（热能工程专业论文）光伏太阳能热泵系统及多功能热泵系统的综合性能研究.pdf

摘要 摘要 地球上化石能源的储量是有限的，而人类发展对能源的需求是无限的。探索 可再生能源的利用方法和提高现有能源的利用效率，是解决人类发展过程中能源 和环境两个根本问题的主要途径。本文以太阳能光电光热综合利用和热泵多功 能性开发利用为出发点，分别研究了光伏一太阳能热泵系统( p v s a h p ) 和多功能 热泵系统( m d h p ) 。p v s a h p 系统把热泵循环应用于太阳能光电光热综合利用中， 是一种高效的主动式太阳能利用方式。m d h p 系统可以实现对热泵循环蒸发冷量 和冷凝热量的综合利用，具有很高的能源利用效率，同时还可以减少夏季空调热 污染。 光伏一太阳能热泵( p v s a h p ) 系统通过热泵循环，提高、稳定了太阳能光热 转换的输出温度，同时维持光电转换在较低工作温度下进行，提高了光电转换效 率。另一方面，p v s a h p 系统热泵循环的的蒸发过程在太阳直接辐照条件下完成， 使得热泵循环的性能系数c o p 明显提高，也减少了热泵冬季供暖时常出现的运行 不稳定和结霜等缺憾。 本文采用特殊的真空层压工艺，把光伏电池和蒸发器板结合成一体，制作了 p v s a h p 系统的关键部件一光伏蒸发器。光伏蒸发器的光伏电池和蒸发器板之间 具有电绝缘和热良导体的特性，可以实现对太阳能的分波段、光电光热综合应 用。以p v s a h p 系统实验台为基础，结合系统模型，本文进行了辐照强度、冷凝 水温、压缩机频率、玻璃盖板等多种参数对p v s a h p 系统性能的影响和优化研究。 文中还专门建立了光伏蒸发器的分布参数模型，对辐照强度、环境温度、蒸发管 长度、管间距、进口干度等参数对蒸发器性能的影响进行了研究。 多功能热泵系统( m d h p ) 是根据目前的家用热泵现状所提出的一种新型热泵 综合利用方式。在夏季，m d h p 系统可以利用热泵蒸发器进行空调制冷，同时利 用同一热泵循环的冷凝器来制取生活热水，低温水源吸热改善了冷凝器的散热， 使得m d h p 系统的制冷效率得到提高。由于m d h p 系统的冷凝热不直接排向大气， 夏季城市环境热污染得以减少。在其他季节，可以利用m d h p 系统的单独制热水 模式来制取生活热水，普及了高效热泵热水器的使用范围，提高了热泵设备的利 用效率。 摘要 本文设计试制了m d h p 系统样机，委托航空工业总公司空调器检测中心参考 国家标准，对m d h p 系统的制冷兼制热水模式和单独制热水模式进行了测试，结 合m d h p 系统的数值模拟结果，对m d h p 系统的能效比e e r 。、温升特性、过热焓 利用、压缩比等性能参数进行了研究，指出定量工质和动态工况之间的矛盾是 m d h p 系统性能进一步提高的关键因素。 关键词：光电转换，光热转换，热泵循环，综合利用，多功能 摘要v i i a b s t r a c t t h en o r m a lf o s s i le n e r g yo ne a r t hi sl i m i t e da l t h o u g ht h ed e m a n do fe n e r g yf o r h u m a nd e v e l o p m e n ti sn e v e r - e n d i n g s e a r c h i n gf o rr e n e w a b l ee n e r g ya n di m p r o v i n g u t i l i t ye f f i c i e n c y o fe n e r g ya r et h em a i n a p p r o a c h f o rt h e e n e r g ya n d t h e e n v i r o n m e n t a li s s u e i np h o t o v o l t a i cs o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ( p v - s a h p ) s y s t e m ， t h eh e a tp u m pr e c y c l ew e r eu s e df o r t h ec o m p o u n dp h o t o v o l t a i c t h e r m a lu t i l i t y p v - s a h ps y s t e mi sa ne f f e c t i v e a p p l i c a t i o n o fs o l a re n e r g y m u l t i f u n c t i o n a l d o m e s t i ch e a tp u m p ( m d h p ) s y s t e mc a l lr e a c hh i g he f f i c i e n c yo fe n e r g yb e c a u s e t h e e v a p o r a t i n gc o o l i n ge n e r g ya n dc o n d e n s i n gh e a t i n ge n e r g yc a nb eu t i l i z e d s i m u l t a n e o u s l yb ym d h ps y s t e m t h u st h ec o n d e n s i n gh e a tp o l l u t i o ni ns u m m e ri s r e d u c e d p v - s a h ps y s t e mi sa na c t i v e c o m p o u n ds y s t e m o fp h o t o v o l t a i c t h e r m a l a p p l i c a t i o n t h es y s t e mc a nm a i n t a i nt h ep vc e l li nal o w e rt e m p e r a t u r ef o rb e r e r p h o t o v o l t a i cp e r f o r m a n c ea n dt og e tah i g h e rt e m p e r a t u r ep h o t o - t h e r m a lo u t p u t t h e c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o p ) o fp v - s a h pi si m p r o v e db e c a u s et h ee v a p o r a t i n g p r o c e s su n d e ri n s o l a t i o n m e a n w h i l et h eu n s t a b l ef e a t u r e si nw i n t e ro fs p a c eh e a t i n g a n dt h ee v a p o r a t o rf r o s t i n go f n o r m a lh e a tp u m pa r eo v e r c o m e d b yp v - s a h ps y s t e m t h ep h o t o v o l t a i ce v a p o r a t o ra sak e yp a r to fp v - s a h ps y s t e mi sc o m b i n e dw i t l l p vc e l l sa n dab a s ee v a p o r a t o rp a n e lm a d ew i t hs p e c i a lv a c u u ml a m i n a t i n gt e c h n i c s t oe n s u r et h a tt h eb a s ep a n e la n dp vc e l l sa r eo fh i g h q u a l i t yb o n d i n gi np r o v i d i n gt h e r e q u i r e d e l e c t r i c a li n s u l a t i o na n dt h e r m a lc o n d u c t i o n p h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o na n d p h o t o - t h e r m a lc o n v e r s i o nc a nb ed o n es i m u l t a n e o u s l y f o rd i f f e r e n tw a v e l e n g t hi n c i d e n c e b a s i n g o nt h ep v - s a h pe x p e r i m e n t a l s e t u p a n ds y s t e m s i m u l a t i o n ，s y s t e m p e r f o r m a n c e a n ds y s t e m o p t i m i z a t i o nu n d e rt h e i n f l u e n c eo fs o l a r r a d i a t i o n ， c o n d e n s i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，c o m p r e s s o rf r e q u e n c y , g l a s sc o v e ra n do t h e rf a c t o r s w e r es t u d i e di nt h i sw o r k d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r sm o d e lo fp h o t o v o l t a i ce v a p o r a t o r w e r ed e v e l o p e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h es o l a rr a d i a t i o n ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，t h e l e n g t ho f e v a p o r a t i n gt u b ea n dt h eg a pb e t w e e nt u b se ta 1 o nt h ee v a p o r a t i n g ， 摘要 m u l t i f u n c t i o n a ld o m e s t i ch e a tp u m pf m d i - w ) s y s t e mi san o v e la p p r o a c ho f i n t e g r a t e du t i l i z a t i o no fh e a tp u m pc y c l e i nt h es p a c e c o o l i n ga n dw a t e rh e a t i n g m o d e ，d u r i n gs u m m e rt i m e ，t h ee v a p o r a t o ro fm d h pw o r k sf o rs p a c ec o o l i n g ，a t t h es m et i m ei t sc o n d e n s e rw o r k sf o rw a t e rh e a t i n g t h es p a c ec o o l i n g p e r f o r m a n c eo f m d h pi si m p r o v e db e c a u s eo ft h ec o o lw a t e ra st h eh e a ts i n k o nt h eo t h e rh a n d ， t h e r m a lp o l l u t i o no f h e a tp u m pi sr e d u c e da st h ec o n d e n s i n gh e a ti sa b s o r b e db yw a t e r h e a t i n g i n t h eo t h e rs e a s o n s ，m d h p s y s t e m i su s e da sw a t e rh e a t e ri n w a t e r - h e a t i n g o n l ym o d ea n dt h ee q u i p m e n tu t i l i z a t i o no f h e a tp u m pi si m p r o v e d t h ep r o t o t y p em o d e lo f m d h pw a sd e s i g n e da n da s s e m b l e db a s e do nt h ef e a t u r e a n a l y s i so ft h ea i r - c o n d i t i o n e rs y s t e ma n dt h eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m e x p e r i m e n t so fm d h ps y s t e mw e r ec o n d u c t e da tt h ea i r - c o n d i t i o n e rl a b o r a t o r yo ft h e d e p a m n e n to fa e r o s p a c eo fc h i n au n d e rt h en a t i o n a ls t a n d a r do fc h i n a t h e p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm o d ew e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i ti sg a i n e dt h a tt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef i xq u a t i f i e dr e f r i g e r a n ta n d v a r i e dw o r kc o n d i t i o ni st h ek e yf a c t o rf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm d h p s y s t e m ， k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i c ，p h o t o - t h e r m a l ，h e a tp u m p ，c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ， m u l f i f u n c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 地球上常规能源的储量是有限的，人类本身的发展和对能源的需求是无限 的，解决能源和环境问题对人类社会发展的制约，开发利用新的可再生能源和提 高已有能源的利用效率是目前全世界关注的焦点。 1 1 我国的能源概况及发展趋势 1 1 1 能源储量不足 我国拥有的能源总量在世界上属中等水平，约占世界能源总量的十分之一。 但人均能源可采储藏量远低于世界平均水平。、2 0 0 0 年人均石油可开采储量只有 ； 2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量9 0 吨，分别为世 界水平的1 1 1 ，4 3 和5 5 4 “。 另外，中国能源还有以下的不利情况： 能源分布不均，勘探开发难度大。煤炭资源6 0 分布在华北，南方除贵州外 均为贫煤省。 能源质量低下，优质能源缺乏。中国石油储量中9 5 为蜡状重质原油，低温 易凝固，运输和炼制困难较大。 能源储量结构不佳。到2 0 0 2 年为止，中国能源探明储量中，煤炭3 3 1 7 亿吨， 石油2 4 吨，天然气2 0 1 6 9 亿立方米。 人均能源水平低下，优质能源匮乏，使得能源必将是影响中国未来经济发 展、社会稳定、国家安全的重大问题。 1 1 - 2 消耗快速增长 随着中国改革开放以来工业化进程的突飞猛进，随着中国人均g d p 突破1 0 0 0 美元大关，能源需求超高速增长，瓶颈效应愈发显著。2 0 0 3 年，能源消费的增 长速度比g d p 的增长速度快了4 1 个百分点，仍然满足不了经济增长的需要。2 0 0 3 第一章绪论 年一次能源生产总量已达1 6 亿吨标准煤，与2 0 0 0 年相比，增长4 9 5 ，年均增 长1 4 4 。石油进口大幅度增加，2 0 0 3 年净进口石油9 7 0 0 万吨，与2 0 0 0 年相比， 增长3 9 4 ，平均年增长1 1 7 。石油对外依存度已达3 6 4 。在次能源需求 高速增长的同时，电力需求也在高速增长。2 0 0 3 年社会用电量达1 8 9 1 0 亿千瓦 时，与2 0 0 0 年相比，增长4 0 4 ，平均年增长1 2 o 1 2 1o 而随着经济发展和生活 水平的提高，中国能源消耗增长势头仍将持续。 1 1 3 环境持续恶化 在世界各国社会发展过程中，环境约束对能源战略和能源供求技术产生的影 响十分显著，在许多情况下，环境因素比资源因素所起的作用更具有决定性。大 气中二氧化碳排放量的7 5 、二氧化硫的8 5 、铅的6 1 都是使用化石能源引起 的。能源生产利用是造成环境恶化的主要原因“1 。环境恶化主要体现在如下几个 方面： 二氧化硫排放 根据环境小康标准的最低要求，中国最多能容纳二氧化硫1 2 0 0 1 6 2 0 万吨， 而2 0 0 3 年中国的二氧化硫的排放量已经达到2 1 2 0 万吨，居世界第一位。 二氧化碳排放 2 0 0 3 年中国二氧化碳排放量仅次于美国，居世界第二位。2 0 2 0 年中国二氧 化碳排放量预计将达到1 3 2 0 亿吨。 大气及酸雨污染 酸雨、二氧化硫和烟尘危害覆盖面不断扩太，污染程度逐年增重。在全国 6 0 0 多个城市中，大气环境质量符合国家一级标准的城市不到1 ，达到国家二级 标准的城市也只有三分之。近三分之一国土面积酸雨污染严重，一年造成的损 失就超过l i 0 0 亿元。2 0 0 3 年由于生态破坏而造成的经济损失相当于国民生产总 值大的约1 4 。 在很多情况下，环境因素的影响比资源因素更具决定性，但是，常规化石能 源的大量使用是造成环境污染的根本原因。 在不影响社会发展速度和人们生活平水平的前提下，解决能源和环境问题的 关键在于两点： 第一章绪论 1 开发利用可再生能源，减少常规化石能源的利用比例。 2 探索更高效的能源利用方法，从而减少能源的社会应用总量。 1 2 光伏_ 太阳能热泵系统( p v s a h p ) 可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能、燃 料电池和生物液体燃料等可持续使用或可显著提高能源利用效率的能源。其中太 阳能和风能是最为接近实用、最有推广前景的可再生能源。 我国的太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上的地区年辐照量大于5 0 2 万千焦平方米，年日照时数在2 2 0 0 小时以上“，太阳能是最具应用价值和推广 前景的可再生能源之一。太阳能利用主要有光热利用、光电利用和化学利用三种 形式，目前主要以光热利用和光电利用为主。 1 2 1 广泛应用的太阳能光热转换 太阳能光热利用在我国始于2 0 世纪7 0 年代。起初重点是在价廉的低温热利 用适用技术，如太阳能温室、太阳灶、被动式太阳房、太阳热水器和太阳能干燥 器等。这类技术在广大农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善生态环境 起到了积极作用。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着科技的进步，环境保护意识的增强和人民生活质 量的提高，太阳能光热利用在我国获得了巨大的推动力，以每年2 5 一3 0 的 速度增长。到2 0 0 1 年底，全国太阳能光热利用的累积使用面积达3 2 0 0 万m 2 。2 0 0 1 年的产销量达8 0 0 万m 2 ，产值9 0 多亿元“1 。2 0 0 2 年，中国科学技术大学热科学 和能源工程系开发设计了采光面积1 4 0 0 m 2 ，日蓄热水1 1 0 吨的大型太阳能热水系 统，应用在中国科技大学西区研究生公寓，可供应4 0 0 0 名左右研究生的日常洗 浴用水，如图1 1 。今后一段时间，太阳能热利用仍将是我国太阳能利用的发展 主流。 第一章绪论 图1 1 中国科学技术大学大型太阳能热水系统工程 1 2 2 研究发展中的太阳能光电转换 光伏发电利用半导体器件将太阳辐射能转换成电能，是一种十分理想的可再 生能源利用技术。过去2 0 多年，光伏发电技术取得了巨大进步，成本下降了两 个数量级，目前成本2 5 - 2 8 美元w 。，售价3 4 美元w ，。在边远地区和特殊场 合已具有一定的竞争力“1 。 2 0 0 1 年世界太阳电池的产量已达4 0 4 m w ，增长率超过4 0 ，迄今累计装机 容量有1 7 0 0 m w 。在产业化方面，各国一直通过改进工艺、扩大规模和开拓市场 等措施降低成本。商品化电池效率从1 0 一1 3 提高到1 3 一1 6 ，生产规模从 卜5 m w a 发展到5 3 0 跚a ，并正向5 0 一1 0 0 m w a 扩大。生产工艺不断简化， 自动化程度不断提高，制造成本下降，应用范围扩大“1 。 为降低光伏发电成本的各种研究工作一直在积极地进行着。澳大利亚新南威 尔士大学高效单晶硅电池效率已达2 4 7 ，多晶硅电池效率突破1 9 8 。薄膜 电池的研究工作主要集中在非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、锑化铬、铜铟硒 上。非晶硅薄膜电池通过送层和g e s i 合金层技术克服光衰减和提高效率，实 验室稳定效率已经突破1 5 。多晶硅薄膜电池的研究工作发展迅速，成为世界 关注的新热点，日本k y o c e r a 公司，2 2 5 c m 2 多晶硅电池效率已达1 7 1 5 1o 由 第一章绪论 于硅是世界上储量第二大元素，性能稳定无毒，人们对多晶硅薄膜的研究愈来愈 重视。 目前，国内的光电应用主要集中在通信领域，包括微波中继站、卫星通信地 面站、卫星电视接收差转系统、通信台站等，市场占有率约5 0 。独立光伏电 站和户用光伏电源系统市场占有率约3 0 ，主要有县、乡、村级光伏电站4 0 0 余座、农村学校的光伏发电系统8 0 座和家用光伏电源系统1 5 万套。由国家计委 组织实施的旨在利用光伏发电和小型风力发电机解决边远无电地区大约2 3 0 0 万 人民生活用电的“光明工程”正在中国西部全面展开，2 0 0 2 年己投入1 8 亿人民 币利用光伏技术建设总计1 2 m w 。的乡村光伏发电系统“1 。 2 0 0 4 年8 月，中国科学院电工研究所建成了目前为止亚洲容量最大的并网光 伏电站深圳国际园林花卉博览园1 m w 。并网光伏电站。该电站分五部分安装 在位于深圳市福田区深圳国际园林花卉博览园内，电站总容量为1 0 0 0 3 2 2 k w 。， 年发电量约1 0 0 万度。如下图： 图1 2 深圳国际园林花卉博览园光伏系统 与常规能源相比，光伏发电成本仍然很高，因此，大幅度降低光伏发电成本、 提高利用效率成为当前世界能源和环境可持续发展的重要战略行动之一。 1 2 3 太阳能光电光热综合利用技术 光电转换过程中，太阳能电池吸收的太阳辐射大部分没有被转变为电能，而 第一章绪论 是升高了电池的温度，并因此减小了太阳能电池的光电转换效率。光伏组件的温 度可以通过一个适当的自然对流或者强迫对流循环进行热量吸收，来达到降温的 目的。与普通的光伏p v ( p h o t o v o l t a i c ) 组件相比，复合式光电光热综合利用 p v t ( p h o t o v o l t a i c t h e r m a l ) 系统是一个更好的选择，它由连接着换热装置的 p v 组件组成，能够同时提供电能和热能。p v t 系统一方面光电光热转换同时进 行，太阳能利用效率明显提高，另一方面，冷却作用降低了光伏电池的工作温度， 提高了光电效率。 在最早的研究中，k e r na n dr u s s e l l ( 1 9 7 8 ) ，以水和空气作为流动介质， 根据实验结果提出了p v f l t 系统的一些主要概念“1 。h e n d r i e ( 1 9 7 9 ) 运用常规的 集热技术，提出了一个p v t 系统的的理论模型”1 。f l o r s c h u e t z ( 1 9 7 9 ) 拓展了 h o t t e l w h i l l i e r 模型的适用范围“1 ，用来分析p v t 系统。r a g h u r a m a n ( 1 9 8 1 ) 提出的数值方法可以用来预测空气光伏光热平板集热器的性能“1 。c o xa n d r a g h u r a m a n ( 1 9 8 5 ) 研究了典型的空气一光伏复合系统，进行了计算机模拟1 1 0 | 。 l a l o v i c ( 1 9 8 6 ) 使用一个新颖的典型硅电池来降低系统的花费1 1 1 1 1 而l o f e r s k i ( 1 9 8 8 ) 等人通过两个独立的单空间分析，与测量结果相比较，对一个把空气循环 安置在住宅中的复合式系统给出了分析结果“”。b h a r g a v a ( 1 9 9 1 ) 和p r a k a s h ( 1 9 9 4 ) 都研究了单通道p v t 系统的空气质量流速、气流管道深度长度、吸收 板太阳能电池所占的比例等因素对系统性能的影响，并进行了实验研究。 类似地，s o p i a n 等人对双通道p v t 系统进行了实验研究“5 。”1 。 以上工作中，液体冷却介质p v t 系统实验所计算出的热效率在4 5 6 5 之 间，其中较高值是由于系统采用玻璃隔板形成空气间隙，进而抑制了热量损失。 在空气介质p v t 系统中，热效率非常依赖于空气流速，空气管道深度和集热器 的长度宽度。在空气流速较高，管道深度和长度很小的情况下，理论模型中的 p v t 系统热效率可以高达5 5 左右。t a k a s h i m a ( 1 9 9 4 ) 2 5 等人提出，将一个 p v 面板放置在集热器上，并在两者之间留有空隙让p v 组件能够有效降温。“。 b e r g e n e 和l o v v i k ( 1 9 9 5 ) 2 在液体介质型复合式p v t 系统中，对光电效率、 光热效率、能量转移进行了详细的实验研究 1 8 1 0g a r g 和a d h i k a r i ( 1 9 9 7 ) 研究 关于单层玻璃和双层玻璃的p v t 空气加热系统，得到了稳态模拟结果“2 ”。复 合式p v t 系统作为光伏光热组合型建筑部件，是由i m r e ( 1 9 9 3 ) 等人提出，而 第一章绪论 作为复合式p v 建筑系统是由p o s n a n s k y ( 1 9 9 4 ) 等人提出“。1 9 9 4 年r i c a u da n d r o u b e a u 提出了一种复合型p v t 系统的数学模型，计算效率为6 6 ，之后1 9 9 8 年e l a z a r i 研制了一个家用的p v t 系统“3 2 ”。一些实际概念都加入了以上研究 中，期望能够使得热效率达到7 0 ( 液体介质系统) 和6 0 ( 空气冷却p v 组件的 系统) 。最近的有关p v t 系统的出版文献提出了新的研究进展，比如h a u s e r 和 r o g a s h ( 2 0 0 0 ) 研究了建立在潜热储热器基础上的系统，使之适合安装在建筑物 南侧面并可以提供热水”。同年，美国的t h o m a s 等人改进了商用p v t 系统， 而2 0 0 1 年h u a n g 等人就研制出把p v 组件与热水储水箱联合起来的商用p v t 系 统。 在国内，中国科学技术大学较早进行了光电光热p v t 综合利用的研究。文 献 2 8 j n 用数学模型，对香港地区的光电光热建筑一体化系统( b i p v t ) 的年性 能进行了数值模拟，结果显示单晶硅电池的年平均效率为1 0 3 ，热效率为 4 3 2 ，总热效率为7 0 3 ，明显高于普通的太阳能集热板。在文献 2 9 中将小 型储能式光伏系统与家用平板型太阳热水器结合起来，把光伏电池组件层压在热 水器的扁盒式铝合金集热板上，构成一套光伏光热一体化系统，并在合肥地区进 行叮自然循环模式下的光电光热性能测试。试验结果表明，实验系统日平均效率 可达4 0 ，日平均电效率约为9 5 ，系统综合性能效率多在6 0 以上，比单独的 光伏或热水系统效率有显著提高。 1 2 4 光伏一太阳能热泵系统( p v s a h p ) 的提出 热泵效率的高低与蒸发温度密切相关，在冷凝温度不变时，蒸发温度越高， 热泵效率也越高；反之，热泵效率就降低。在高纬度地区的寒冷季节，普通热泵 系统的蒸发温度和蒸发压力大幅降低，热泵压缩比加大，热泵性能明显下降。另 外，当环境湿度较大时，低温下的热泵蒸发器还会经常出现结霜、结冰现象，使 得热泵系统的运行可靠性得不到保证。为了提高热泵系统在寒冷地区的运行效率 和运行稳定性，人们提出了土壤源热泵、水源热泵、太阳能热泵等热泵利用技术。 太阳能热泵系统( s o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，s a h p ) 是指利用太阳辐照的 热量来作为热泵热源的热泵系统，对s a h p 系统的探讨较早开始于二十世纪5 0 年代”“。但对s a h p 系统的广泛深入研究，是从1 9 7 0 s 年代的能源危机之后开 第一章绪论 始的。s a h p 系统大致分为以下两种类型：( 1 ) 间接式s a h p 系统，太阳能集热器 和热泵循环各自独立，集热器吸收的太阳辐射通过间接换热作为热泵热源；( 2 ) 直膨式s a h p 系统( d i r e c te x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，d x s a h p ) ， 把太阳能集热器和热泵蒸发器结合成一体，太阳辐照的能量直接作为热泵的热源 【7 7 l o 随着能源紧张、环境污染、温室效应等问题的日趋加重，近几年，s a h p 系 统吸引了众多国内外学者的关注。很多的国外学者都对s a h p 系统进行过系统样 机、热力学分析、数值模拟等方面的专门研究。如美国的s k c h a t u r v e d i 、 m p 0 d e l l ，澳大利亚的g l m o r r i s o n ，墨西哥的j 6 c e r v a n t e s ，新加坡的 m n a h a w l a d e r 等等 8 - 8 5 1 0 在国内，上海交通大学、哈尔滨工业大学、东南大 学等高校也都有对s a h p 系统的试验和理论研究i “- 9 0 l 。总的来讲，目前对s a h p 系统的研究内容都侧重于系统的热性能分析。 光电光热综合利用( p v t ) 系统虽然已有较多研究，p v t 系统的综合电热 效率也明显高于普通的光伏系统和光热系统。但是，目前的p v t 系统多以被动 式为主，由于要保证光热转换的较高输出温度，因此，光伏电池的平均工作温度 并不能明显降低，光电效率没有明显提高。如果采用主动式循环，以热泵循环作 为p v t 系统的热量传输途径，光伏电池和热泵蒸发器结合成一体，把光热转换 得到的热量先由工质的蒸发过程吸收，通过热泵循环在冷凝端高温输出。一方面， 光热转换热量输出的终端温度可以保证：另一方面，光伏电池在热泵工质的蒸发 冷却下，工作温度较低，光电效率也得到提高。 以上述思想为核心，参考目前国内外已有太阳能热泵系统( s o l a ra s s i s t e d h e a tp u m p ，s a h p ) 的研究基础，作者将光伏发电与直膨式s a h p 系统有机结合在 一起，提出了光伏一太阳能热泵系统( p h o t o v o l t a i o s o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ， p v s a h p ) 的概念。 p v s a h p 系统中，光伏电池和直膨太阳能热泵系统的蒸发器有机的结合在一 起，形成p v 蒸发器( p h o t o v o l t a i c e v a p o r a t o r ，p v e ) 。p v 蒸发器接收到的太 阳辐照中，部分辐照被光伏电池通过光电转换形成电流输出，其他部分辐照通过 光热转换来作为热泵的热源。一方面，由于热泵工质的蒸发作用，光伏电池工作 在较低温度范围，得到有效冷却，光电转换效率得以提高；另一方面，太阳辐射 第一章绪论 通过光热转换来作为热泵热源，提高了热泵循环的蒸发温度和蒸发压力，使得热 泵性能系数得以提高。 1 3 多功能热泵系统( 如h p ) 1 3 1 热泵与节能 随着社会生产力的发展，人们现代的生活水平不断提高，在人类消耗的能源 总量中，生活能耗占了很大的比例，并且在不断增加。从表l l 可以看出，家 庭生活用电在总用电中占有相当高的比例，占1 2 3 4 左右。 国家用电量用电结构( ) ( 亿千瓦时)工业 交通 农业 家庭生擂二 市政商业 美国 3 3 4 7 7 63 5 1 00 1 200 0 i ，i 麓；黪毫 3 1 2 1 日本 9 3 6 6 04 4 6 62 3 304 0 弱遣黔一 2 5 7 3 俄罗斯 7 1 5 9 15 8 8 08 4 05 4 0 攀i 鬟蘩鍪 8 6 国4 8 7 4 84 7 1 l3 3 01 6 0 鞭攀攀雾 2 l _ 2 2 加拿大 4 7 7 4 74 4 6 81 0 92 0 1 2 7 , l 鼍 2 5 1 0 鹕 法国3 9 3 3 14 0 2 12 8 20 6 9 _ 鞋i 露，i 2 4 9 7 、 ! 英国3 2 3 2 13 5 1 92 3 21 2 0 i 。每3 羲j 2 7 3 8 意大利 2 6 0 8 15 0 8 83 1 71 7 2 警蒸夔鬻 2 1 5 0 韩国2 0 8 8 0 5 74 8 0 7 61 ，9 3 i 5 一蕊 2 40 8 中国 1 1 3 4 7 37 1 7 71 9 45 8 8 。| “j j ! - 褒。矗 1 00 0 表1 11 9 9 8 年一些国家的用电构成“” 在生活用电的总量中，用于采暖和空调用电占有的比例很大，欧洲约占5 0 ，美国和日本也占到3 3 。并且，自上个世纪5 0 年代以来，采暖和空气调节 耗能每年都在以4 5 的平均速度增长着“”0 因此，空气调节的节能研究对世界能源问题有着十分重要的意义。热泵( 制 冷) 系统是家用空调系统的核心部件，也是空调节能研究的的关键。 借助于热泵装置，人们可以把自然界或废弃的低温余热，变为较高温度的有 用热能，供应生产和生活上的需要。这样就给人们提出了一条节约矿物燃料、合 第一章绪论 理利用能源、减轻环境污染的有效途径。 现在，各种节能技术的研究和应用在我国已受到广泛的重视。热泵技术在我 国虽然起步较晚，但有广阔的前景。随着热泵节能的理论研究和实验研究的开展， 热泵节能技术将在我国得到日益广泛的应用，在节能和环保中发挥应有的作用。 1 3 2 热泵的发展历史 热泵这个词最早在欧洲使用约在本世纪初。但就压缩式热泵理论来说，可追 溯到1 8 2 4 年著名的卡诺循环的提出。1 9 世纪初，人们对热能是否可泵送至较高 温度发生了兴趣。英国物理学家焦耳论证了改变气体的压力能引起温度变化的原 理。开尔文首先提出并描述了关于热泵的设想，但当时的技术基础使他没有可能 设计出现代这样的热泵装置。 直至本世纪2 0 3 0 年代，热泵有了较快发展。一方面，在这之前工业技术 特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础，另一方面社会上出现了对 热泵的需求。有代表性的是英国的h a l d a n e 于1 9 3 0 年在他的著作中报道了1 9 2 7 年苏格兰试验安装的一台家用热泵。用氨作工质，外界空气为热源，用来作为采 暖及加热水。这是英国安装的第一台热泵。当时h a l d a n e 已能认识到通过简单的 切换制冷热泵循环来实现冬季供热，夏季制冷的可能性。他还研究了利用废水 热量，廉价的低谷电力，在低温热源制冰等问题。 在这之后，美国开始对热泵进行了进行了不少设计与研究，但能进行成功实 验的很少。至1 9 3 1 年间，美国南加利福尼亚安迪生公司的洛杉机办公楼，将制 冷设备用于供热，这是大容量热泵的最早应用，供热量达1 0 5 0 k w ，制热系数达 2 5 。 欧洲第一台较大的热泵在1 9 3 8 1 9 3 9 年间，安装于瑞士苏黎世。以河水作 低温热源，采用离心式压缩机，r 1 2 作工质，向市政厅供热1 7 5 k w ，制热系数为 2 0 ，输出水温6 0 v ，有蓄热系统，在高峰负荷时采用电加热作为辅助加热，该 装置夏季也能用来制冷。 在美国，各种空调与热泵机组于二战后开始发展起来。至1 9 5 0 年，已有2 0 个厂商及十余所大学和研究单位从事热泵的研究。当时拥有的6 0 0 台热泵中，约 5 0 用于房屋取暖，4 5 为商用建筑空调，5 用于工业。至6 0 年代初，在美国 第一章绪论 安装的热泵机组已达近万台。 然而，由于过快的产品增长速度造成产品制造质量较差，设计安装水平低， 维修及运行费用过高，形成了美国热泵发展史上的一个重大挫折，大大影响了热 泵的声誉，使热泵产业进入十年左右的调整期，直至7 0 年代中期才重新有了快 速增长。这一方面是由于热泵技术的发展，机组可靠性的提高；另一方面是1 9 7 3 年能源危机的推动。 至1 9 7 8 年美国的热泵产量已近6 0 万台，而至1 9 8 8 年，美国包括热泵在内 的房间空调器和单元式空调机的年产量已分别达4 6 3 万台和3 2 1 万台。至1 9 9 6 年单元式空调机年产量达5 6 7 万台，而空气源热泵年产量达1 1 4 万台。 我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵发展与应用说来，有一段 明显的滞后期。1 9 6 5 年，原上海空调器厂研制成功我国第一台制热量为3 7 2 0 w 的热泵型空调器，但因换向阀的工作可靠性问题，长期未有发展。相比之下，我 国的学术界比较活跃，早在5 0 年代，天津大学的一些学者已开始从事热泵研究。 7 0 戽代后期，由于能源危机所推动的世界性热泵发展也影响了我国学术界。中 攀 国制冷学会、中国建筑学研究院空调研究所、广州能源研究所等组织了有关热泵 及低势能利用方面的学术会议。当时学术界的普遍看法是我国的热泵发展首先应 雌 从工业应用开始，然后才有可能用于空调并逐步进入家庭。实际情况的发展也确 媾# 是如此，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。 在8 0 年代，我国热泵在各种场合的应用研究有许多发展。广州能源所设计 并在东莞建造了一套用于加热室内游泳池的热泵。针对我国地热资源较丰富的情 况，天津大学等曾对京津地区的地热热泵进行了技术经济分析并建立了实验系统 进行实验。天津大学、西安交通大学对非共沸混合物作为热泵工质进行了许多研 究，哈尔滨建工学院对空气一空气热泵的制热季节性能经行了研究。1 9 8 5 年上 海机械学院与浙江农业大学协作对用于干燥茶叶的热泵进行了实验与研究。上海 能源研究所从1 9 8 7 年开始研究将热泵技术用于木材干燥中。 从8 0 年代起，我国热泵在空调上的应用有了起步。国内第一台自行设计的 较大容量的空气一水热泵是1 9 8 0 年有上海手工业局设计，上海冷气机厂协作安 装的，以r 2 为工质，压缩机功率为5 5 k w 。1 9 8 5 年上海空调器厂与上海冷气机 厂试制成功国内生产的第一批热泵型立柜式空调机组系列。1 9 8 4 年由上海7 0 4 第一章绪论 研究所、开封通用机器厂和无锡第四织布厂联合试制了双效型第一类吸收式热 泵。1 9 8 9 年青岛建筑工程学院建立了地源热泵试验室，已运行多年。1 9 9 0 年上 海市通用机械研究所首次进行了第二类吸收式热泵的模拟试验，同年上海交通大 学、上海第一冷冻机厂、上海溶剂厂联合研制了3 5 0 k w 第二类吸收式热泵。值得 回顾的是我国8 0 年代改革开放政策所带来的经济飞速发展，人们生活水平的显 著提高，住宅条件的改善，电力供应的增长，特别是城市商场、高层住宅的兴建， 大大促进了空调与热泵工业。以包括热泵在内的房间空调器年产量的增长为例， 1 9 9 1 年的产量为5 9 6 万台；1 9 9 6 年的产量为6 4 5 9 万台，为1 9 9 1 年的1 0 8 倍。2 0 0 1 年空调产量已达2 4 0 0 万台，这种发展速度是空前的。 可以看到，热泵的发展不仅与国民经济总体发展和热泵本身技术进展有关， 还与能源的结构与供应，特别是与政府的政策导向密切相关。热泵作为一种有效 的节能产品，在我国正处于迅猛发展期，在各行各业的应用正日趋广泛。 图1 3 中国_ 近年来居民生活用电的增长“” 空调耗能是生活耗能的主要组成部分，空调设备的急剧增长导致了我国居民 生活用