太陽能熱泵技術(shù)及其供熱應(yīng)用

1、太陽能熱泵技術(shù)及其供熱應(yīng)用摘要：熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能型空調(diào)制冷供熱技術(shù),把熱泵技術(shù) 與太陽能熱利用技術(shù)結(jié)合可提升太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能, 同時(shí)解決全天候供熱問題.因此,研究開發(fā)太陽能熱泵正日益受到重 視.本文論述了太陽能熱泵的技術(shù)原理和特點(diǎn)以及在提供熱水方面的 應(yīng)用和研究現(xiàn)狀等.0引言隨著經(jīng)濟(jì)開展和科技的進(jìn)步,能源和環(huán)境是當(dāng)今世界突出的兩大社會(huì) 問題,這促使人們更多地意識(shí)到能源對(duì)人類的重要性,而愈來愈重視 太陽能利用和節(jié)能熱泵技術(shù).目前我國(guó)太陽能的熱利用主要集中在被 動(dòng)式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上,而主動(dòng)式太陽能供熱系統(tǒng) 的開發(fā)的利用相對(duì)落后.采用節(jié)能裝置一一熱泵與太陽能集熱

2、設(shè)備、蓄 熱機(jī)構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式,不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的 稀薄性和間歇性,而且可以到達(dá)節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的, 具有很大的開發(fā)、應(yīng)用潛力.熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能型空調(diào)制冷 供熱技術(shù),是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源,從低溫?zé)嵩锤咝?吸取低品位熱能,并將其傳輸給高溫?zé)嵩?以到達(dá)泵熱的目的,從而 轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源節(jié)約高品位能源,即提升 能量品位的技術(shù).隨著人們對(duì)獲取生活用熱水的要求日趨提升,具有 間斷性特點(diǎn)的太陽能難以滿足全天候供熱.要解決這一問題,熱泵技 術(shù)與太陽能利用相結(jié)合無疑是一種好的選擇方法.1熱泵的根本原理及其類型熱泵是一反向使用的制冷機(jī),與

3、制冷機(jī)所不同的只是工作的溫度范圍. 熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示12.蒸發(fā)器吸熱后,其工質(zhì)的高溫 低壓過熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w后,經(jīng)冷 凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體放出工質(zhì)的氣化熱等,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)降壓閥 絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w,進(jìn)入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量,并蒸 發(fā)變?yōu)檫^熱蒸氣完成一個(gè)循環(huán)過程.如此循環(huán)往復(fù),不斷地將熱源的 熱能傳遞給冷凝水.根據(jù)熱力學(xué)第一定律,有：Qg=Qd+A根據(jù)熱力學(xué)第二定律,壓縮機(jī) 所消耗的電功A起到補(bǔ)償作用,使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸 熱Qd,并向高溫環(huán)境放熱Qg,周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)

4、.因此,壓 縮機(jī)的能耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),一般用性能系數(shù) coefficientofperformance ,簡(jiǎn)稱 COP來衡量裝置的能量效率,其定義 為：COP=Qg/A=Qd+A/A=1+Qd/A顯然,熱泵COP永遠(yuǎn)大于1.因此,熱泵是一種高效節(jié)能裝置,也是 制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)施建筑節(jié)能的重要途徑,對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解 大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用.所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個(gè)溫度水平,采用膨脹閥或毛細(xì)管 實(shí)現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流,只是壓力增加的不同形式,主要有機(jī)械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式.其中,機(jī)械壓縮式熱泵又稱作電 動(dòng)熱泵,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用建筑采暖和空調(diào),在熱泵市場(chǎng)

5、上占據(jù)了主導(dǎo)地位；熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式,其中水 一澳 化鋰吸收式和氨一水吸收式熱水機(jī)組已經(jīng)逐步走上商業(yè)化開展的道路, 而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段,還必須克服運(yùn)轉(zhuǎn)間歇性以 及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問題,才能真正應(yīng)用于實(shí)際.根據(jù)熱源形式的不同,熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱 泵和太陽能熱泵等.國(guó)外的文獻(xiàn)通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土 壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵.2太陽能熱泵技術(shù)原理及其特點(diǎn)太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng),區(qū)別于 以太陽能光電或熱能發(fā)電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組.它把熱泵技術(shù)和太陽能熱 利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來,可同時(shí)提升太陽能集熱器效率

6、和熱泵系統(tǒng) 性能.集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫?zé)嵩?在陰雨天,直膨式太 陽能熱泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜?非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔 助熱源.因此,它可全天候工作,提供熱水或熱量.2.1 太陽能熱泵的分類根據(jù)太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式,可分為直膨式 direct-expansionsoalarassistedheatpump DX-SAHP 和三營(yíng)直膨式.在直膨式系統(tǒng)中,太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一,即制冷工質(zhì)直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發(fā)如圖2所示.在非直膨 式系統(tǒng)中,太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立,通過集熱介質(zhì)一般采用 水、空氣、防凍溶液在集熱器中吸收太陽能,并在蒸發(fā)器中

7、將熱量 傳遞給制冷劑,或者直接通過換熱器將熱量傳遞給需要預(yù)熱的空氣或 水.根據(jù)太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)的連接形式,非直膨式系統(tǒng)又可 進(jìn)一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式.串聯(lián)式是指集熱環(huán)路與熱泵 循環(huán)通過蒸發(fā)器加以串聯(lián)、蒸發(fā)器的熱源全部于太陽能集熱環(huán)路吸收 的熱量如圖3所示；并聯(lián)式是指太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)彼此獨(dú) 立,前者一般用于預(yù)熱后者的加熱對(duì)象,或者后者作為前者的輔助熱 源如圖4所示；雙熱源式與串聯(lián)式根本相同,只是蒸發(fā)器可同時(shí)利 用包括太陽能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩慈鐖D 5所示3.2.2 太陽能熱泵的技術(shù)特點(diǎn)太陽能熱泵將太陽能利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來,具有以下幾 個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)4:1同傳

8、統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比,太陽能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可以 采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的集熱器,集熱本錢非常低.在直膨式系統(tǒng)中,太陽集 熱器的工作溫度與熱泵蒸發(fā)溫度保持一致,且與室外溫度接近,而非 直膨式系統(tǒng)中,太陽能集熱環(huán)路往往作為蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?集熱介 質(zhì)溫度通常為20C30C,因此集熱器的散熱損失非常小,集熱器效 率也相應(yīng)提升.有研究說明,在非嚴(yán)寒地區(qū)即使采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià) 的普通平板集熱器,集熱器效率也高達(dá) 60%80%,甚至采用無蓋板、 無保溫的裸板集熱器也是可以的.2由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn),常規(guī)的太陽能 供熱系統(tǒng)往往需要采用較大的集熱和蓄熱裝置,并且配備相應(yīng)的輔助 熱源,這不

9、僅造成系統(tǒng)初投資較高,而且較大面積的集熱器也難于布 置.太陽能熱泵基于熱泵的節(jié)能性和集熱器的高效性,在相同熱負(fù)荷 條件下,太陽能熱泵所需的集熱器面積和蓄熱器容積等都要比常規(guī)系 統(tǒng)小得多,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊,布置更靈活.3在太陽輻射條件良好的情況下,太陽能熱泵往往可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度,因而具有更高的供熱性能系數(shù) COP可到達(dá)4 以上,而且供熱性能受室外氣溫下降的影響較小.4由于太陽能無處不在、取之不盡,因此太陽能熱泵的應(yīng)用范圍非常 廣泛,不受當(dāng)?shù)厮礂l件和地質(zhì)條件的限制,而且對(duì)自然生存環(huán)境幾 乎不造成影響.5太陽能熱泵同其它類型的熱泵一樣也具有 幺機(jī)多用的優(yōu)點(diǎn),即冬 季可供暖,夏季

10、可制冷,全年可提供生活熱水.由于太陽能熱泵系統(tǒng) 中設(shè)有蓄熱裝置,因此夏季可利用夜間谷時(shí)電力進(jìn)行蓄冷運(yùn)行,以供 白天供冷之用,不僅運(yùn)行費(fèi)用廉價(jià),而且有助于電力錯(cuò)峰.6考慮到制冷劑的充注量和泄漏問題,直膨式太陽能熱泵一般適用于 小型供熱系統(tǒng),如戶用熱水器和供熱空調(diào)系統(tǒng).具特點(diǎn)是集熱面積小、 系統(tǒng)緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應(yīng)性好、自動(dòng)限制程度高等尤 其是應(yīng)用于生產(chǎn)熱水,具有高效節(jié)能、安裝方便、全天候等優(yōu)點(diǎn),其 造價(jià)與空氣源熱泵熱水器相當(dāng),性能更優(yōu)越.7非直膨式系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),適合于集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng).易于與建筑一體化.太陽能熱泵技術(shù)及其供熱應(yīng)用:3太陽能熱泵

11、熱水器的研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代初,太陽能熱利用的先驅(qū)者 Jodan和Therkeld就 指出了太陽能熱泵的優(yōu)越性,即可同時(shí)提升太陽能集熱器效率和熱泵 系統(tǒng)性能.隨后,日本、美國(guó)、瑞典、澳大利亞等興旺國(guó)家紛紛投入 了大量的人力、物力對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行深入的研究與開發(fā),在各地實(shí) 施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程,例如賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書 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.在能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天,太陽能熱泵因其具有顯著的節(jié)能性和環(huán) 境友好性,得到了越來越廣泛的關(guān)注.近年來,土耳其、印度尼西亞 等開展中國(guó)家也對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行了大量的研究56.在產(chǎn)業(yè)化開展方面,美國(guó)的

12、SolarKing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擬典型的產(chǎn)品范例.我國(guó)對(duì)太陽能熱泵的研究起步較晚,有關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi).天津大學(xué)、東南大學(xué)、青島建筑工程學(xué)院、上海交通大學(xué)等先后對(duì)太 陽能熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究,取得了一定的成果.天津大學(xué)對(duì)串 聯(lián)式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析說明,該系統(tǒng)可以一年四季可*運(yùn)行,向用戶提供50c生活熱水,COPte到2.642.85冬天,2.613.5 夏天7.青島建筑工程學(xué)院對(duì)串聯(lián)式太陽能熱 泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,該系統(tǒng)具有多功能調(diào)節(jié)水平,冬季熱泵供暖時(shí)熱泵機(jī)組工作穩(wěn)定,COP平均值到達(dá)2

13、.71,具有明顯的節(jié)能效 果8.上海交通大學(xué)對(duì)直膨式太陽能熱泵熱水器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,該 熱水器可全天候提供4550c生活熱水150L,每天耗電量約為1kWh夏2kW h 冬,其分體式結(jié)構(gòu)尤其適合于高層或多層建筑,此 外,這種熱水器在陰雨天可以照常工作,其工作形式轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜?.4太陽能熱泵與建筑結(jié)合的應(yīng)用近年來,隨著太陽能事業(yè)的開展和建筑節(jié)能的要求,隨著城市的開展 和人民生活水平的提升,太陽能與建筑一體化和全天候供熱已成為 我國(guó)太陽能熱利用的重要議題. 太陽能與建筑一體化就是把太陽能產(chǎn) 品作為建筑部件安裝,使其有機(jī)結(jié)合起來,符合建筑美學(xué)要求,并盡 可能地利用太陽能等新能源和可再生能源替代常

14、規(guī)能源以減少建筑能 耗對(duì)常規(guī)能源的依賴,降低建筑能耗占我國(guó)總能耗的比例,并提升常規(guī)能源利用率.由于太陽能熱泵具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能較好地滿足太 陽能與建筑一體化的要求.由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定 性等缺點(diǎn),常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)很難滿足 全天候的要求,為滿足 全 天候的要求,常規(guī)方法是采用電加熱或燃?xì)饧訜釣檩o助熱源,但容易 引發(fā)平安問題,且消耗了大量?jī)?yōu)質(zhì)能源,而采用太陽能供熱系統(tǒng)就能 較好地解決 全天候的問題.目前,我國(guó)太陽能熱泵主要應(yīng)在公共建筑 物上,例如,北京奧運(yùn)村和奧運(yùn)場(chǎng)館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽能熱泵供熱系統(tǒng).

15、5太陽能熱泵技術(shù)存在的問題我國(guó)太陽能熱泵的開展和應(yīng)用還存在著一些問題：1投資經(jīng)濟(jì)性.能源結(jié)構(gòu)和燃料價(jià)格直接影響太陽能熱泵的經(jīng)濟(jì)性,例如,我國(guó)西部地區(qū)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)以及較低的燃料價(jià)格必將影 響太陽能熱泵的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.同時(shí),太陽能熱泵系統(tǒng)初投資偏高也是 影響其經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一.2性能可*性.各種類型的太陽能熱泵 性能有待提升,要使部件之間的匹配關(guān)系到達(dá)投資運(yùn)行最正確效益,要 將系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合起來,既要考慮系統(tǒng)性能又要考慮建筑美 觀,要實(shí)行智能化限制,這需要各個(gè)專業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的人共同努力、 相互配合.3公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和熟悉.目前,在我國(guó)制約太陽能熱泵應(yīng)用的主要障礙是系

16、統(tǒng)初投資較高以及政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾 對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和熟悉.通過政府部門、科研機(jī)構(gòu)和工程 技術(shù)人員的共同努力,借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn),我國(guó)太陽能熱泵將得到 較快的推廣和開展.6結(jié)束語太陽能是地球上一切能的主要來源,是無窮無盡無公害的潔凈能源, 也是21世紀(jì)人類最有希望的能源.我國(guó)地域遼闊,年日照時(shí)間大于 2000h的地區(qū)約占全國(guó)國(guó)土面積的2/3 ,處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi).太陽能熱泵技術(shù)是太陽能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合,具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、 應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能較好地解決太陽能與建筑一體化和 全天候的問題.太陽能熱泵技術(shù)將在太陽能利

17、用中占有重要地位,有著廣闊 的開展前景.太陽能熱泵技術(shù)及其供熱應(yīng)用：參考文獻(xiàn)1范亞云,夏朝鳳等.熱泵技術(shù) 在太陽能利用中的實(shí)驗(yàn)研究 J.太陽能學(xué)報(bào),2002, 23(5): 580585 2范亞云,夏朝鳳等.太陽能建筑一體化和熱泵技術(shù).云南省第一屆科學(xué) 技術(shù)論壇集萃卷一 ：3283323劉立平,葛茂泉.太陽能熱泵系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià) J上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 10(4): 3433464曠玉輝,王如竹.太陽能熱泵J.太陽能,2003：20245R.Yamankardeniz,I.Horuz.Thetheoreticalandexperimentalinvestigationofthecharacteristicsofs olarassistedheatpumpforcleardayJ.Int.Comm.HeatMassTransfer 1998, 25(6): 885898 6J.G.Cervantes,E.Torres-Reye.Experimentsonasolar-assistedheatpumpandanex