顧祥紅，彭齊鑫

（大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

本世紀(jì)以來，能源短缺和環(huán)境污染等問題越來越嚴(yán)重。根據(jù)2017年的《世界能源統(tǒng)計年鑒》報告書[1]數(shù)據(jù)顯示，2017年的可再生能源發(fā)電量所占的比例較往年增長了14.1 %，其中太陽能貢獻了約三分之一的增長?？諝庠礋岜猛ㄟ^消耗電能，從低溫環(huán)境吸收能量，在高溫環(huán)境釋放能量，完成制熱。太陽能和熱泵聯(lián)合運行的概念最早由Jordan在20世紀(jì)50年代首次提出[2]。之后，科研學(xué)者對此進行研究，設(shè)計出不同類型的太陽能熱泵系統(tǒng)。太陽能熱泵將兩者相結(jié)合使得優(yōu)勢互補；這樣可以提高系統(tǒng)的整體供暖性能。本文主要針對直接膨脹式和間接膨脹式兩大類系統(tǒng)，總結(jié)國內(nèi)外的研究進展和成就，并提出個人觀點和見解。

1 太陽能資源

我國地域廣闊，主要處于溫帶和亞熱帶，具有豐富的太陽能資源。分布狀況呈現(xiàn)出由西向東遞減的特點，這是因為我國西部高原地區(qū)海拔高，空氣稀薄，太陽輻射強。不同地區(qū)的全年太陽輻射總量在3300～8000 MJ/m2之間，平均值達到5900 MJ/m2[3]。盡管太陽能資源具有清潔，環(huán)保和可再生的優(yōu)點，但同時也存在不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺點，因此需要輔助能源保障供暖穩(wěn)定。此外，如果太陽能供暖系統(tǒng)應(yīng)用在大型建筑中，設(shè)備的初投資將會大大提高。為了克服上述問題并提高能源利用率，熱泵技術(shù)因其高效和環(huán)保優(yōu)點，在眾多技術(shù)中脫穎而出。目前，結(jié)合太陽能和熱泵兩大技術(shù)優(yōu)點的的太陽能熱泵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

2 太陽能熱泵系統(tǒng)分類

太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能集熱器吸收太陽輻射能，提高熱泵蒸發(fā)側(cè)熱源溫度，從而達到提高熱泵系統(tǒng)COP（制熱性能系數(shù)）的目的[4]。太陽能集熱器和熱泵蒸發(fā)器具有不同的結(jié)合方式，因此，將太陽能熱泵系統(tǒng)分為直接膨脹式和間接膨脹式兩大類。

在太陽能熱泵系統(tǒng)這一概念提出之后，國外發(fā)達國家就開始對其進行大量研究。目前對太陽能熱泵技術(shù)的研究主要是，提高太陽能集熱器的集熱效率和熱泵制熱性能這兩個方面。

2.1 直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)

直接膨脹式太陽能熱泵是利用太陽能集熱器取代原有的熱泵蒸發(fā)器，將集熱器和熱泵構(gòu)成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。太陽能集熱器吸收太陽能加熱內(nèi)部的制冷劑，使得系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度比傳統(tǒng)空氣源熱泵要高出很多，可以大大提高熱泵系統(tǒng)的制熱性能。

當(dāng)太陽輻射強時，集熱器吸收太陽能供暖；當(dāng)太陽輻射較弱時，集熱器吸收周圍空氣能供暖，這樣就能夠保證在不同天氣條件下，系統(tǒng)都能夠正常運行。此系統(tǒng)因為部件少、結(jié)構(gòu)簡單等特點，已經(jīng)成為近年來太陽能熱泵研究的熱點。

圖1 直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)示意圖

Malali等[5]提出一種分析方法用于確定直接膨脹式太陽能熱泵的工作性能，這種方法可以用于計算一個單獨區(qū)域的系統(tǒng)性能，或者用于比較不同區(qū)域的系統(tǒng)性能，通過計算得出，紐約市1月份的系統(tǒng)COP的范圍是3.6～5.6。Elamin Mohamed等[6]通過改變室外溫度和太陽輻射強度，研究其對直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)供熱性能的影響，實驗結(jié)果顯示，太陽輻射強度對系統(tǒng)性能有顯著影響，可以有效減少系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)霜問題，有利于提高系統(tǒng)運行效率?？紫閺姷萚7]在不同的環(huán)境參數(shù)條件下，對太陽能熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)進行研究，當(dāng)太陽輻射強度和環(huán)境溫度升高時，直接膨脹式太陽能熱泵的運行性能要明顯高于傳統(tǒng)的空氣源熱泵。

陳景等[8]以南京某別墅的太陽能熱泵系統(tǒng)為研究對象，對供暖系統(tǒng)的水箱體積和太陽能集熱面積比值（VAR）進行研究，實驗結(jié)果表明，當(dāng)VAR取值在0.053～0.073之間時，系統(tǒng)的全年費用達到最低，系統(tǒng)的太陽能保證率在53.26 %左右。Sun X L等[9]通過軟件模擬和實驗測試，研究直接膨脹式太陽能熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵，在冬季的運行性能，結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)空氣源熱泵，直接膨脹式系統(tǒng)的COP得到顯著提高。魏毅立等[10]設(shè)計了一種可發(fā)電的太陽能熱泵系統(tǒng)，通過控制電子膨脹閥的開度和壓縮機的頻率，解決太陽能單獨供暖存在的不穩(wěn)定性問題，使得系統(tǒng)的制熱系數(shù)達到3.47，節(jié)能效果明顯

2.2 間接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)

間接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)，通過換熱器將太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合起來；區(qū)別于直接膨脹式，間接式的太陽能集熱器和熱泵蒸發(fā)器是相互獨立的。間接膨脹式又可細(xì)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式三類。國外學(xué)者對不同的結(jié)構(gòu)形式的太陽能熱泵系統(tǒng)性能進行模擬研究，得出結(jié)論：并聯(lián)式系統(tǒng)的性能最高，混合式系統(tǒng)性能次之，串聯(lián)式系統(tǒng)的性能最差。

2.2.1 串聯(lián)式太陽能熱泵

串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)通過換熱器將太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵相連接，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。太陽能集熱板吸收太陽能加熱循環(huán)水，熱水在換熱器中將熱量傳遞給制冷劑；熱泵進行制熱循環(huán)加熱儲水箱，制造熱水。該系統(tǒng)通過太陽能集熱板吸收能量，提高熱泵循環(huán)中的初始蒸發(fā)溫度，從而提高系統(tǒng)整體的運行性能。

圖2 串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)示意圖

張兵等[11]通過串聯(lián)太陽能集熱器和空氣源熱泵，來解決空氣源熱泵在寒冷地區(qū)存在結(jié)霜的問題，實驗結(jié)果表明，預(yù)加熱進入熱泵蒸發(fā)器的冷空氣可以顯著提高機組的COP，和傳統(tǒng)供暖方式相比運行費用減少66.3 %。Izquierdo M等[12]利用太陽能光伏（PV）發(fā)電，為空氣源熱泵提供電能，進行供暖，結(jié)果表明，當(dāng)室內(nèi)溫度保持在18 ～23 ℃之間時，太陽能轉(zhuǎn)換效率約為18.2 %，太陽能熱泵的COP平均為2.84。劉鳳珍等[13]分別在標(biāo)準(zhǔn)工況和低溫條件下對復(fù)合熱泵機組的熱容量和COP等運行參數(shù)進行了測試，研究結(jié)果表明，在環(huán)境溫度7 ℃條件下，單位熱容量可達到64.5 kW提高了20.1%，COP提高20%，在環(huán)境溫度-5 ℃條件下，單位熱容可提高27.6%，最高可達54.5 kW，COP也提高了45.5%。J.F.Chen等[14]在TRNSYS中開發(fā)一種太陽能CO2熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并分析主要組件參數(shù)對系統(tǒng)的影響，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的太陽能比例提高8 %可以達到71.1 %，系統(tǒng)耗電量可節(jié)省14.2 %。

2.2.2 并聯(lián)式太陽能熱泵

并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中的太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)連接，相互獨立，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。該系統(tǒng)主要依靠太陽能集熱器吸收太陽能，加熱循環(huán)水，以此保證蓄熱水箱的熱水供應(yīng)；當(dāng)太陽輻射較弱時，集熱器單獨運行不能滿足需求，啟動空氣源熱泵補充加熱。該系統(tǒng)利用太陽能集熱器在晴天時供暖，較少空氣源熱泵的運行時間，可以最大程度的節(jié)約能源。

圖3 并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)示意圖

鄧杰等[15]將一種幕墻式太陽能集熱器和空氣源熱泵并聯(lián)，測試系統(tǒng)的制熱性能，在室外氣溫-7.7℃條件下，太陽能熱泵系統(tǒng)的有效集熱效率可達27.5%，熱泵的COP可達1.55，并且系統(tǒng)的熱損失占比很小。袁和濤等[16]利用并聯(lián)式太陽能熱泵干燥玫瑰花蕾，實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)的平均供熱系數(shù)為7.9，由于空氣源熱泵耗電量很少，兩者結(jié)合使用比傳統(tǒng)的煤炭干燥要節(jié)約能源費用成本達60 %。孫先鵬等[17]在西安地區(qū)的一座溫室內(nèi)中建立太陽能熱泵供熱系統(tǒng)，通過對比實驗研究太陽能熱泵系統(tǒng)在冬季供暖的效果，實驗結(jié)果顯示，熱泵單獨供熱時，系統(tǒng)的COP在2.2到3.5之間，太陽能熱泵供熱時，系統(tǒng)的COP在2.9到6.0之間，系統(tǒng)的COP得到顯著提高。武曉偉等[18]設(shè)計了一種太陽能－空氣源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，可以在室外溫度低于-20℃的條件下進行供暖，對系統(tǒng)優(yōu)化后使得室內(nèi)平均溫度可以達到19.45 ℃，相比與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，優(yōu)化后的供暖系統(tǒng)每天可節(jié)省電能5.37 kWh，具有明顯的節(jié)能效果。

2.2.3 混合式太陽能熱泵

混合式太陽能熱泵系統(tǒng)同時具有換熱器和熱泵蒸發(fā)器，二者并聯(lián)連接，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。熱泵中的制冷劑從膨脹閥流出后溫度降低，其中一部分進入蒸發(fā)器吸收空氣中的熱量，另一部分進入換熱器和太陽能集熱板制造的熱水進行熱量交換，之后二者混合進入壓縮機共同循環(huán)?；旌鲜较到y(tǒng)設(shè)備部件多，系統(tǒng)控制和運行操作比其他類型更加復(fù)雜，實際生活中運用較少。

圖4 混合式太陽能熱泵系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語

太陽能熱泵系統(tǒng)是太陽能集熱器和熱泵的結(jié)合，具有二者優(yōu)點的同時，克服了他們單獨運行存在的問題，使得這一技術(shù)收到了廣泛關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對于不同形式的太陽能熱泵系統(tǒng)多了許多研究，其研究成果主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）太陽能熱泵系統(tǒng)解決了太陽能集熱器單獨供暖存在的不穩(wěn)定性問題。

（2）太陽能熱泵系統(tǒng)的COP要明顯高于傳統(tǒng)的空氣源熱泵。

（3）太陽能熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燃油、燃?xì)忮仩t相比，具有更好的供暖效果和節(jié)能效果。

與此同時，太陽能熱泵系統(tǒng)還有一些不完善之處，需要繼續(xù)研究。例如，在目前的實驗當(dāng)中多是采用定流量系統(tǒng)，循環(huán)水泵和熱泵機組都是以最大流量運行，造成電能浪費。今后可以在系統(tǒng)變頻控制方面加強研究，使得集熱系統(tǒng)流量可以根據(jù)熱負(fù)荷實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。此外，現(xiàn)階段的太陽能熱泵系統(tǒng)多是用來制造熱水，在通風(fēng)供暖方面的應(yīng)用較少，這也是值得研究的方向。