1、太陽能熱泵系統(tǒng)的研究及應(yīng)用于洋（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，熱科學(xué)和能源工程系，PB13209219）摘要 本文綜述了太陽能熱泵在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，針對太陽能熱泵的中關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行了簡要介紹，列舉了一些有關(guān)太陽能熱泵技術(shù)的研究及應(yīng)用成果并闡述了太陽能熱泵的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 太陽能熱泵；工質(zhì)；壓縮機(jī)；集熱；蓄熱；應(yīng)用1. 引言太陽能熱泵系統(tǒng),是指利用太陽輻照的熱量來作為熱泵熱源的熱泵系統(tǒng), 在太陽能熱泵中,太陽能技術(shù)和熱泵技術(shù)相結(jié)合,彌補(bǔ)了兩種系統(tǒng)各自的缺點(diǎn),并以其節(jié)能、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)引起了人們的注意。對系統(tǒng)的探討較早開始于20世紀(jì)50年代1。但對系統(tǒng)的廣泛深入研究,是從70年代的能源危機(jī)之后開始的。

2、日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家自上世紀(jì)中葉就開始對太陽能熱泵進(jìn)行研究與開發(fā),實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益我國對太陽能熱泵的研究雖然起步較晚,但這幾年所進(jìn)行的理論與實(shí)驗(yàn)研究,都取得了一定成果,為今后商業(yè)化發(fā)展提供了一定基礎(chǔ)。2. 太陽能熱泵系統(tǒng)研究進(jìn)展太陽能熱泵系統(tǒng)的工作原理2如圖1所示:工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪哼^熱蒸汽,在壓縮機(jī)中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w,再經(jīng)冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體,放出工質(zhì)的氣化熱,與冷凝水進(jìn)行熱交換,使冷凝水被加熱為熱水,供用戶使用;液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)過膨脹閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嗷旌衔?并回到蒸發(fā)器定壓吸收低溫?zé)?/p>

3、源熱量,蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸汽;如此形成一個完整的循環(huán)過程。整個系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、蓄熱器等組成。根據(jù)太陽能集熱器與熱泵的組合形式,太陽能熱泵可分為直膨式和非直膨式; 太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、循環(huán)工質(zhì)的選擇、壓縮機(jī)選擇、集熱和蓄熱部分的設(shè)計(jì)等，下文將對這些關(guān)鍵技術(shù)的研究情況進(jìn)行介紹。 圖 1 太陽能熱泵系統(tǒng)工作原理2.1太陽能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式2.1.1直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)把太陽能集熱器和熱泵蒸發(fā)器結(jié)合成一體,太陽輻照的能量直接作為熱泵的熱源，循環(huán)工質(zhì)在太陽能集熱/蒸發(fā)器中直接吸熱蒸發(fā),節(jié)省了非直膨式系統(tǒng)中集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)之間

4、的換熱設(shè)備,不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而且可以有效提高集熱器性能和熱泵供熱性能。下面以直膨式太陽能熱泵熱水器為例，對該系統(tǒng)進(jìn)行簡要的分析說明。圖2是直膨式太陽能熱泵熱水器的原理圖3，圖3是太陽能熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物照片。系統(tǒng)的主要參數(shù)見表14。除了太陽能集熱/蒸發(fā)器（下文簡稱“集熱板”）系統(tǒng)的其余部件與常規(guī)的熱泵系統(tǒng)完全相同，所以它極具小型化和產(chǎn)品實(shí)用化發(fā)展?jié)摿Γ评鋭┳鳛樘柲芗療峤橘|(zhì)直接在集熱板中吸熱蒸發(fā)，然后通過熱泵循環(huán)將冷凝器放給水箱內(nèi)被加熱的水。圖2直膨式太陽能熱泵熱水器原理圖圖3實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)際安裝情況 C. 壓縮箱 HWT. 生活熱水箱 EV. 膨脹閥 SCE. 集熱板 AM. 氣液分離

5、器 SRM. 太陽能總輻射表直膨式太陽能熱泵熱水器性能的主要評價指標(biāo)為供熱性能系數(shù)COP和集熱板的集熱效率c，它們分別定義如下 COP=Qw，cPcomp=熱水得熱量壓縮機(jī)耗電量 （1）c= QeIAc =集熱板有效集熱量集熱板表面太陽輻射量 （2）對實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擇取4組環(huán)境溫度接近、太陽輻射強(qiáng)度不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將熱水瞬時溫度和系統(tǒng)瞬時平均供熱性能系數(shù)隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系繪于圖4，集熱板的集熱效率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律繪于圖5圖4 太陽能熱泵熱水器在不同太陽輻射強(qiáng)度下的性能圖5集熱板集熱效率的瞬態(tài)特性由圖4(a)可見,熱水溫升曲線的斜率隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而增加.由圖4(b)可以

6、看出,在環(huán)境溫度相接近的情況下,熱泵熱水器的COP隨太陽輻射強(qiáng)度的增大而增大。同時，該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在環(huán)境溫度均值20.6、太陽輻射強(qiáng)度均值955w/m2的室外氣象條件下，將150升水從13.4加熱到50.5只需要4分，,熱泵COP達(dá)到6.61，即使在環(huán)境溫度為17.1的雨夜,熱泵COP仍能夠達(dá)到3.11；而由圖5可見，太陽能熱泵熱水器的集熱板同時也作為熱泵的蒸發(fā)器，集熱效率較高，可以接近甚至超過1.0。由此可見，直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)具有較高的供熱性能和集熱性能4。2.1.2非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)在非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中,太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立,通過集熱介質(zhì)在集熱器中吸收太陽能,并在蒸發(fā)器中

7、與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱。非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)研究的關(guān)鍵是提高系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵的連接形式，非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)可以分為串聯(lián)式(見圖 6)、并聯(lián)式(見圖 7) 、混聯(lián)式(見圖8 )5。圖 6非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)圖 7非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)圖 8非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)在以下假設(shè)條件下對不同類型太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能分析：低溫環(huán)境 (傳統(tǒng)太陽能直接供暖系統(tǒng)不開啟)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；工質(zhì)壓縮過程為等熵壓縮，膨脹閥前、后工質(zhì)比熵相等；工質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝過程中沒有壓力損失；集熱器溫度高于環(huán)境溫度。非直膨并聯(lián)式、非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的壓力一比焓(Ph)圖見圖9

8、、圖10。由圖 9可知，在非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中，由于太陽能直接供暖系統(tǒng)不開啟，只剩下空氣源熱泵，從冷凝器出來的工質(zhì)分為兩路，主路的工質(zhì)進(jìn)入節(jié)能器，輔路的工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓 (46)后也進(jìn)入節(jié)能器。這兩部分工質(zhì)在節(jié)能器中換熱后，輔路的工質(zhì)變?yōu)闅怏w后被壓縮機(jī)的輔 助進(jìn)氣口吸入，主路的工質(zhì)變?yōu)檫^冷液體，經(jīng)膨脹閥降壓 (57)后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中氣化(71)后被壓縮機(jī)吸氣口吸入。主路和輔路的工質(zhì)在壓縮機(jī)工作腔內(nèi)混合，再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī)外(1，23)，最后進(jìn)入冷凝器。由圖 10可知，非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)循環(huán)為空氣源熱泵循環(huán)(1234)與非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)循環(huán)(1234)

9、的疊加。圖 9非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的壓力比焓圖圖 10非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的壓力比焓圖以非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)為例，其制熱性能系數(shù)COP的計(jì)算式為：COP=h3-h4h3-h2+（1-a）（h2-h1）式中 h3非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)出口工質(zhì)比焓，KJ/Kg h4非直膨并聯(lián)式太陽能熱栗系統(tǒng)中冷凝器出口工質(zhì)比焓，KJ/Kg h2非直膨并聯(lián)式太陽能熱栗系統(tǒng)中輔路壓縮機(jī)入口工質(zhì)比焓，KJ/Kg a 輔路工質(zhì)流量與工質(zhì)總流量之比 h1非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中主路工質(zhì)膨脹后工質(zhì)比焓，KJ/Kg2.1.3直膨式與非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的比較直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)中工質(zhì)直接

10、在集熱器/蒸發(fā)器內(nèi)膨脹吸熱,既可以吸收太陽輻射能也可以吸收周圍空氣中的熱能,大大提高了系統(tǒng)在不同工況下連續(xù)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。對太陽能系統(tǒng)來說集熱器表面溫度越低，越有利于提高太陽能集熱器的效率;相反,對熱泵系統(tǒng)來說蒸發(fā)器表面溫度越高,越有利于提高熱泵循環(huán)的效率和減少結(jié)霜現(xiàn)象。由于直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)集熱器管道中流動的是制冷劑而非水,可有效避免冬季的凍管問題。應(yīng)該注意到,直膨式太陽能熱泵在應(yīng)用中存在系統(tǒng)優(yōu)化配比、與建筑一體化、投資經(jīng)濟(jì)性等一系列問題。非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣、適于集中,但其結(jié)構(gòu)形式較直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)復(fù)雜。因此,選擇太陽能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)該

11、綜合考慮工況、系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性等因素合理地進(jìn)行選擇。2.2太陽能熱泵系統(tǒng)中循環(huán)工質(zhì)的選擇 熱泵運(yùn)行性能的好壞一定程度上取決于循環(huán)工質(zhì)的特性，選擇選擇合適的熱泵工質(zhì)對于改善熱泵的性能相當(dāng)重要，下面結(jié)合直膨式太陽能熱泵熱水器中不同工質(zhì)性能的分析，對太陽能熱泵系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的選擇做簡要說明。2.2.1 系統(tǒng)模型直膨式太陽能熱泵熱水器與空氣源熱泵熱水器相比，除了太陽能集熱器外，其余部件均相同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖116所示熱泵工質(zhì)作為集熱介質(zhì)在集熱器內(nèi)部直接吸收太陽輻射熱而蒸發(fā)，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮，由冷凝器將熱量釋放給蓄熱水箱，然后經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后返回集熱器。圖 11 直膨式太陽能熱水器示意圖R22是熱泵熱水器中

12、廣泛使用的一種工質(zhì)，但其排放會破壞臭氧層并引起溫室效應(yīng)。目前，R22的替代工質(zhì)主要有 R410A、R407C、R134A和R290等，這些替代工質(zhì)的臭氧衰減指數(shù)ODP均為0，而除R290的溫室指數(shù)GWP接近于0外，其余替代工質(zhì)的GWP基本屬于中等范圍。R22及各替代工質(zhì)的性質(zhì)如表2所示7。表2 6種制冷劑性質(zhì)對照表分別采用R22、R410A和R290作為系統(tǒng)工質(zhì)，同樣利用集熱器的集熱效率和供熱性能系數(shù)COP作為評價指標(biāo)，模擬研究環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對3種工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)性能影響并進(jìn)行對比分析。2.2.2結(jié)果與分析過程中，3種熱泵工質(zhì)的直膨式太陽能熱泵熱水器結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，設(shè)定太陽輻射強(qiáng)度為 750

13、W/m2，環(huán)境溫度為25.7，環(huán)境風(fēng)速為3.0m/s，蓄熱水箱內(nèi)部水初溫和終溫分別為20.5和50.0，集熱器出口過熱度為5.0，時間步長設(shè)定為1min。為便于分析，在系統(tǒng)模擬過程中，僅改變某一參數(shù)值，其余參數(shù)值保持不變。通過對所得數(shù)據(jù)的處理分析可得到在不同環(huán)境參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)下不同工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響，如圖1217所示7圖 12 不同太陽輻射強(qiáng)度下系統(tǒng)性能比較從圖12可以看出，不同太陽輻射強(qiáng)度下，系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22和R410A，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的略高于R22和R290系統(tǒng)；Qw的大小為R410A R290 R22，另外當(dāng)I 從300W/

14、m2增大到800 W/m2的過程中，R22、R410A和R290系統(tǒng)的COP分別增加了29.8%、36.9% 和 55%，因此R290系統(tǒng)的COP隨I 的變化大于R22和R410A。圖 13 不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)性能的比較從圖13可以看出，不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的略高于R22和R290系統(tǒng)；Qw的大小為R410A R290 R22，另外當(dāng)ta 從5增大到35的過程中，R22、R410A和R290系統(tǒng)的COP分別增加了31.8%、48.4% 和 70.3%，因此R290系統(tǒng)的COP隨ta 的變化大于R

15、22和R410A。圖 14不同室外風(fēng)速下系統(tǒng)性能的比較（ta=5）從圖14可以看出，隨著風(fēng)速的增加，系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的略高于R22和R290系統(tǒng)；Qw的大小為R410A R290 R22，另外當(dāng)uw 從1m/s增大到8m/s的過程中，R22、R410A和R290系統(tǒng)的COP分別減少了5.8%、1.8% 和 11.5%，因此當(dāng)ta=5時，R290系統(tǒng)的COP隨uw 的變化大于R22和R410A。圖 15不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)性能的比較從圖15可以看到，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22

16、和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的略高于R22和R290系統(tǒng)；Qw的大小為R410A R290 R22，另外當(dāng)n 從1000r/min增大到4500r/min的過程中，R22、R410A和R290系統(tǒng)的COP分別降低了65.5%、75.6% 和 57.8%，因此壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速增加會導(dǎo)致COP大幅降低，不利于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，n 的變化對3種系統(tǒng)性能影響的程度為R410AR22R290。圖 16不同水箱水溫下系統(tǒng)性能的比較從圖16可以看出，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的

17、略高于R22和R290系統(tǒng)；Qw的大小為R410A R290 R22，另外當(dāng)tw 從20增大到50的過程中，R22、R410A和R290系統(tǒng)的COP分別降低了50.8%、57.9% 和 70.8%，因此tw增加同樣會導(dǎo)致COP大幅降低，不利于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，R290隨tw的變化大于R410A和R22。圖 17 不同充注量下系統(tǒng)性能的比較從圖中可以看出R290系統(tǒng)的充注量明顯低于R22和R410A系統(tǒng)，在對應(yīng)的最佳充注量范圍內(nèi)系統(tǒng)使用R290的COP明顯高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的最大，R22和R290系統(tǒng)相當(dāng)；Qw的大小為R410A R290

18、R22。通過以上數(shù)據(jù)的分析，我們可以得到如下結(jié)論7：(1) 在不同環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的工況下，R290系統(tǒng) COP值明顯高于R22和 R410A，而R22和 R410A的 COP值基本相同；R410A系統(tǒng)的制熱功率和集熱器集熱效率略高于R22和R290系統(tǒng)。(2) 太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度的增加均可提高系統(tǒng)COP值，環(huán)境參數(shù)對R290系統(tǒng)的影響程度大于R22和R410A。(3) 運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響較明顯。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對R410 系統(tǒng)影響顯著，而水箱水溫的變化對R290系統(tǒng)影響較大。(4) R290系統(tǒng)的工質(zhì)充注量明顯低于 R22和R410A系統(tǒng)。R410A系統(tǒng)最佳充注量約為R22系統(tǒng)的

19、46%；R410A 系統(tǒng)最佳充注量約為R22系統(tǒng)的95%。對于循環(huán)工質(zhì)的選擇，應(yīng)該注意的是,優(yōu)選工質(zhì)時應(yīng)綜合考慮壓比、工質(zhì)熱物性、工質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、系統(tǒng)性能要求、與壓縮機(jī)的匹配、環(huán)保性等多方面因素進(jìn)行優(yōu)化篩選。2.3 太陽能熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)選擇太陽能熱泵系統(tǒng)所選擇的壓縮機(jī)種類會對熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。通常活塞壓縮機(jī)能夠更好地適應(yīng)高壓差和低環(huán)境溫度,而回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)(如渦旋壓縮機(jī))低溫工作時通常無法滿足系統(tǒng)的制熱要求,因此系統(tǒng)中需要設(shè)置電加熱器,設(shè)置電加熱器看似會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜,不如直接采用能耐受惡劣工況的活塞壓縮機(jī);但通常活塞壓縮機(jī)的性能系數(shù)比渦旋壓縮機(jī)低,而且其價格也較高,這會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)

20、用增加8。西安交通大學(xué)的胡偉針對太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種方案，第一種是采用美優(yōu)樂 MT60 活塞壓縮機(jī)，系統(tǒng)中不設(shè)置電加熱裝置,第二種方案采用谷輪ZR61KC渦旋壓縮機(jī), 同時配用36kW電加熱裝置。在西安地區(qū)研究了一年內(nèi)熱泵系統(tǒng)的特性。2.3.1系統(tǒng)模型及壓縮機(jī)性能曲線如圖18所示8，熱泵輔助太陽能中央熱水系統(tǒng)采用非直膨并聯(lián)式，同時壓縮機(jī)部分分別采用MT60 活塞壓縮機(jī)和谷輪ZR61KC渦旋壓縮機(jī)。圖 18熱泵輔助太陽能中央熱水系統(tǒng)流程圖圖 19 和圖 20 是根據(jù)產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)所擬合的兩種壓縮機(jī)性能曲線, 從圖中可以看出, 兩種壓縮機(jī)的制熱量基本相當(dāng)( MT60 由于排量略大, 因此

21、制熱量略高) , 因此具有一定的可比性; 從圖中還可以發(fā)現(xiàn) MT60 由于是活塞壓縮機(jī), 隨著壓差增加, 其容積系數(shù)下降很大, 因此其制熱量隨著蒸發(fā)和冷凝溫度變化較 ZR61 大, 同時其功耗的變化也比渦旋壓縮機(jī)劇烈。通過簡單的計(jì)算比較可以發(fā)現(xiàn), 渦旋壓縮機(jī)在所有的工況下的制熱系數(shù)都比活塞壓縮機(jī)高很多。圖 19 MT60 壓縮機(jī)性能曲線圖 20 ZR61 壓縮機(jī)性能曲線2.3.2基本假設(shè)及模擬結(jié)果分析8為了研究簡化,不考慮太陽能子單元對系統(tǒng)的影響, 僅研究壓縮機(jī)對熱泵單元的影響, 故此做出以下假設(shè):(1) 每天上午8點(diǎn), 水箱上滿冷水, 同時每天加熱得到的55熱水可在當(dāng)天使用完, 加熱時不使用

22、水箱中的水；(2)熱泵開啟后, 水箱溫度時刻都在變化, 因此冷凝溫度也會改變, 本文認(rèn)為冷凝溫度和水箱水溫保持恒定的溫差, 同時每 10min 計(jì)算一次各部分溫度變化關(guān)系, 即 10min 內(nèi)認(rèn)為水溫、氣溫、蒸發(fā)和冷凝溫度等恒定；(3) 熱泵過熱度和過冷度恒定, 同時風(fēng)機(jī)和水泵消耗的功率也為恒定值；(4) MT60 系統(tǒng)不存在電加熱, 如果蒸發(fā)溫度比安全區(qū)域溫度低, 即使水溫沒有達(dá)到設(shè)定溫度, 也停止工作; ZR61 系統(tǒng)保留電加熱, 如果熱泵處于安全運(yùn)行工況以外, 則開啟電加熱, 直至加熱到所需溫度。在該假設(shè)下計(jì)算得到每日性能系數(shù)及年平均性能系數(shù),處理分析可得圖21，從圖中可以看出 ,在同樣

23、的溫度下,ZR61系統(tǒng)熱泵COP比MT60 高得多, 即使考慮到某些天,由于氣溫過低,需要開啟電加熱,綜合COP仍然比 MT60 系統(tǒng)高, 對于 ZR61 系統(tǒng),年平均 COP為3.34,而 MT60 為 2.90。從目前市場價格來看,MT60壓縮機(jī)的價格與ZR61壓縮機(jī)加上36kW電加熱的價格基本相當(dāng), 即設(shè)備的初始投資費(fèi)用是一樣的, 但是 ZR61 系統(tǒng)在西安地區(qū)的運(yùn)行費(fèi)用比 MT60 系統(tǒng)低 15% 左右。圖 21兩種方案性能系數(shù)比較模擬結(jié)果結(jié)果表明,雖然 ZR61 系統(tǒng)保留了電加熱器,但是電加熱器每年開啟的時間有限,而渦旋壓縮機(jī)本身的性能比活塞壓縮機(jī)優(yōu)越, 因此從一年的整體情況來看,

24、采用ZR61 壓縮機(jī)的系統(tǒng)具有更好的節(jié)能效果。所以,除了按照基本的熱泵壓縮機(jī)選型方法外,還應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)工況和成本要求選擇壓縮機(jī)。2.4太陽能熱泵系統(tǒng)集熱和蓄熱部分的設(shè)計(jì)2.4.1太陽能熱泵系統(tǒng)集熱部分集熱器是太陽能熱泵系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,其性能與成本對整個系統(tǒng)的運(yùn)行有重要影響。Cervantes.J.G對太陽能熱泵系統(tǒng)能量進(jìn)行了分析, 發(fā)現(xiàn)不可逆損失主要在熱泵的蒸發(fā)器中,減少集熱蒸發(fā)器的能量損失可改善相應(yīng)的熱力學(xué)循環(huán)性能9。目前國內(nèi)的太陽能集熱器主要有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空集熱管和U形管式真空管集熱器等。在太陽能集熱器的選型上,要合理確定供熱工況,以取得投資運(yùn)行

25、的最佳效益。在選定集熱器型號后，集熱器數(shù)目（面積）對系統(tǒng)的性能及投資均有直接影響，Omer Comakli研究發(fā)現(xiàn)集熱器數(shù)目從19增加到24時,COP最大值增加了34%,而投資增加了71%10,故集熱器最佳數(shù)目及最佳設(shè)計(jì)應(yīng)通過投資量及系統(tǒng)的日均性能的優(yōu)化過程計(jì)算。國內(nèi)東華大學(xué)蒲學(xué)勝等人依照非直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)對此進(jìn)行了一定的研究，下面對其研究作簡要說明。(1) 基本原理非直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的原理圖如圖 22所示系統(tǒng)的集熱環(huán)路與熱泵的蒸發(fā)器串聯(lián)，太陽能集熱器收集的熱量通過集熱環(huán)路供給蒸發(fā)器，以提高蒸發(fā)器側(cè)的熱源溫度，提高熱泵的 COP，從冷凝器出來的制冷劑經(jīng)過膨脹閥節(jié)流到集熱水箱中的

26、蒸發(fā)器，在吸收集熱水箱中水的熱量后汽化，然后再進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，進(jìn)入冷凝器放熱，通過冷凝器將熱量傳遞給生活熱水箱中的水11。圖 22非直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)原理圖(2)模擬結(jié)果及分析圖 23所示的是不同集熱水箱體積下系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨集熱器面積的變化關(guān)系，由圖 23 可以看出隨著集熱器面積的增加，系統(tǒng)的運(yùn)行能耗 Wele越來越小，但減小越來越緩慢，當(dāng)集熱器由 2m2 增加到 4 m2 時，系統(tǒng)能耗減少了 36.4%，由4m2 增加到 6m2 時，系統(tǒng)能耗只減少了21.5%。需要指出的是集熱器面積的增加雖然會明顯減小系統(tǒng)能耗損失，在實(shí)際情況中會相應(yīng)提高系統(tǒng)的初投資。集熱水箱的體積

27、由 0.5 m3 增加至0.8 m3時減少的系統(tǒng)能耗明顯少于由 0.2 m3 增加至0.5 m3時減少的系統(tǒng)能耗。這是由于系統(tǒng)集熱水箱增大到 0.5 m3 時，集熱水箱存儲的太陽能總量受集熱器面積的影響11。圖 23不同集熱水箱體積下系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨集熱器面積的變化2.4.2太陽能熱泵系統(tǒng)蓄熱部分在太陽能熱泵系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱器的主要目的是儲存從集熱器獲得的低位熱量,以彌補(bǔ)太陽能間歇、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。同時設(shè)置蓄熱器可使熱泵機(jī)組的容量減小,節(jié)省設(shè)備投資,還可以增大熱泵的開、停時間間隔,保證機(jī)組的運(yùn)行效率。由此可見,蓄熱在太陽能熱泵系統(tǒng)中所起的作用,不論從供熱還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看,都比一般系統(tǒng)大得多12。

28、(1)蓄熱原理集熱介質(zhì)在太陽能集熱器中得到由集熱板吸收的太陽輻射能后,流入蓄熱器中的換熱盤管,通過熱交換把部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì),而蓄熱介質(zhì)則在良好的保溫條件下將這部分熱量儲存起來;當(dāng)需要用熱時,可利用另一種溫度較低的(也可以是同一種)載熱介質(zhì)流經(jīng)換熱盤管,把所儲存的熱量提取出來輸送給熱泵或用熱設(shè)備。蓄熱器中也可以不使用換熱盤管,直接使集熱介質(zhì)流入蓄熱器并儲存起來,需要時直接從蓄熱器中汲取集熱介質(zhì)加以利用。太陽能熱泵系統(tǒng)中典型的蓄熱以及整個蓄熱和取熱過程如圖 24所示12。圖 24太陽能熱泵系統(tǒng)中的蓄熱及取熱過程圖24(a)中,與集熱器直接相連的為低溫蓄熱器。集熱器將載熱流體加熱后將熱量儲存在

29、蓄熱器中,熱泵機(jī)組從蓄熱器中吸收熱量,將溫度提升,向房間供熱。這種蓄熱方式的最大特點(diǎn)是蓄熱溫度較低,熱損失小,對于隔熱措施的要求不高,結(jié)構(gòu)也比較簡單,但溫度不穩(wěn)定。圖24(b)中,系統(tǒng)除了設(shè)置與集熱器直接相連的低溫蓄熱器,還設(shè)置高溫蓄熱器,即熱泵將溫度提升后,把熱量儲存在高溫蓄熱器中,由高溫蓄熱器向房間供熱。這種蓄熱方式的特點(diǎn)是供熱溫度穩(wěn)定,熱泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn),但為了所儲存的熱量在整個蓄熱時間內(nèi)能保持所需的熱級,就必須采用良好的隔熱措施,系統(tǒng)造價也相應(yīng)提高。圖24(c)中,熱泵機(jī)組直接從集熱器中吸收熱量,將溫度提升后把熱量儲存在高溫蓄熱器中,再由高溫蓄熱器向房間供熱。這種蓄熱方式的特點(diǎn)是熱泵機(jī)組

30、蒸發(fā)器端受太陽輻射熱影響較大,因此機(jī)組工作不穩(wěn)定,且高溫蓄熱器保溫措施要好,系統(tǒng)造價比圖24(a)所示方式要大,但高溫端向房間供熱比較穩(wěn)定。(2) 蓄熱分類按蓄熱方式分為顯熱蓄熱和潛熱蓄熱（相變蓄熱），顯熱蓄熱即利用蓄熱介質(zhì)在溫度升高(或降低)時吸收(或放出)熱量的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)蓄熱。其中,又分為液體(特別是水)顯熱蓄熱和固體(如巖石、沙土等)顯熱蓄熱。顯熱蓄熱材料利用材料的溫度變化儲存顯熱,由于可以采用直接接觸式換熱,因而蓄放熱過程比較簡單,是早期應(yīng)用較多的蓄熱材料。顯熱材料大部分可從自然界直接獲得,價格低廉。屬于這類材料的有水、巖石、鵝卵石、土壤等。選擇的顯熱蓄熱材料應(yīng)滿足一下要求：比熱容大,

31、密度大,價格低廉,有良好的熱穩(wěn)定性,對容器無腐蝕作用,無毒無爆炸燃燒危險,容易得到。潛熱蓄熱（相變蓄熱）利用蓄熱介質(zhì)發(fā)生相變時需要吸收(或放出)大量熱量的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)蓄熱。可利用的潛熱又分為凝結(jié)熱和凝固熱兩種。相變蓄熱材料是利用物質(zhì)在相變過程中發(fā)生的相變熱來進(jìn)行熱量的儲存和利用。在相變過程中,材料從環(huán)境中吸熱,反之向環(huán)境中放熱,在物理狀態(tài)或化學(xué)成分發(fā)生變化時可儲存或釋放的能量為相變熱。材料按相變形式分為液-氣、固-氣、液-液、固-液、固-固5種,只有固-液、固-固有應(yīng)用價值13。相變蓄熱材料特別適宜貯存溫度變化范圍小的熱量,而這時如果用單相蓄熱材料,則需要的質(zhì)量和容積就龐大多了。相變只在一定溫度

32、條件下發(fā)生,因此所采用的相變蓄熱材料應(yīng)當(dāng)在所蓄熱量溫度范圍內(nèi)有相變。目前在各種蓄熱方式中,液體顯熱蓄熱是原理最簡單、技術(shù)最成熟、材料來源最豐富、成本最低廉的一種,因而也是實(shí)際應(yīng)用最早、推廣使用最普遍的一種。3太陽能熱泵應(yīng)用3.1太陽能熱泵技術(shù)的應(yīng)用太陽能熱泵系統(tǒng)集熱成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、能耗比高、應(yīng)用范圍廣,國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究和推廣工作。近年來,日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程,將太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用于賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等,都取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。一些公司在太陽能熱泵產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面取得了成功,例如美國的S

33、olar 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等就是比較典型的產(chǎn)品范例。我國學(xué)者也在多個領(lǐng)域?qū)μ柲軣岜眉夹g(shù)的應(yīng)用開展了研究。李郁武4、楊婷婷3等對直膨式太陽能熱泵熱水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試及經(jīng)濟(jì)性分析，曠玉輝14對太陽能輔助熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，周恩澤15進(jìn)行了太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究, 這些研究成果充實(shí)了太陽能熱泵理論,為太陽能熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了有益的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。3.2太陽能熱泵工程應(yīng)用案例3.2.1太陽能熱泵供熱系統(tǒng)圖25是瑞典萊波豪夫村莊的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)16，這套系統(tǒng)共有55座平房住宅,每座房屋有155 m2。在每座房屋的朝南

34、屋頂上裝有平板式太陽能集熱器,共計(jì)集熱面積3 045 m2。房屋采暖用熱泵共4臺,在低溫?zé)嵩礈囟葹?及高溫端溫度為60時,總計(jì)制熱能力432 kW,輸入功率共156 kW。熱水供應(yīng)用熱泵1臺,在上述同樣條件下的制熱能力為82 kW及輸入功率為29.5 kW。另外設(shè)有1臺700 kW燃油鍋爐作備用。由太陽能集熱器吸收的熱量貯存在蓄熱水池中。采暖用熱水及熱水供應(yīng)分別由熱泵2和熱泵3供應(yīng)。采暖用熱水溫度可以在55 22范圍內(nèi)變化,而且盡可能直接利用蓄熱水池的水。由冷凝器出來的熱水或直接由蓄熱水池來的熱水送入空氣加熱裝置中加熱空氣,用于房間采暖。房間的排風(fēng)通過熱回收熱交換器與新風(fēng)進(jìn)行熱交換,這樣回收了

35、部分排風(fēng)熱量而同時預(yù)熱了新風(fēng)。熱水供應(yīng)用熱泵3的冷凝器提供55 60的熱水,在水-水換熱器中加熱熱水供應(yīng)用的自來水,所供水的溫度保持在45。1太陽能集熱器;2采暖用熱泵;3熱水供應(yīng)用熱泵;4空氣加熱裝置;5熱回收熱交換器;6水-水熱交換器;7蓄熱水池;8水泵;9熱水箱圖 25瑞典萊波豪夫村莊的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)每幢單戶住宅需要30 50 m2的集熱器面積,蓄熱水池容積2 4 m3,大約可提供房屋采暖及熱水供應(yīng)需要能量的30% 60%。在同樣情況下,蓄熱水池增大100倍(即200400 m3),則幾乎提供全年需要的能量。上述這套太陽能熱泵供熱系統(tǒng)有很大的蓄熱水池。在每年11月到次年1月室外氣溫太

36、低時,太陽能集熱器關(guān)閉。根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)測,在3月份水池底部的水溫約7 ,這時最冷季節(jié)已過去。在9月份水池底部溫度達(dá)到最高(約58)。在穩(wěn)定工作情況下,正常年份每年需采暖熱量60104 kWh,熱水供應(yīng)22104 kWh,總計(jì)需要熱量82104 kWh。由集熱器收集的熱量每年100104 kWh;蓄水池和分配管路等的熱損失約為20104 kWh,系統(tǒng)輸入功率(大部分是用于熱泵)10104 kWh,故總計(jì)供熱能力為90104 kWh。比需要熱量約多10%。這個系統(tǒng)能量利用率相當(dāng)高。3.2.2太陽能熱泵干燥系統(tǒng)太陽能熱泵干燥系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)作物、木材、藥品煙草等產(chǎn)品的干燥，其中太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)的研

37、究起步較早，目前已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)工程。圖 26和圖 27分別是太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)的原理圖和設(shè)備實(shí)物圖，圖 26中的熱泵具有兩個蒸發(fā)器, 除濕蒸發(fā)器用于回收木材干燥室排氣的余熱; 熱泵蒸發(fā)器用于吸收大氣環(huán)境或太陽能集熱器的低溫余熱。圖 27的上部為太陽能集熱器, 下部左側(cè)為木材干燥窯, 右側(cè)為熱泵除濕機(jī)17。圖 26太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)原理圖圖 27太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)設(shè)備圖 昆明建筑木材廠采用太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)干燥木材,先自然風(fēng)干,然后進(jìn)窯,加熱溫度從室溫到達(dá)30(用熱泵除濕)。利用太陽能空氣集熱器(總面積75m2、投資10萬元)加熱,集熱器的進(jìn)口溫度為40 ,出口溫度為60 80

38、,使用3臺2.2kW的風(fēng)機(jī)送風(fēng)。每月干燥4窯木材,每次干燥時間約10多天。表3給出了5種木材干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表3 5種木材的干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù) 該廠1994年建成太陽能-熱泵木材干燥系統(tǒng),投入使用后,每月可節(jié)約電費(fèi)約1萬元,一年左右即可收回太陽集熱器投資,經(jīng)濟(jì)效益可觀。太陽能熱泵木材干燥與常規(guī)蒸汽干燥相比,具有節(jié)能(每干燥1m2木材可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤130kg),干燥質(zhì)量好,成本低等優(yōu)點(diǎn),而投資與蒸汽干燥設(shè)備相當(dāng)18。4 結(jié)論太陽能是地球上一切能的來源,是無公害的潔凈能源,也是21世紀(jì)人類最有希望的能源。我國地域遼闊,年日照時間大于2000 h的地區(qū)約占全國國土面積的2/3,處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)。除此以外，我國在發(fā)展太陽能熱泵技術(shù)方面還存在一系列有利條件：能源和環(huán)境保護(hù)政策在一定程度上促進(jìn)了太陽能熱泵技術(shù)的發(fā)展；陽能熱利用和空調(diào)技術(shù)的發(fā)展也為太陽能熱泵技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)保證；這些有利條件為太陽能熱泵的技術(shù)深化和市場推廣提供了有力的政策和技術(shù)支持。太陽能熱泵技術(shù)這一新型的制冷供熱技術(shù)具有明顯的社會效益和遠(yuǎn)期的經(jīng)濟(jì)效益,在能源和環(huán)境問題日益突出的今天具有顯