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太阳能热泵技术及应用1 引言随着经济发展和科技的进步,能冤和环境问题已成当今世界突出的两大社会问题。能源是现代社会存在和发展的物质基础。随着世界人口和经济的迅速增长，能源的消耗急剧增加，伴随着能源的巨大消耗，大量未经处理的废气废物排放到周围环境中，导致环境的严重污染。在能源的消耗中，建筑能耗占很大的比重。在发达国家，建筑能耗占社会总能耗的25%40%。而在建筑能耗中，供暖，空调，制冷，供热水的能耗占总能耗很大一部分。一美国为例，建筑能耗占总能耗的33.6%，其中用于采暖53.3%(占总能耗电7.9%),热水供应12%(占总能耗4%),空调7.4%(占总能耗2.5%),制冷6.5%(占总能耗2.2%),其它20.8%(占总能耗7%)。也就是说,建筑能耗中约有80%(占总能耗的26.6%)用于采暖,空调和热水供应。我国的建筑能耗占总能耗的比重也达1520%。因此，在建筑物中利用太阳能,采用高效节能的供热空调方式，对于缓解能源紧张和环境污染问题具有重要意义。世界各国将发展太阳能作为一项重要的能源政策,积极鼓励利用太阳能。我国是一个太阳能资源十分丰富的国家，我国处于北半球，幅员辽阔，大部分地区位于北纬45以南。我国各地区太阳辐射量相差很大，大致在3348-8371MJ/m2.a之间，平均5860MJ/m2.a，年日照小时2000-3000小时。太阳能的热利用技术经过多年的发展，已成为太阳能利用中最成熟，应用最广泛，产业化发展最快的领域。太阳能是一种可再生“绿色”能源，随着油气日益紧张，电力短缺，太阳能的应用受到越来越多的关注。新的节能设计标准明确提出鼓励使用太阳能热水器。国家颁布的可再生能源法中也明确规定：国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统等设施。热泵技术是一种新型的节能制冷制热技术，长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，生活热水供应系统也越来越多地采用热泵设备作为热源。在太阳能中央热水系统中，空气源热泵无疑是一种比较理想的辅助加热设备。其结构简单，安装方便，不需专用机房，在生活而水供应方面具有不可替代的优势。该系统中，采用一种新型的低温太阳能辅助的空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和热泵互为辅助热源，最大限度地利用太阳能，解决阴雨天气及冬季环境温度较低，太阳光照不足时热水供应保障率，做到全年全天候供应热水。太阳能与热泵的结合，将太阳能集热系统作为空气源热泵系统的热源，其目的在于取长补短，使二者互为补充，互为备用，较好地解决二者各自存在的缺陷：太阳能主要缺陷受季节和天气影响较大，热流密度低；空气源热泵的主要缺陷是供热能力和供热性能系数（COP）随环境温度的降低而降低；太阳能系统中的集热器在低温时集热效率较高；热泵在其蒸发温度较高时效率较高。在太阳日照充足时优先使用太阳能加热热水；当太阳日照不足，阴雨天气或寒冷季节，利用太阳能集热器产生的低温热水作为空气源热泵的辅助热源，从而改善热泵的运行工况，提高其制热性能。2 太阳能热泵技术的原理及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-expansion soalarassistedheatpump，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。在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分设，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；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；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。 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： 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2030，因此集热器的散热损失非常小，集热器效率也相应提高。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 太阳能热泵中央热水系统组成3.1 太阳能热泵中央热水系统基本组成太阳能热泵中央热水系统的主要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其他辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。如图1所示。图1：太阳能热泵中央热水系统示意图3.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组3.2.1 太阳能辅助加热空气源热泵机组工作原理为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠的运行，国内外众多科研单位和生产企业进行了研发和改进，归纳起来主要有三种方式。一是依靠外界辅助热源来提高热泵低温制热性能，比如通过电加热提高热泵制热出水温度、采用燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等；二是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能，比如采用双级压缩的空气源热泵，设中间补气回路的空气源热泵等；三是采用变频系统，低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以防止其过热，从而使热泵机组能够正常运行。太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一种方式而产生的，如图2所示。在机组的蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时，高于环境温度的太阳能热水流经该辅助换热器，与将进入蒸发器的室外空气进行热量交换提高其温度，从而使制冷剂在相对较高的环境里蒸发吸热，提高了蒸发温度，改善了压缩机的工作状况。图2、太阳能辅助加热空气源热泵机组示意图3.2.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组性能特点与普通的空气源热泵相比较，太阳能辅助加热空气源热泵机组在低温工况下运行具有如下几个明显的特点：（1）COP显著提高在同样的环境温度下，太阳能辅助加热使制冷剂系统的蒸发温度得以提高，机组的制热性能系数较普通空气源热泵机组有了明显的提高。（2）防止蒸发器结霜，减少除霜时间由于辅助热源的加热作用，提高了进入蒸发器的空气温度，使其结霜的可能性降低，这样就可以防止蒸发器表面结霜，使其保持较高的换热效率，同时，机组的化霜次数和时间也大大减少，可以节省大量的电能，并保证热泵机组连续不间断的运行。（3）改善空调压缩机工作环境，延长机组使用寿命在环境温度较低时，空调压缩机的压缩比急剧升高，压缩机的排气温度常常会超过压缩机允许的工作范围，从而导致压缩机频繁的启停，无法正常工作，长此以往，将会损伤压缩机的整体性能，减少空调设备的使用寿命。通过太阳能作为辅助热源提高系统蒸发温度，间接的改善了压缩机的工作环境，不但解决了压缩机在外界低温环境下不能正常工作的问题，并且可以使整个热泵机组的使用寿命有效延长。4 太阳能热泵中央热水系统的运行工况：4.1阳能加热生活热水在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，源源不断的利用集热器采集的热量通过中间换热器输送到热水箱。4.2 太阳能辅助热泵机组加热生活热水当阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于热水箱水温不足以直接加热生活热水时，热泵机组启动，利用空气作为热源加热热水箱内生活热水。在秋冬季节，当环境温度低于热泵的经济运行温度时，热泵机组的制热效率下降并且蒸发器表面结霜，此时，热泵辅助加热循环启动，高于环境温度的低温太阳能热水进入热泵机组辅助换热器内，预热通过的空气，使热泵效率提高，并切具有防止蒸发器结霜的作用，可以节约热泵机组的耗电量。4.3太阳能和热泵机组同时加热生活热水在晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。4.4热泵机组直接加热生活热水在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水箱加热。4.5夏季供空调冷冻水,同时免费提供生活热水。5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。北京月坛体育中心综合训练馆一示范工程，主要功能为集中生活热水供应，富裕热量为泳池辅助加热。该工程屋顶水平安装采800m2直流式真空管太阳能集热器，太阳能辅助加热空气源热泵机组输出功率300kW。2004年12月调试完毕进入试运行阶段，根据初步测试资料，系统在冬季晴天太阳能集热系统可满足系统90%左右的设计供热量，阴雨天气热泵机组平稳运行，利用10左右的低温太阳能热水热泵辅助热源，制热性能有明显提高。根据北京地区的气象条件和太阳辐照资料，该系统年综合节能率可实现预期的90%以上的目标。 6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