太阳能热泵技术及其在供热中应用

  隨著經濟發展和科(ke)技的進步，能源和環境是當今世界(jie)突(tu)出的兩(liang)大社會問題，這促使(shi)人們更多地意識到能源對(dui)人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節(jie)能熱泵技術。目前我國太陽能的熱利用主要集中在被動式太陽房采暖(nuan)和熱水器提供家(jia)用熱水上，而主動式太陽能供熱係統的開發的利用相對(dui)落後。采用節(jie)能裝置——熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯接的係統方式，不僅能夠有效(xiao)地克服(fu)太陽能本身所具有的稀(xi)薄性和間歇性，而且可以達到節(jie)約高位能和減少環境汙染的目的，具有很大的開發、應用潛力。熱泵技術是一種很好的節(jie)能型空調製冷供熱技術，是利用少量高品位的電能作為驅動能源，從低溫熱源高效(xiao)吸取低品位熱能，並將其傳輸給高溫熱源，以達到泵熱的目的，從而轉能質係數低的能源為能質係數高的能源（節(jie)約高品位能源），即提高能量品位的技術。隨著人們對(dui)獲(huo)取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決(jue)這一問題，熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選(xuan)擇(ze)方法。
　　
  1热泵的基本原(yuan)理(li)及其类型
　　
  热泵是一反向使(shi)用的制冷机，与制冷机所不同的只是工作的温度范(fan)围。热泵系统的工作原(yuan)理(li)如图1所示[1][2]。蒸发器吸热后，其工质的高温低压过热气体在压缩机中经过绝热压缩变(bian)为高温高压的气体后，经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体（放出工质的气化(hua)热等，与冷凝水进行热交(jiao)换，使(shi)冷凝水被加热为热水供用户使(shi)用），液态工质再经降(jiang)压阀(fa)绝热节(jie)流后变(bian)为低温低压液体，进入(ru)蒸发器定压吸收热源热量，并蒸发变(bian)为过热蒸气完(wan)成一个循(xun)环过程。如此循(xun)环往复，不断地将热源的热能传递给冷凝水。
　　
  根据热力学第(di)一定律，有：Qg=Qd+A，根据热力学第(di)二定律，压缩机所消耗的电功A起到补(bu)偿(chang)作用，使(shi)得(de)制冷剂能够不断地从低温环境吸热（Qd），并向高温环境放热（Qg），周而复始地进行循(xun)环。因此，压缩机的能耗是一个重要的技术经济指标，一般用性能系数（coefficientofperformance，简称COP）来衡(heng)量装置的能量效(xiao)率，其定义为：
　　
　　COP=Qg/A=（Qd+A）/A=1+Qd/A
　　
  显然，热泵COP永远大于1。因此，热泵是一种高效(xiao)节(jie)能装置，也是制冷空调领域(yu)内实施(shi)建筑节(jie)能的重要途(tu)径，对(dui)于节(jie)约常规(gui)能源、缓(huan)解大气污染和温室效(xiao)应起到积极的作用。
　　
  所有型式的热泵都有蒸发和冷凝两(liang)个温度水平，采用膨胀阀(fa)或毛细管实现制冷剂的降(jiang)压节(jie)流，只是压力增加的不同形式，主要有机械压缩式、热能压缩式和蒸气喷射压缩式。其中，机械压缩式热泵又(you)称作电动热泵，目前已(yi)经广(guang)泛应用建筑采暖(nuan)和空调，在热泵市场上占据了主导地位；热能压缩式热泵包括(kuo)吸收式和吸附式两(liang)种型式，其中水—溴(chou)化(hua)锂吸收式和氨—水吸收式热水机组已(yi)经逐步走上商(shang)业化(hua)发展的道路，而吸附式热泵目前尚处于研究和开发阶段，还必须克服(fu)运转间歇性以及系统性能和冷重比(bi)偏低等问题，才能真正应用于实际。
　　
  根据热源形式的不同，热泵可分为空气源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統稱為地源熱泵。
　　
  2太阳能热泵技术原(yuan)理(li)及其特点
　　
  太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的熱泵係統，區別(bie)於以太陽能光(guang)電或熱能發電驅動的熱泵機組。它把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機的結合起來，可同時提高太陽能集熱器效(xiao)率和熱泵係統性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉變(bian)為空氣源熱泵，非直膨式太陽能熱泵作為加熱係統的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。
　　
  2.1太阳能熱泵的分類
　　
  根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式，可分为直膨式（direct-expansionsoalarassistedheatpump，DX-SAHP）和非直膨式。在直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在太阳集热器中吸收太阳辐(fu)射能而得(de)到蒸发（如图2所示）。在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介质（一般采用水、空气、防冻溶液）在集热器中吸收太阳能，并在蒸发器中将热量传递给制冷剂，或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或水。根据太阳能集热环路与热泵循(xun)环的连接形式，非直膨式系统又(you)可进一步分为串联式、并联式和双热源式。串联式是指集热环路与热泵循(xun)环通过蒸发器加以串联、蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收的热量（如图3所示）；并联式是指太阳能集热环路与热泵循(xun)环彼此独立，前者一般用于预热后者的加热对(dui)象，或者后者作为前者的辅助热源（如图4所示）；双热源式与串联式基本相同，只是蒸发器可同时利用包括(kuo)太阳能在内的两(liang)种低温热源（如图5所示）[3]。
　　
  2.2太阳能热泵的技术特点
　　
  太阳能热泵将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来，具有以下几个方面(mian)的技术特点[4]：
　　
  1）同传统的太阳能直接供热系统相比(bi)，太阳能热泵的最大优点是可以采用结构简易的集热器，集热成本非常低。在直膨式系统中，太阳集热器的工作温度与热泵蒸发温度保持(chi)一致(zhi)，且与室外温度接近，而非直膨式系统中，太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源，集热介质温度通常为20℃～30℃，因此集热器的散热损失非常小，集热器效(xiao)率也相应提高。有研究表明，在非寒(han)冷地区即使(shi)采用结构简单、廉价的普通平板集热器，集热器效(xiao)率也高达60%～80%，甚(shen)至(zhi)采用无盖(gai)板、无保温的裸(luo)板集热器也是可以的。
　　
  2）由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点，常规(gui)的太阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置，并且配备相应的辅助热源，这不仅造成系统初投资较高，而且较大面(mian)积的集热器也难于布置。太阳能热泵基于热泵的节(jie)能性和集热器的高效(xiao)性，在相同热负荷(he)条(tiao)件下，太阳能热泵所需的集热器面(mian)积和蓄热器容(rong)积等都要比(bi)常规(gui)系统小得(de)多，使(shi)得(de)系统结构更紧凑，布置更灵活.
 

  3）在太陽輻(fu)射條(tiao)件良(liang)好的情(qing)況下，太陽能熱泵往往可以獲(huo)得(de)比(bi)空氣源熱泵更高的蒸發溫度，因而具有更高的供熱性能係數（COP可達到4以上），而且供熱性能受室外氣溫下降(jiang)的影(ying)響較小。
　　
  4）由于太阳能无处不在、取之不尽，因此太阳能热泵的应用范(fan)围非常广(guang)泛，不受当地水源条(tiao)件和地质条(tiao)件的限制，而且对(dui)自然生存环境几乎(hu)不造成影(ying)响。
　　
  5）太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点，即冬季可供暖(nuan)，夏季可制冷，全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置，因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运行，以供白(bai)天供冷之用，不仅运行费用便宜，而且有助于电力错峰。
　　
  6）考(kao)虑(lv)到制冷剂的充注量和泄漏问题，直膨式太阳能热泵一般适用于小型供热系统，如户用热水器和供热空调系统。其特点是集热面(mian)积小、系统紧凑、集热效(xiao)率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤(you)其是应用于生产热水，具有高效(xiao)节(jie)能、安装方便、全天候等优点，其造价与空气源熱泵熱水器相當，性能更優越。
　　
  7）非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范(fan)围广(guang)等优点，适合于集中供热、空调和供热水系统。易于与建筑一体化(hua)。
　　
  3太阳能熱泵熱水器的研究現狀
　　
  早在20世纪50年代初，太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性，即可同时提高太阳能集热器效(xiao)率和热泵系统性能。随后，日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家(jia)纷纷投入(ru)了大量的人力、物力对(dui)太阳能熱泵進行深入(ru)的研究與開發，在各地實施(shi)了多項太陽能熱泵示範(fan)工程，例如賓館、住宅、學校、醫院、圖書(shu)館以及遊(you)泳館等，取得(de)了一定的經濟效(xiao)益和良(liang)好的社會效(xiao)益。在能源和環境問題日益嚴峻的今天，太陽能熱泵因其具有顯著的節(jie)能性和環境友(you)好性，得(de)到了越來越廣(guang)泛的關注。近年來，土耳其、印度尼(ni)西亞等發展中國家(jia)也對(dui)太陽能熱泵進行了大量的研究[5][6]。在產業化(hua)發展方麵(mian)，美國的SolarKing係列太陽能熱泵供熱設備以及澳大利亞的Quantum係列太陽能熱泵熱水器等就是比(bi)較典型的產品範(fan)例。
　　
  我国对(dui)太阳能热泵的研究起步较晚，有关文献和报道均在十几年内。天津大学、东南大学、青岛(dao)建筑工程学院、上海交(jiao)通大学等先后对(dui)太阳能热泵进行了实验及理(li)论研究，取得(de)了一定的成果。天津大学对(dui)串联式太阳能热泵供热水系统进行的实验研究和理(li)论分析表明，该系统可以一年四季可*运行，向用户提供50℃生活热水，COP达到2.64～2.85（冬天），2.61～3.5（夏天）[7]。青岛(dao)建筑工程学院对(dui)串联式太阳能热泵供暖(nuan)系统进行了实验研究，该系统具有多功能调节(jie)能力，冬季热泵供暖(nuan)时热泵机组工作稳定，COP平均值达到2.71，具有明显的节(jie)能效(xiao)果[8]。上海交(jiao)通大学对(dui)直膨式太阳能熱泵熱水器進行了試(shi)驗研究，該熱水器可全天候提供45～50℃生活熱水150L，每天耗電量約為1kW·h（夏）～2kW·h（冬），其分體式結構尤(you)其適合於高層或多層建築，此外，這種熱水器在陰雨天可以照常工作，其工作形式轉變(bian)為空氣源熱泵[9]。
　　
  4太阳能热泵与建筑结合的应用
　　
  近年来，随着太阳能事业的发展和建筑节(jie)能的要求，随着城市的发展和人民生活水平的提高，“太阳能与建筑一体化(hua)”和“全天候供热”已(yi)成为我国太阳能热利用的重要议题。“太阳能与建筑一体化(hua)”就是把太阳能产品作为建筑部件安装，使(shi)其有机结合起来，符合建筑美学要求，并尽可能地利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规(gui)能源以减少建筑能耗对(dui)常规(gui)能源的依赖，降(jiang)低建筑能耗占我国总(zong)能耗的比(bi)例，并提高常规(gui)能源利用率。由于太阳能热泵具有集热效(xiao)率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范(fan)围广(guang)等优点，能较好地满足“太阳能与建筑一体化(hua)”的要求。由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点，常规(gui)的太阳能供热系统很难满足“全天候”的要求，为满足“全天候”的要求，常规(gui)方法是采用电加热或燃气加热为辅助热源，但容(rong)易引发安全问题，且消耗了大量优质能源，而采用太阳能供热系统就能较好地解决(jue)“全天候”的问题。目前，我国太阳能热泵主要应在公共建筑物上，例如，北(bei)京奥运村和奥运场馆的生活热水和加热的能量都采用太阳能热泵供热系统。
　　
  5太阳能热泵技术存在的问题
　　
  我国太阳能热泵的发展和应用还存在着一些(xie)问题：
　　
  1）投资经济性。能源结构和燃料(liao)价格(ge)直接影(ying)响太阳能热泵的经济性，例如，我国西部地区以煤炭为主的能源结构以及较低的燃料(liao)价格(ge)必将影(ying)响太阳能热泵的市场竞争力。同时，太阳能热泵系统初投资偏高也是影(ying)响其经济性的重要因素之一。
　　
  2）性能可*性。各种类型的太阳能热泵性能有待提高，要使(shi)部件之间的匹配关系达到投资运行最佳效(xiao)益，要将系统设计(ji)与建筑设计(ji)结合起来，既要考(kao)虑(lv)系统性能又(you)要考(kao)虑(lv)建筑美观，要实行智能化(hua)控制，这需要各个专业、各个领域(yu)的人共同努力、相互配合。
　　
  3）公众(zhong)对(dui)这一技术缺乏(fa)足够的了解和认识。目前，在我国制约太阳能热泵应用的主要障碍是系统初投资较高以及政府、建筑设计(ji)人员和公众(zhong)对(dui)这一技术缺乏(fa)足够的了解和认识。通过政府部门、科(ke)研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国太阳能热泵将得(de)到较快的推广(guang)和发展。
　　
  6结束语
　　
  太阳能是地球上一切能的主要来源，是无穷(qiong)无尽无公害(hai)的洁净能源，也是21世纪人类最有希(xi)望的能源。我国地域(yu)辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国国土面(mian)积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域(yu)内。太阳能热泵技术是太阳能热利用技术和热泵技术有机的结合，具有集热效(xiao)率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范(fan)围广(guang)等优点，能较好地解决(jue)“太阳能与建筑一体化(hua)”和“全天候”的问题。太阳能热泵技术将在太阳能利用中占有重要地位，有着广(guang)阔的发展前景。