太阳能热泵技术及其在供热中应用

  随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，而愈来愈重视太阳能利用和节能热泵技术。目前我国太阳能的热利用主要集中在被动式太阳房采暖和热水器提供家用热水上，而主动式太阳能供热系统的开发的利用相对落后。采用节能装置——热泵与太阳能集热设备、蓄热机构相联接的系统方式，不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发、应用潜力。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到泵热的目的，从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源（节约高品位能源），即提高能量品位的技术。随着人们对获取生活用热水的要求日趋提高，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。
　　
  1热泵的基本原理及其类型
　　
  热泵是一反向使用的制冷机，与制冷机所不同的只是工作的温度范围。热泵系统的工作原理如图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（放出工质的气化热等，与冷凝水进行热交换，使冷凝水被加热为热水供用户使用），液态工质再经降压阀绝热节流后变为低温低压液体，进入蒸发器定压吸收热源热量，并蒸发变为过热蒸气完成一个循环过程。如此循环往复，不断地将热源的热能传递给冷凝水。
　　
  根据热力学第一定律，有：Qg=Qd+A，根据热力学第二定律，压缩机所消耗的电功A起到补偿作用，使得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）来衡量装置的能量效率，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，热泵是一种高效节能装置，也是制冷空调领域内实施建筑节能的重要途径，对于节约常规能源、缓解大气污染和温室效应起到积极的作用。
　　
  所有型式的热泵都有蒸发和冷凝两个温度水平，采用膨胀阀或毛细管实现制冷剂的降压节流，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，机械压缩式热泵又称作电动热泵，目前已经广泛应用建筑采暖和空调，在热泵市场上占据了主导地位；热能压缩式热泵包括吸收式和吸附式两种型式，其中水—溴化锂吸收式和氨—水吸收式热水机组已经逐步走上商业化发展的道路，而吸附式热泵目前尚处于研究和开发阶段，还必须克服运转间歇性以及系统性能和冷重比偏低等问题，才能真正应用于实际。
　　
  根据热源形式的不同，热泵可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和太阳能热泵等。国外的文献通常将地下水热泵、地表水热泵与土壤源热泵统称为地源热泵。
　　
  2太阳能热泵技术原理及其特点
　　
  太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。它把热泵技术和太阳能热利用技术有机的结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。集热器吸收的热量作为热泵的低温热源，在阴雨天，直膨式太阳能热泵转变为空气源热泵，非直膨式太阳能热泵作为加热系统的辅助热源。因此，它可全天候工作，提供热水或热量。
　　
  2.1太阳能热泵的分类
　　
  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射能而得到蒸发（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环的连接形式，非直膨式系统又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环彼此独立，前者一般用于预热后者的加热对象，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太阳能在内的两种低温热源（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，具有以下几个方面的技术特点[4]：
　　
  1）同传统的太阳能直接供热系统相比，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一致，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，集热器效率也相应提高。有研究表明，在非寒冷地区即使采用结构简单、廉价的普通平板集热器，集热器效率也高达60%～80%，甚至采用无盖板、无保温的裸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，而且较大面积的集热器也难于布置。太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活.
 

  3）在太阳辐射条件良好的情况下，太阳能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，因而具有更高的供热性能系数（COP可达到4以上），而且供热性能受室外气温下降的影响较小。
　　
  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围非常广泛，不受当地水源条件和地质条件的限制，而且对自然生存环境几乎不造成影响。
　　
  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，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，以供白天供冷之用，不仅运行费用便宜，而且有助于电力错峰。
　　
  6）考虑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。其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤其是应用于生产热水，具有高效节能、安装方便、全天候等优点，其造价与空气源热泵热水器相当，性能更优越。
　　
  7）非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等优点，适合于集中供热、空调和供热水系统。易于与建筑一体化。
　　
  3太阳能热泵热水器的研究现状
　　
  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纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的研究与开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范工程，例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游泳馆等，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。在能源和环境问题日益严峻的今天，太阳能热泵因其具有显著的节能性和环境友好性，得到了越来越广泛的关注。近年来，土耳其、印度尼西亚等发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究[5][6]。在产业化发展方面，美国的SolarKing系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等就是比较典型的产品范例。
　　
  我国对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、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太阳能热泵进行了实验及理论研究，取得了一定的成果。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行的实验研究和理论分析表明，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]。青岛建筑工程学院对串联式太阳能热泵供暖系统进行了实验研究，该系统具有多功能调节能力，冬季热泵供暖时热泵机组工作稳定，COP平均值达到2.71，具有明显的节能效果[8]。上海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究，该热水器可全天候提供45～50℃生活热水150L，每天耗电量约为1kW·h（夏）～2kW·h（冬），其分体式结构尤其适合于高层或多层建筑，此外，这种热水器在阴雨天可以照常工作，其工作形式转变为空气源热泵[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”和“全天候供热”已成为我国太阳能热利用的重要议题。“太阳能与建筑一体化”就是把太阳能产品作为建筑部件安装，使其有机结合起来，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能源以减少建筑能耗对常规能源的依赖，降低建筑能耗占我国总能耗的比例，并提高常规能源利用率。由于太阳能热泵具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等优点，能较好地满足“太阳能与建筑一体化”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，常规方法是采用电加热或燃气加热为辅助热源，但容易引发安全问题，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“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问题：
　　
  1）投资经济性。能源结构和燃料价格直接影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价格必将影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，要使部件之间的匹配关系达到投资运行最佳效益，要将系统设计与建筑设计结合起来，既要考虑系统性能又要考虑建筑美观，要实行智能化控制，这需要各个专业、各个领域的人共同努力、相互配合。
　　
  3）公众对这一技术缺乏足够的了解和认识。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、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏足够的了解和认识。通过政府部门、科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到较快的推广和发展。
　　
  6结束语
　　
  太阳能是地球上一切能的主要来源，是无穷无尽无公害的洁净能源，也是21世纪人类最有希望的能源。我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内。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，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等优点，能较好地解决“太阳能与建筑一体化”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，有着广阔的发展前景。