概括了各類太陽能熱泵的優(yōu)缺點，總結(jié)了國內(nèi)外該技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，著重分析了非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能的影響因素——集熱器安裝朝向和角度、熱泵的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是影響系統(tǒng)性能的主要因素。

太陽能；熱泵；性能；影響因素

0 引言

能源與環(huán)境是當(dāng)今突出的兩大問題，因此作為清潔能源的太陽能和高效節(jié)能的熱泵技術(shù)得到了極大的關(guān)注和應(yīng)用[1,2]。太陽能光熱利用和熱泵型空調(diào)已在我國得到廣泛應(yīng)用，但兩者之間的有機結(jié)合應(yīng)用還比較少，兩者的結(jié)合應(yīng)用既克服了太陽能受天氣條件影響的缺點，也提高了系統(tǒng)整體性能，大大拓寬了其使用范圍，可在建筑物供暖、生活熱水供應(yīng)、農(nóng)業(yè)溫室供熱、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域應(yīng)用，目前國內(nèi)學(xué)者對太陽能熱泵技術(shù)展開了積極研究[3-7]。

1 太陽能熱泵系統(tǒng)的分類

太陽能熱泵系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱泵機組、蓄熱水箱、供暖供水裝置、控制裝置等設(shè)備有機組合而成。根據(jù)熱泵蒸發(fā)器與太陽能集熱器的組合形式可分為直膨式和非直膨式兩大類，在直膨式系統(tǒng)中太陽能集熱器和蒸發(fā)器合二為一；在非直膨式系統(tǒng)中太陽能集熱器和熱泵蒸發(fā)器相對獨立工作，而非直膨式又可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種方式。以提供熱水為目的四種太陽能熱泵系統(tǒng)的示意圖如圖1～圖4所示。

圖1所示為直膨式系統(tǒng)，制冷劑在集熱/蒸發(fā)器中接受太陽輻射吸熱而蒸發(fā)，之后制冷劑進入壓縮機被壓縮，然后進入冷凝器釋放熱量加熱水箱中的水后回到集熱/蒸發(fā)器形成循環(huán)。直膨式結(jié)構(gòu)可提高熱泵和集熱器的性能，其結(jié)構(gòu)簡潔部件少，但其制冷劑管路較長流動阻力大，無陽光時為空氣源熱泵運行方式，當(dāng)前對直膨式系統(tǒng)的研究集中在集熱/蒸發(fā)器和系統(tǒng)容量匹配方面[8]。

圖1 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖2所示為串聯(lián)式系統(tǒng)，將太陽能加熱后的熱水作為熱泵蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?，再?jīng)熱泵提升熱量品質(zhì)后通過冷凝器釋放出來加以利用。串聯(lián)式系統(tǒng)的本質(zhì)為水源熱泵，其COP較高，但其受天氣條件影響較大，無陽光時需使用輔助熱源。

圖2 非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖3所示為并聯(lián)式系統(tǒng)，太陽能與熱泵可相互獨立工作，互為補充，兩者既可單獨運行，也可一起聯(lián)合運行。太陽輻射充足時太陽能可單獨運行；太陽輻射不足時，熱泵運行或兩者一起聯(lián)合運行。并聯(lián)式系統(tǒng)組成較為簡潔，運行方式靈活，對原有的太陽能和熱泵裝置無需做很大改動即可組合使用，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

圖3 非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

圖4所示為混聯(lián)式系統(tǒng)，其中熱泵設(shè)置了兩個蒸發(fā)器，一為水源，一為空氣源?；炻?lián)式系統(tǒng)既可以串聯(lián)方式運行——以太陽能提供的熱水作為熱泵蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?；也可以并?lián)方式——太陽能和熱泵既可分別單獨運行也可聯(lián)合運行，熱泵以空氣源方式運行。具體運行方式取決于太陽輻射強度和環(huán)境溫度。

圖4 非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)

2 太陽能熱泵系統(tǒng)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

國外對太陽能熱泵的研究始于20世紀50年代初，美國、瑞典、澳大利亞、日本等發(fā)達國家紛紛投入了大量的人力、物力對太陽能熱泵進行深入的研究與開發(fā)，在各地實施了多項太陽能熱泵示范工程，例如賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等取得了一定的經(jīng)濟效益和良好的社會效益[9,10]。近年來，土耳其、印度尼西亞、墨西哥等發(fā)展中國家也對太陽能熱泵進行了大量的研究[11-13]，土耳其進行了帶有相變蓄熱容器的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的理論研究，并在供暖期進行了實驗，得出了系統(tǒng)的COP 值。澳大利亞對家用傳統(tǒng)太陽熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和太陽能熱泵熱水系統(tǒng)進行了比較，得出了太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)勢。墨西哥對直膨式太陽能熱泵進行了熱力學(xué)分析和試驗研究，得到了給定條件下各參數(shù)的優(yōu)化尺寸，改進了系統(tǒng)的效率。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，美國的Solar King系列太陽能熱泵供熱設(shè)備以及澳大利亞的Quantum系列太陽能熱泵熱水器是比較典型的產(chǎn)品范例。同時，熱泵作為一種節(jié)能、高效、環(huán)保的綠色技術(shù)，也越來越多的應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中[14,15]。

當(dāng)前，國外太陽能熱泵技術(shù)的研究重點在三個方面：一是進一步提高系統(tǒng)的整體性能；二是將系統(tǒng)設(shè)計與建筑設(shè)計相結(jié)合，既使系統(tǒng)性能優(yōu)良又建筑美觀；三是提高系統(tǒng)的智能控制水平。

2.2 國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國對太陽能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)文獻和報道均在二十年內(nèi)。天津大學(xué)趙軍等[16]對串聯(lián)式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)進行了試驗研究和理論分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)可一年四季可靠運行，向用戶提供50℃的熱水。青島建筑工程學(xué)院于立強等[17,18]建立了串聯(lián)蓄熱式太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實驗臺及測試系統(tǒng)，進行了太陽能熱泵冬季供暖的實驗研究，設(shè)備的工作性能良好。上海交通大學(xué)曠玉輝等[19-21]對非直膨串聯(lián)式和直膨式太陽能熱泵進行了試驗研究，得到了可喜的結(jié)果。中科大的陽季春、季杰等[22,23]對串聯(lián)蓄熱式太陽能熱泵供暖供水系統(tǒng)進行了實驗研究，得到了系統(tǒng)COP明顯的高于空氣源熱泵。東南大學(xué)的張小松、李舒宏等[24,25]對太陽能熱泵熱水裝置進行了試驗研究與應(yīng)用分析，得到了系統(tǒng)平均能效比在3.0以上，節(jié)能與節(jié)費大大優(yōu)于其他熱水裝置。天津商業(yè)大學(xué)的陳陽、孫冰冰[26,27]等對串聯(lián)式太陽能熱泵熱水裝置進行了實驗研究和分析，系統(tǒng)平均COP達4.1，制取熱水溫度達到55℃，系統(tǒng)可滿足冬季供熱的需求。近期還有其他學(xué)者進行了對太陽能熱泵的研究工作[28-39]。

表1 非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

3 非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的性能分析

3.1 太陽能集熱器效率分析

影響太陽能集熱效率最為重要的兩個因素為集熱器的朝向和安裝傾角[28]，在我國大部分地區(qū)集熱器最適宜的朝向為南向，安裝傾角取決于地理緯度和季節(jié)變化，集熱器的安裝支架最好制作為角度可調(diào)式的，如此可在不同的季節(jié)設(shè)置最優(yōu)的傾角以提高集熱效率。

太陽能集熱介質(zhì)的工作方式可分為開式和閉式兩種，循環(huán)方式有自然循環(huán)和強制循環(huán)。

同開式循環(huán)式相比，閉式循環(huán)管路可采用特殊流體，可實現(xiàn)防凍、防腐蝕、防結(jié)垢。單一太陽能供熱水運行模式下，太陽能熱水系統(tǒng)的日平均集熱效率可達54%以上，夏季效率最高可達62%[29,30]；在太陽能熱泵系統(tǒng)中，在總太陽輻射高于20.8MJ/(m2·d)時，無需開啟熱泵機組，太陽能熱水子系統(tǒng)即可滿足用戶生活熱水需求[31]。

3.2 并聯(lián)式系統(tǒng)性能分析

根據(jù)熱泵冷凝器是否布置在水箱內(nèi)，可將熱泵分為冷凝器內(nèi)置式和外置式，冷凝器內(nèi)置式結(jié)構(gòu)簡單，但是換熱效率較低；冷凝器外置式需增加水泵與管道形式閉式循環(huán)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但換熱效率較高。

并聯(lián)式系統(tǒng)中太陽能和熱泵可分別獨立運行，在太陽輻射固定的情況下，影響系統(tǒng)的因素主要取決于熱泵系統(tǒng)的效率。對于熱泵來說，影響熱泵性能的主要因素有蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和壓縮機功耗，若冷凝器為外置式，則循環(huán)水量也會對性能有影響[35]。在相近的環(huán)境溫度及供熱溫度條件下，并聯(lián)式系統(tǒng)聯(lián)合運行模式下，較單一空氣源熱泵熱水器模式相比，系統(tǒng)運行時間縮短約35%[29]。在昆明地區(qū)的最冷月（1月），空氣源熱泵機組的供熱系數(shù)COP仍可達2.5～3.3，此外對于該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)，太陽能保證率約為81%[31]。

3.3 串聯(lián)式系統(tǒng)性能分析

串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的本質(zhì)為水源熱泵，蒸發(fā)器的熱源來自于太陽能加熱的熱水，影響串聯(lián)式系統(tǒng)性能的主要因素包括蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮比等，冷凝器外置時循環(huán)水的溫度與流量等因素。

提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度均可提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，但是蒸發(fā)溫度比冷凝溫度的影響更大一些[27]。冷凝溫度不變時，隨著蒸發(fā)溫度的上升，壓縮比逐漸減低，壓縮機的運行效率也有所提高，吸熱量、制熱量隨蒸發(fā)溫度的上升而增加；在蒸發(fā)溫度不變時，隨著冷凝溫度上升，制熱量會下降，壓縮機功率整體呈線性上升趨勢；降低蒸發(fā)溫度和提高冷凝溫度，壓縮機出口溫度和壓力都會增大，尤其是蒸發(fā)溫度過低導(dǎo)致壓縮比過高，壓縮機功率會快速上升，會影響壓縮機的性能和使用壽命[26]。

冷凝器采用強制循環(huán)冷卻時存在一個最佳冷卻水流量，在此流量下的換熱效果最好[39]；若冷凝側(cè)自然循環(huán)時，在相同蒸發(fā)環(huán)境溫度和冷凝環(huán)境溫度下，要比強制循環(huán)消耗更長的時間才能得到相同溫度的熱水[23]。

若將熱泵蒸發(fā)器設(shè)計成為套管式換熱器，內(nèi)管通流太陽能集熱介質(zhì)，外管同流制冷劑，制冷劑既可以吸收空氣能，也可以吸收太陽能集熱介質(zhì)能量，此種雙熱源式也可提高系統(tǒng)性能——能效比較單一空氣源熱泵均有明顯提高，提高幅度在18%-24%，雙熱源時COP在2.4～2.9之間，空氣源時COP在1.95～2.7之間，可較好解決單一空氣源熱泵低溫供熱性能差的突出問題[36]。

4 結(jié)語

太陽能熱泵技術(shù)是太陽能和熱泵技術(shù)的有機結(jié)合，兩者的融合利用可提高系統(tǒng)的能效比，同時克服了傳統(tǒng)太陽能和熱泵各自的缺點，既提高了系統(tǒng)對使用環(huán)境的適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的運行費用，也拓寬了其應(yīng)用范圍。其中，集熱器的朝向和安裝傾角對集熱器的效率影響最為主要；合理提高熱泵蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度及合理的冷凝器冷卻水流量均有利于提高熱泵的性能。

目前太陽能熱泵試驗研究以中小型的熱水系統(tǒng)居多，隨著研究的進展和技術(shù)的成熟，太陽能熱泵系統(tǒng)會逐漸與大型的供熱供水系統(tǒng)相結(jié)合以創(chuàng)造更大的節(jié)能環(huán)保效益。我國太陽能資源豐富，綜合利用太陽能和熱泵技術(shù)對于緩解能源危機和減少環(huán)境污染具有重要意義，太陽能熱泵裝置運行成本低廉，未來的市場推廣和應(yīng)用前景十分廣闊。

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Application Situation and Performance Analysis of Solar-assisted Heat Pump(SAHP)

Wei Cuiqin Wang Liping Jia Shaogang Gao Zhihong

( Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

Solar energy is clean and renewable, similarly heat pump has the features of high efficiency and excellent energy saving. The combination application of solar energy and heat pump could improve the efficiency of solar collectors and heat pump performance, meanwhile the application range and utility are greatly enhanced. The classification and working principle of Solar-assisted heat pump (SAHP) system is introduced in this paper, the advantages and disadvantages of SAHP were summarized, the domestic and overseas application of SAHP were summarized, the performance influence factors of indirect expansion SAHP were analyzed, the installed orientation and angle of tilt of Solar collector, heat pump evaporation temperature and condensation temperature are the main factors influencing the performance of the system.

Solar energy; heat pump; performance; influence factors

1671-6612（2017）02-159-05

TK512

A

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究重點項目（2013GZ05）；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項目（2015C32112）

2015-12-25

作者（通訊作者）簡介：魏翠琴（1979-），女，碩士，講師，E-mail：790994575@qq.com