魏翠琴 王麗萍 賈少剛 高志宏

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太陽(yáng)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(yáng)能是清潔可再生能源，熱泵是高效節(jié)能技術(shù)，兩者有機(jī)結(jié)合應(yīng)用既提高了太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵性能，又拓寬了應(yīng)用范圍，使其實(shí)用性大大增強(qiáng)。在介紹太陽(yáng)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(yáng)能熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)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(yáng)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(yáng)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(wèn)題，因此作為清潔能源的太陽(yáng)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(yáng)能光熱利用和熱泵型空調(diào)已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，但兩者之間的有機(jī)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(yáng)能受天氣條件影響的缺點(diǎn)，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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能熱泵技術(shù)展開(kāi)了積極研究[3-7]。

1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的分類

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、供暖供水裝置、控制裝置等設(shè)備有機(jī)組合而成。根據(jù)熱泵蒸發(fā)器與太陽(yáng)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(yáng)能集熱器和蒸發(fā)器合二為一；在非直膨式系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器和熱泵蒸發(fā)器相對(duì)獨(dú)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(yáng)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(yáng)輻射吸熱而蒸發(fā)，之后制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，然后進(jìn)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(jiǎn)潔部件少，但其制冷劑管路較長(zhǎng)流動(dòng)阻力大，無(wú)陽(yáng)光時(shí)為空氣源熱泵運(yùn)行方式，當(dāng)前對(duì)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(yáng)能熱泵系統(tǒng)

圖2所示為串聯(lián)式系統(tǒng)，將太陽(yáng)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(guò)冷凝器釋放出來(lái)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(wú)陽(yáng)光時(shí)需使用輔助熱源。

圖2 非直膨并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)

圖3所示為并聯(lián)式系統(tǒng)，太陽(yáng)能與熱泵可相互獨(dú)立工作，互為補(bǔ)充，兩者既可單獨(dú)運(yùn)行，也可一起聯(lián)合運(yùn)行。太陽(yáng)輻射充足時(shí)太陽(yáng)能可單獨(dú)運(yùn)行；太陽(yáng)輻射不足時(shí)，熱泵運(yùn)行或兩者一起聯(lián)合運(yùn)行。并聯(lián)式系統(tǒng)組成較為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行方式靈活，對(duì)原有的太陽(yáng)能和熱泵裝置無(wú)需做很大改動(dòng)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(yáng)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(gè)蒸發(fā)器，一為水源，一為空氣源。混聯(lián)式系統(tǒng)既可以串聯(lián)方式運(yùn)行——以太陽(yáng)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(yáng)能和熱泵既可分別單獨(dú)運(yùn)行也可聯(lián)合運(yùn)行，熱泵以空氣源方式運(yùn)行。具體運(yùn)行方式取決于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度。

圖4 非直膨混聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)

2 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

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

當(dāng)前，國(guó)外太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的研究重點(diǎn)在三個(gè)方面：一是進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體性能；二是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道均在二十年內(nèi)。天津大學(xué)趙軍等[16]對(duì)串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵供熱水系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)可一年四季可靠運(yùn)行，向用戶提供50℃的熱水。青島建筑工程學(xué)院于立強(qiáng)等[17,18]建立了串聯(lián)蓄熱式太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了太陽(yáng)能熱泵冬季供暖的實(shí)驗(yàn)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(duì)非直膨串聯(lián)式和直膨式太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了可喜的結(jié)果。中科大的陽(yáng)季春、季杰等[22,23]對(duì)串聯(lián)蓄熱式太陽(yáng)能熱泵供暖供水系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)太陽(yáng)能熱泵熱水裝置進(jìn)行了試驗(yàn)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(fèi)大大優(yōu)于其他熱水裝置。天津商業(yè)大學(xué)的陳陽(yáng)、孫冰冰[26,27]等對(duì)串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析，系統(tǒng)平均COP達(dá)4.1，制取熱水溫度達(dá)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(jìn)行了對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究工作[28-39]。

表1 非直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

3 非直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的性能分析

3.1 太陽(yáng)能集熱器效率分析

影響太陽(yáng)能集熱效率最為重要的兩個(gè)因素為集熱器的朝向和安裝傾角[28]，在我國(guó)大部分地區(qū)集熱器最適宜的朝向?yàn)槟舷?，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(yáng)能集熱介質(zhì)的工作方式可分為開(kāi)式和閉式兩種，循環(huán)方式有自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。

同開(kāi)式循環(huán)式相比，閉式循環(huán)管路可采用特殊流體，可實(shí)現(xiàn)防凍、防腐蝕、防結(jié)垢。單一太陽(yáng)能供熱水運(yùn)行模式下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的日平均集熱效率可達(dá)54%以上，夏季效率最高可達(dá)62%[29,30]；在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中，在總太陽(yáng)輻射高于20.8MJ/(m2·d)時(shí)，無(wú)需開(kāi)啟熱泵機(jī)組，太陽(yáng)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(jiǎn)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(yáng)能和熱泵可分別獨(dú)立運(yùn)行，在太陽(yáng)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(duì)于熱泵來(lái)說(shuō)，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(jī)功耗，若冷凝器為外置式，則循環(huán)水量也會(huì)對(duì)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(yùn)行模式下，較單一空氣源熱泵熱水器模式相比，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間縮短約35%[29]。在昆明地區(qū)的最冷月（1月），空氣源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)COP仍可達(dá)2.5～3.3，此外對(duì)于該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)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(yáng)能熱泵系統(tǒng)的本質(zhì)為水源熱泵，蒸發(fā)器的熱源來(lái)自于太陽(yáng)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(shí)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(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的上升，壓縮比逐漸減低，壓縮機(jī)的運(yùn)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(shí)，隨著冷凝溫度上升，制熱量會(huì)下降，壓縮機(jī)功率整體呈線性上升趨勢(shì)；降低蒸發(fā)溫度和提高冷凝溫度，壓縮機(jī)出口溫度和壓力都會(huì)增大，尤其是蒸發(fā)溫度過(guò)低導(dǎo)致壓縮比過(guò)高，壓縮機(jī)功率會(huì)快速上升，會(huì)影響壓縮機(jī)的性能和使用壽命[26]。

冷凝器采用強(qiáng)制循環(huán)冷卻時(shí)存在一個(gè)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(shí)，在相同蒸發(fā)環(huán)境溫度和冷凝環(huán)境溫度下，要比強(qiáng)制循環(huán)消耗更長(zhǎng)的時(shí)間才能得到相同溫度的熱水[23]。

若將熱泵蒸發(fā)器設(shè)計(jì)成為套管式換熱器，內(nèi)管通流太陽(yáng)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(yáng)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(shí)COP在2.4～2.9之間，空氣源時(shí)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(wèn)題[36]。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能熱泵技術(shù)是太陽(yáng)能和熱泵技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，兩者的融合利用可提高系統(tǒng)的能效比，同時(shí)克服了傳統(tǒng)太陽(yáng)能和熱泵各自的缺點(diǎn)，既提高了系統(tǒng)對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)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(duì)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(yáng)能熱泵試驗(yàn)研究以中小型的熱水系統(tǒng)居多，隨著研究的進(jìn)展和技術(shù)的成熟，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)會(huì)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(guó)太陽(yáng)能資源豐富，綜合利用太陽(yáng)能和熱泵技術(shù)對(duì)于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染具有重要意義，太陽(yáng)能熱泵裝置運(yùn)行成本低廉，未來(lái)的市場(chǎng)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(diǎn)項(xiàng)目（2013GZ05）；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2015C32112）

2015-12-25

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