（工程热物理专业论文）多能互补的热泵系统性能实验研究.pdf

硕十学位论文 摘要 建筑能耗占我国社会总能耗的3 0 以上，建筑节能已成为国家节能减排的重 点领域。提高可再生能源在建筑能耗中的利用比例是建筑节能的一项重要措施。 现阶段空气源热泵( a s h p ) 、太阳能热泵( s a h p ) 等热泵系统已在建筑中得到了普遍 应用。然而，我国北方大部分地区冬季气温较低，加之太阳能存在的低能量密度、 间歇性等问题，常规热泵系统的应用受到了巨大限制。因此，研发经济高效、性 能稳定、适用地域广的新型热泵系统的成为解决这一问题的有效途径。 太阳能、空气热能是资源量大、可普遍获取的两种可再生能源，为了充分发 挥空气源热泵、太阳能热泵的优势，弥补各自的不足，本文研发了一种多能互补 热泵( c e h p ) 系统并进行了性能实验研究。多能互补的热泵系统集成了真空管太阳 能热水器和空气源热泵，采用翅片式空气换热器和沉浸式盘管换热器并联的结构 组成热泵系统的蒸发器，冷凝器同样采用沉浸式盘管换热器形式，再由毛细管组 成节流装置，在压缩机循环推动做功下，实现了热量的传递和转换。热泵系统的 吸热热源可以是空气中的携带的热能，也可以是来自真空管太阳能集热装置收集 的太阳能热水，供暖末端采用的是低温地板辐射采暖和室内风机盘管并联的方式。 通常情况下空气能作为一级优先级能量来源，太阳能集热装置收集的热能作为第 二级优先级能量来源。系统有空气源热泵独立运行模式、太阳能水源一空气源热 泵联合运行模式、水源热泵独立运行模式，根据室外环境状况和用户需求切换运 行模式可实现制热( 水) 、制冷等多种功能。 为了研究寒旱地区多能互补的热泵系统特定环境、特定模式下供热性能，并 针对冬季制热工况制定合理的运行模式切换方案，以及对系统进行综合的效益评 价。本课题进行了以下研究工作： 1 依据供暖目标房间的结构，选择供暖和制冷各自末端布置方式，并针对冬 季室内外环境条件，设计了一套多能互补的热泵系统。 2 在特定室外环境下，对该系统三种运行模式各自的供热性能进行了实验研 究，得到了该系统空气源热泵独立运行模式、太阳能水源一空气源热泵联合运行 模式、水源热泵独立运行模式的供热性能参数，包括系统制热量，热泵性能系数 ( c o e f f i c i e mo fp e r f o r m a n c e ) c o p h p ，系统性能系数c o p 。y 。以及实时状态的冷凝 压力与温度、蒸发压力与温度、地暖热水流量、压缩机耗功、热泵机组耗功等。 3 结合热泵系统供热性能的实验数据与热负荷理论模型的分析结果，制定出 适用于不同环境条件下的三种运行模式的切换方案。 4 针对c e h p 系统处于冬季工况的运行工况优化结论如下：室外温度在0 5 多能互补的热泵系统性能实验研究 ，系统采用双热源运行时低温水源的温度维持在1 0 1 5 范围内，此时c o p h p 和c o p 。v 。可达2 1 9 和1 8 6 ，系统平均制热量也可以维持在3 5 0 0 w 左右；室外温 度在5 0 * c ，系统采用双热源运行时低温水源的温度维持在1 5 2 5 范围内，此时 c o p h p 和c o p 。y 。可达2 1 7 和1 8 2 ，系统平均制热量也可以维持在3 3 0 0 w 以上。 5 以热力学基本理论为基础对c e h p 系统进行火用分析，火用分析结果表明 系统在双热源模式运行时的火用效率明显高于单一空气源模式，从用能经济性的 角度考虑，系统尽可能多以双热源模式运行，系统的能量转化效率可以保持较高 水平，此时系统火用效率可达o 3 4 2 9 。 本课题的创新点在于：研发了一套多能互补的热泵系统并初步揭示了系统性 能。 本课题研发的热泵系统有效结合了自然环境中可广泛利用的太阳能、空气热 能等可再生能源，可以同时满足北方寒冷地区冬季采暖、夏季空调及全年生活热 水需求，初步解决了空气源热泵和太阳能热泵系统冬季恶劣条件下性能差、稳定 性不高等突出问题，在我国有广阔的应用前景。 本课题的研究得到了国家科技部星火计划重点项目( 2 0 1 0 g a 8 6 0 0 0 4 ) 、国家 自然科学基金项目( 5 1 1 6 6 0 0 8 e 0 6 0 7 ) 、国家科技支撑计划课题( 2 0 1 l b a d l 5 8 0 3 ) 、 甘肃省教育厅项目( 0 8 0 3 0 6 ) 、“陇原青年创新人才扶持计划”项目( 0 9 0 16 5 ) 、 甘肃省建设科技攻关项目( j k 2 0 1 0 2 9 ) 以及兰州理工大学“红柳杰出人才计划” ( q 2 0 11 0 1 ) 等项目联合资助。 关键词：多能互补的热泵系统；太阳能；空气热能；供热性能；运行模式 i i a bs t r a c t b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o r m o r et h a n30 o ft h et o t a le n e r g y c o n s u m p t i o ni no u rs o c i e t y , b u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nh a sb e c o m e t h ef o c u sa r e a s o ft h en a t i o n a le n e r g ys a v i n g i n c r e a s i n gt h ep r o p o r t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yi nt h e b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a s u r eo ft h eb u i l d i n ge n e r g ys a v i n g a i rs o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) ，t h es o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ( s a h p ) a n do t h e rh e a t p u m ps y s t e m s ，a tt h ep r e s e n ts t a g e ，h a v eb e e na p p l i e di nt h ec o n s t r u c t i o nu n i v e r s a l l y h o w e v e r , t h el o wt e m p e r a t u r e si nw i n t e ri nm o s tp a r t so f n o r t h e r nr e g i o no fc h i n a ，a n d t h el o wd e n s i t ya n di n t e r m i t t e n c yo fs o l a re n e r g y , t h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a l h e a tp u m ps y s t e mh a sb e c o m eah u g er e s t r i c t i o n t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e n e wh e a tp u m ps y s t e mo fc o s t e f f i c i e n t ，s t a b l ep e r f o r m a n c ea n da p p l y i n gt ot h ev a s t t e r r i t o r yi sb e c o m i n ga ne f f e c t i v ew a y t os o l v et h i sp r o b l e m s o l a re n e r g y , a i rt h e r m a le n e r g yc a nb cu n i v e r s a l l ya c c e s s e d ，w h i c ha r et w ok i n d s o fr e n e w a b l ee n e r g yw i t hl a r g ea m o u n to fr e s o u r c e s i no r d e rt og i v ef u l lp l a yt ot h e a d v a n t a g e so fa i rs o u r c eh e a tp u m pa n d s o l a ra s s i s t e dh e a tp u m pa n dm a k eu pf o rt h e i r l a c k n e s s r e s p e c t i v e l y , am u l t i c o m p l e m e n t a r y h e a tp u m p ( c e h p ) s y s t e mw a s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da n dt h ee x p e r i m e n t a l l yp e r f o r m a n c e w a ss t u d i e d t h e m u l t i c o m p l e m e n t a r yh e a tp u m ps y s t e mi n t e g r a t e d w i t hv a c u u mt u b es o l a rw a t e r h e a t e r sa n da i rs o u r c eh e a tp u m p ，af i n n e da i rh e a te x c h a n g e ra n da i m m e r s i v ec o i lh e a t e x c h a n g e ra d a p t e di np a r a l l e la r r a n g e m e n tt o f o r mt h ee v a p o r a t o ro ft h eh e a tp u m p s v s t e m t h ec o n d e n s e ri su s e di nt h es a m ei m m e r s i v ec o i lt y p e ，c o m p o s e do fc a p i l l a r y t u b ea st h r o t t l i n gd e v i c e ，w i t hc i r c u l a t i o nw o r ko ft h ec o m p r e s s o r ，a c h i e v e dt h eh e a t t r a n s f 色ra n dc o n v e r s i o n e n d o t h e r m i ch e a ts o u r c eo fh e a tp u m ps y s t e mc a nb et h eh e a t c a r r i e db yt h ea i r ，a l s oc a nc o m ef r o mt h eh o tw a t e rc o l l e c t e db yt h ev a c u u m t u b es o l a r c o l l e c t o rd e v i c e t h el o w t e m p e r a t u r ef l o o rr a d i a n th e a t i n ga n di n t e r i o rf a nc o i l a r c a r r a n g e di np a r a l l e lc o n n e c t i o na st h eh e a t i n ge n d so f t h es y s t e m a tn o r m a ls t a t et h e a i rt h e r m a le n e r g yi sap r i o rh e a ts o u r c e ，t h eh e a tc o l l e c t e db ys o l a rc o l l e c t o rd e v i c ei s as e c o n dp r i o rh e a ts o u r c e t h es y s t e mh a si n d e p e n d e n tm o d eo fo p e r a t i o no ft h ea i r s o u r c eh e a tp u m p ，m o d eo fu n i t e do p e r a t i o no fs o l a rw a t e r - a i rs o u r c eh e a tp u m p ， i n d e p e n d e n tm o d eo fo p e r a t i o no ft h ew a t e rs o u r c eh e a tp u m p ，c a na c h i e v e dh e a t i n g ( w a t e r ) ，c o o l i n g a n do t h e rf u n c t i o n sb ys w i t c h i n g o p e r a t i o nm o d e sa c c o r d i n gt o o u t d o o re n v i r o n r n e n t a lc o n d i t i o n sa n du s e rn e e d s i i i l no r d e rt os t u d yt h eh e a t i n gp e r f o r m a n c eo fh e a t p u m ps y s t e mw i t hc o m p o u n d e n e r g yu n d e r s p e c i f i ce n v i r o n m e n tt op a r t i c u l a rm o d ei nc o l da n dd r ya t e a ，d r a w u pa r e a s o n a b l es w l t c h i n gp r o g r a mo f o p e r a t i o nm o d ef o rt h ew i n t e rh e a t i n gc o n d i t i o n sa i l d c o n d u c tac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h e b e n e f i to ft h es y s t e m t h e f o i l o w i n g r e s e a r c h e sa r em a d ei nt h i ss u b j e c t ： 。 l a c c o r d l n gt ot h es t r u c t u r eo ft h et a r g e tr o o m ，t h e i rr e s p e c t i v el a y o u te n do f n e a t l n ga n dc o o l i n gw a ss l e e t e d ，a n dah e a tp u m ps y s t e mw i t hc o m p o u n de n e r g vw a s d e s l g n e df o rt h ew i n t e ri n d o o ra n do u t d o o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s 厶l nt h es p e c i f i co u t d o o re n v i r o n m e n t ，t h e h e a t i n gp e r f 0 m a n c eo ft h et h r e e m o d e so fo p e r a t i o no ft h es y s t e mw a s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h e h e a t i n gp e r f o m a n c e p a r 锄e t e r so ft h es y s t e mw i t hi n d e p e n d e n tm o d eo fo p e r a t i o no ft h ea i rs o u r c eh e a t p u m p ，m o d eo fu n i t e do p e r a t i o no fs o l a rw a t e r - a i rs o u r c eh e a tp u m pa n di n d e p e n d e n t m o d eo fo p e r a t i o no ft h ew a t e rs o u r c eh e a tp u m pw a s c a l c u l a t e d ，w h i c hi n c l u d et h e n e a t m gc 印a c i t yo ft h es y s t e m ，h e a tp u m pc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o e h p ) ，t h e s y s t e mc o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p s y s ) a n dt h ei n s t a n t a n e o u ss t a t u so f c o n d e n s i n g e a v p o r a t i n gp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r e ，t h ef l o wr a t eo f h e a t i n gw a t e r ，p o w e r c o n s u m p t i o no fc o m p r e s s o ra n dh e a tp u m pu n i ta n ds oo n j a c c o r d m gt o t h e h e a t i n g p e r f o r m a n c eo fh e a tp u m ps y s t e mb a s i n go n e x p e r l m e n t a ld a t aa n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sf r o mt h e o r e t i c a lm o d e l so f h e a t1 0 a d t h e s w l t c h l n gp r o g r a ma m o n gt h et h r e e o p e r a t i o nm o d e sf o rd i f f e r e n te n v i r o 啪e n t a l c o n d i t i o n sw a sc o n c l u d e d 4 t h ec o n c l u s i o no fo p t i m i z a t i o n t ot h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rt h ec e h p s y s t e ml nw i n t e ri sa sf o l l o w s ：w h e nt h eo u t d o o rt e m p e r a t u r er a n g e sf r o m0t o5 a n dt h es y s t e mw o r k sw i t hd u a lh e a ts o u r c e s ，t h ew a t e rs o u r c ew i t h1 0 w t e m p e r a t u r e m a i n t a l n e da tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f1 0t o 1 5 ，n o wt h ec o p b pi su pt o2 。1 9a n d t h ec d p s y si su pt o 1 8 6 ，t h ea v e r a g eh e a t i n gc a p a c i t yo ft h es y s t e mc 她b e m a i n t a i n e d a r o u n d3 5 0 0 w ；w h e nt h eo u t d o o rt e m p e r a t u r er a n g e sf r o m 5t o0 a n d t h es v s t e m w o r k sw i t hd u a lh e a ts o u r c e s ，t h ew a t e r s o u r c ew i t hl o w t e m p e r a t u r em a i n t a i n e da tt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f1 5t o2 5 ，n o wt h ec o p h pi su pt o2 1 7a n dt h ec o p s y si su pt o 1 8 2 , t h ea v e r a g eh e a t i n gc a p a c i t yo ft h es y s t e mc a n b em a i n t a i n e da b o v e3 3 0 0 w 3 b a s m go nt h et h e r m o d y n a m i c st h e o r yt h ee x e r g y a n a l y s i sf o rc e h ps y s t e mw a s c o n d u c t e d t h er e s u l t so f e x e r g ya n a l y s i ss h o wt h a tt h ee x e r g ye f f i c i e n c yo f t h es y s t e m l nd u a l - s o u r c em o d e li ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a na s i n g l ea i rs o u r c em o d e l f r o mt h e n e r g ye c o n o m yp o i n to fv i e w , t h es y s t e ms h o u l dr u na sm u c ha s p o s s i b l ew i t ht h e d u a l - s o u r c em o d e l ，a n dt h ee n e r g yc o n v e r s i n ge f f i c i e n c yo ft h e s y s t e mm a i n t a i n sa i v 硕十学位论文 h i g hl e v e l ，t h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e mi su pt o0 3 4 2 9 t h ei n n o v a t i o ni nt h i ss u b je c ti st h a tah e a tp u m ps y s t e mw i t hc o m p o u n de n e r g y w a sd e s i g n e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi si n i t i a l l yr e v e a l e d t h er e n e w a b l ee n e r g yo fe x t e n s i v e l ya v a i l a b l ei nn a t u r a le n v i r o n m e n ts u c ha s s o l a re n e r g y , a i rt h e r m a l e n e r g yw a se f f e c t i v e l yc o m b i n e di nh e a tp u m ps y s t e m d e v e l o p e di nt h i ss u b je c t ，t h eh e a t i n gl o a di nw i n t e ra n da i rc o n d i t i o n i n gl o a di n s u m m e ri nc o l dn o r t h e r nr e g i o n sa n dt h ea n n u a ld o m e s t i ch o tw a t e rd e m a n dw e r e m e e t e da tt h es a m et i m e ，a n dt h es e r i o u sp r o b l e m ss u c h a st h e p o o rh e a t i n g p e r f o r m a n c ea n dl o ws t a b i l i t yi no p e r a t i o ne x i s t e di na i rs o u r c eh e a tp u m pa n ds o l a r a s s i s t e dh e a tp u m pu n d e rb a dc o n d i t i o n si nw i n t e rw e r ei n i t i a l l ys o l v e do u t k e yw o r d s ：h e a tp u m ps y s t e mw i t hc o m p o u n de n e r g y ；s o l a re n e r g y ；a i rt h e r m a l e n e r g y ；h e a t i n gp e r f o r m a n c e ；o p e r a t i o nm o d e l v 硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国北方大部地处严寒地区，一年中近1 3 时间属采暖季。传统的采暖手段严重影 响空气质量，加剧了我国能源的紧张程度。当前我国提出建设社会主义新农村的方针， 旨在加强农村基础设施建设，促进农村各项事业的发展，改善农民生产和生活条件，提 高农村居所的舒适度【l 】。在资源过度开采，能源危机和环境污染不断加剧的今天，新能 源的开发、利用和建筑节能受到全社会的强烈关注。国家可再生能源中长期发展规划 明确指出：“要大力发展太阳能、生物质能等可再生能源 并且“要积极在农村地区开 发利用可再生能源，解决广大农村居民生活用能问题，改善农村生产和生活条件，保护 生态环境和巩固生态建设成果，有效提高农民收入，促进农村经济和社会更快发展。 1 1 1 西北地区能源现状 甘肃、内蒙等西北地区冬季寒冷，供热期长、能源消耗大，由冬季采暖带来了直接 或间接的环境污染非常严重。由于村镇建筑很少采用保温措施、极少采用集中供暖，而 且大多采用污染大、采暖费用高、燃料( 煤或薪柴) 燃烧效率低、供热效率低的煤炉和柴 火坑，这一现象更为突出。另一方面，这些地区生物质能和太阳能等可再生能源极其丰 富，具有利用可再生能源解决冬季采暖与环境污染问题的条件和潜力【2 】。但是，太阳能 单独供热受太阳能资源的限制，存在间歇性和不稳定性等问题，无法可靠的提供热能输 出：太阳能与热泵技术相结合的太阳能热泵技术存在冬季寒冷天气蒸发温度低、系统性 能低、蒸发器结霜、甚至无法工作的问题，同样不能稳定可靠的提供热能输出，空气源 热泵也存在同样的问题，且更为严重；土壤源、水源等热泵受到地域和水资源条件的限 制，无法大规模推广，同时对环境也会产生不利影响。因此，利用太阳能、空气热能等 丰富、环境友好型的可再生能源，结合热泵技术进行互补供热的技术是值得深入研究和 大力推广的节能环保新技术。 1 1 2 课题意义 将不稳定的太阳能，以及普遍存在的空气热能综合利用开发出一套适合西北寒区的 热泵供热系统，对于解决西北地区越冬供暖问题很有现实意义。 本课题研发了多能互补的热泵系统，将搭建该系统并对其冬季供热性能进行初步研 究，系统的结构原理如图1 1 所示。 当白天存在太阳辐射时，真空管太阳能集热器l 将热量收集到太阳能储热水箱中。 白天太阳辐照良好时，白天无需供暖，而夜间需要供暖，可以关闭阀门2 ，开启阀门1 ， 5 ，6 及太阳能热水循环水泵2 ，直接由太阳能储热水箱供暖。白天室外空气温度较高时， 多能互补的热泵系统性能实验研究 一 低温热水循环 一制冷剂循环中温热水循环 温度测点 压力测点 流量测点功率测点 1 真空管太阳能集热器2 太阳能热水循环水泵3 盘管式蒸发器4 盘管式冷凝器5 压 缩机6 四通换向阀7 、8 节流阀9 空气换热器( 蒸发器) 1 0 室内风机盘管1 1 地暖 循环水泵1 2 低温地板辐射采暖末端v l - - - v 8 阀门 图1 1 系统结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es y s t e m 关闭阀门5 和6 ，开启阀门7 ，8 及地暖循环水泵1 1 ，启动空气源热泵装置，系统以空 气源热泵模式独立运行；夜间温度较低时，关闭阀门5 和6 ，开启阀门1 ，2 ，7 ，8 及 太阳能热水循环水泵2 ，地暖循环水泵1 1 ，开启太阳能储热水箱与盘管式蒸发器之间的 热水循环，同时系统切换为太阳能水源一空气源热泵联合运行模式。白天温度较低时， 系统切换为太阳能水源一空气源热泵联合运行模式；夜间温度很低时，通过切换位于盘 管式蒸发器和空气换热器上的转换阀，系统转到水源热泵模式独立运行。由于本系统中 存在1 个储能装置( 太阳能储热水箱) 和3 种能量供给( 电能、太阳热能、空气热能) ，只 要有任何一种能量能够正常供给，或是任何一个储能装置有充足能源储存即可进行供 热，系统的稳定性、可靠性大大提高，从用户端来说，可以稳定满足用户需求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 利用太阳能供热的研究 国内外对太阳能热利用的研究已经经历了很长的时间，发展较为成熟。出现了很多 被动太阳能建筑和主动太阳能供热系统。但是针对中国西北寒旱地区冬季供热问题进行 专门研究的文献还不多，尤其是在西北典型农村地区搭建实验平台以实验为主的供热性 能的研究还缺乏实验数据。 在太阳能建筑设计与优化方面，1 9 9 6 年英国学者gsy a k u b u 等 3 1 通过现场调查的 方法，对生活在被动太阳房内的人员进行调查。调查结果表明：人们对太阳能建筑的要 求，除了节能与热舒适性外，还非常看重建筑的立面效果，在对被动太阳能建筑调查中， 2 硕士学位论文 曼曼量曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼罡皇皇曼皇曼皇曼鼍曼曼皇曼鼍曼蔓皇曼曼蔓鼍曼曼曼皇皇曼鼍皇皇曼曼量曼曼曼曼曼曼皇笪曼置曼鼍曼皇曼量i= m i m i 毫曼皇曼寡 另外一个比较明显的问题是夏季过热。2 0 0 7 年英国学者k d a r k w a 等【4 】利用差分方法， 研究了相变材料的不同构造方式对被动太阳房室内热环境的影响，研究结果表明：将相 变材料均匀设置在外墙内表面的蓄热效果优于均匀添加入墙体内的效果。2 0 0 5 年英国 学者m m g o u d a t 等【5 j 利用数值模拟方法，对太阳能建筑辅助热源的运行控制进行研究， 此研究仅考虑了系统运行控制策略对室内热环境的影响，并未进一步考虑不同辅助热源 形式对室内热环境的影响。 近两年来，加拿大、美国、英国等国家的学者对太阳能热利用建筑做了深入的研究。 y c h e n 等1 6 ，7 j 设计了利用太阳能光伏光热的复合低能耗建筑并建立了其热力学模型，其 研究表明：其采暖能源消耗是加拿大平均水平的5 ，太阳能光伏光热复合系统热效率 为2 0 ，节能效果明显。d a n n ys p a r k e r 等【8 】的研究结果表明：在北美地区利用太阳能 构建低能耗建筑是可行的，平均耗能是普通建筑的一半以下。l i p i n gw a n g 等【9 】利用 e n e r g y p l u s 和t r n s y s1 6 仿真软件计算给出了利用太阳能热水的低能耗建筑的解决方 案，并且对比了各种设计方案，给出了最优的设计策略。 我国近3 0 年来在太阳能采暖方面发展迅速。北京太阳能研究所研究太阳能采暖系 统的构成和设计方法，介绍利用太阳能和生物质能等可再生能源满足用户冬季采暖的可 行性和优点，提出最优太阳能保证率0 1 。沈阳建筑大学指出在太阳能供暖方案上采用太 阳能辅助电热水系统，通过低温热水地板辐射采暖系统向建筑供暖，可减少8 0 的能 源消耗l l 。北京建筑工程学院指出采用双循环采暖系统、垂直分层水箱、生物质能作为 辅助热源的条件下将太阳能系统与建筑一体化设计，具有较好的社会效益和推广前景 2 。西安建筑科技大学结合西藏的能源供应模式和生态特点，提出了通过主、被动式太 阳能利用和建筑保温的方法解决当地的采暖问题，认为西藏地区应优先采用太阳能采 暖，主动式太阳能采暖系统的设计应以太阳能热水为主要热源，并以建筑保温和被动式 太阳能设计为基础1 1 3 。上海交通大学通过分析西藏地区太阳能低温热水采暖系统推广应 用中存在的技术经济问题，指出在西藏利用太阳能采暖具有很大的发展潜力【1 4 】。北京建 筑工程学院探讨村镇住宅的建筑围护结构节能设计及太阳能利用，指出增强围护结构的 保温隔热性能是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节；同时建议应将被 动式太阳房和主动式太阳能采暖系统结合起来使用【l5 1 。 1 2 2 利用热泵系统供热的研究 热泵系统有着悠久的发展历史，1 8 2 4 年卡诺的论文奠定了热泵的理论基础，1 9 2 8 年哈尔登在住宅内安装了第一台示范性供热热泵。此后直至2 0 世纪5 0 年代初期，热泵 才在美国作为商品出现，到六十年代后期逐渐在各地区大量推广应用，此间由于第一次 能源危机的出现，世界范围内也相继掀起了有组织有计划地开发新能源特别是太阳能的 高潮1 6 18 1 。 2 0 世纪7 0 年代出现了第二次能源危机，这使得热泵和太阳能利用的发展产生了飞 跃，在民用供暖领域采用热泵节能技术受到了世界范围内的重视，而各国也纷纷制定了 太阳能利用的发展规划并不断增加投资。与此同时，太阳能辅助热泵技术作为热泵与太 阳能结合的综合性技术，也成为了各国竟相研究的热点课题。日本、美国以及欧洲各地 多能。互补的热泵系统件能实验硼f 究 也出现了大量的示范性工程，从小型住宅的生活热水供应系统到大型的带季节性蓄热器 的区域供暖中心，取得了大量的研究成果和实践经验，极大地推动了太阳能辅助热泵技 术的发展1 1 h 。 2 0 世纪8 0 年代中、后期，由于石油价格的下跌，热泵的节能优势对其发展的推动 作用有所减弱，但研究工作并未停滞，其中包括对已有示范性工程的评价和经验总结以 及系统设计、性能测试模拟和经济性评价等多方面的内容。进入2 l 世纪，随着能源和 环境问题的日趋严峻，各国又加大了对热泵技术的研究力度。尤其是近几年来，随着世 界上一些发展中国家经济的快速发展和对能源问题的逐步重视，它们已经成为了推动热 泵技术继续向前发展的一股强大的新兴力量口2 2 9 1 。 国内热泵的发展近年来的增长更为迅速，以空气作热源的热泵型空调在冬季气温较 高的华东、华南地区已逐步普及，在北方地区的推广也比较成功。进入9 0 年代，天津 大学、厦门大学、东南大学、上海交通大学、山东科技大学等先后对各种类型( 太阳能、 土壤源、水源、空气源、太阳能一土壤双热源、空气源一太阳能双热源，空气源一水源 双热源等) 的热泵系统进行了实验和理论研究，取得了一定的研究成梨3 引。 图1 2 新型太阳能空气源热泵供热系统流程图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h en e wt y p eo fs o l a ra n da i rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m 国外专家学者对热泵系统的供热的研究主要涉及到对不同结构方式的系统性能比 较、优化，运行方案策略的拟定，以及对多种热源的整合利用等方面。 s a k a ii 和t a k a g im 1 4 0 1 研究的一种串联式太阳能热泵系统，为了减小太阳能集热器 面积，这种太阳能热泵系统采取的运行策略是，白天使用空气作为热泵热源，通过热泵 4 硕十学位论文 蔓曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇量曼曼舅皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼量曼! m m m m ) m m _ i i _ 皇量曼曼曼曼皇曼曼曼曼 图1 3 太阳能土壤源热泵系统原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es o l a ra n dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m 给室内供热；晚上利用白天太阳能加热的热水作为热泵系统热源给室内供热。研究结果 表明，该系统能部分解决空气源热泵系统结霜问题。m a c a r t h u r jw l 对串联式太阳能热 泵进行结构优化，并对其投资回收期进行了计算。研究结果表明，太阳能热泵储热器的 容量和太阳能集热器的面积是太阳能热泵设计是要重点考虑的因素，储热器容量和集热 器过大或过小都会极大降低太阳能热泵的经济性：同时给出了在当地条件下，对于9 0 m 2 的供热面积，最理想太阳能集热器面积和储热器容积分别为3 0 m 2 和3 5 m 3 。f r e e m a ntl 等人1 4 2 j 利用t r s y s 软件对并联式、串联式和混合式三种间接膨胀式太阳能热泵系统进 行了较全面的模拟研究，研究结果表明，在空气作为热源的情况下，并联式太阳能热泵 系统可能是最实用的系统，并且比串联式和混合式系统的热性能更优越，但t l f r e e m a n 没有对水源热泵系统的性能进行研究。 a n d e r s o njv 【4 3 j 等人对并联式太阳能热泵系统的设计方法进行了研究。认为要设计 一套高效实用的并联式太阳能热泵系统，首先确定要满足设计负荷太阳能系统能够承担 的制热部分负荷和制热水部分负荷各是多少，再确定热泵应该承担的供热或供热水负 荷。研究结果表明该方法简单，可靠。k a y g u s u zk 和a y h a nt 】根据当地的气候特点设 计出一种间接膨胀式太阳能热泵实验系统，该系统太阳能集热器为平板集热器，储热材 料为相变储能材料，并建立该系统的理论模型。实验结果显示，在该地区实验条件下三 种方式太阳能热泵系统中混合式太阳能热泵系统的季节性能系数最高，串联式太阳能热 泵系统季节性能系数最低；混合式太阳能热泵性能明显优于串联式和并联式系统。从太 阳能集热器效率看，串联式系统太阳能集热器效率较高。国外学者k w a n w o os h i n 等【4 5 】 对太阳能、空气源和污水源等混合热泵系统的最优化运行模式作了详细的研究和探讨。 b s t o j a n o v i c 等1 4 6 1 介绍了北欧气候条件下太阳能辅助热泵系统在全工况住宅供暖 条件下的长期性能测试结果。这种特定的太阳能辅助热泵系统在欧盟d 囝o h o u s i n g 计划中发展，主要的部件和技术可在市场上获得。在长期全工况运行的基础上，分析主 要集中在系统性能，热泵性能系数和总的系统季节性能系数。分析表明，尽管建筑条件 多能瓦补的热泵系统性能实验研究 1 蒸发器2 膨胀阀3 压缩器4 冷凝器5 喷淋水入口6 喷淋水出口7 热水保温水箱 8 水泵9 止回阀1 0 莲蓬头1 1 水过滤器1 2 污水热水池1 3 城市上水入口1 4 水泵 1 5 污水一次能量回收入口1 6 水一水能量回收单元1 7 污水一次能鼍同收出口l8 城市上水 入口1 9 使用水入口2 0 使用水出1 2 12 1 水冷冷凝器2 2 膨胀阀2 3 压缩机2 4 蒸发器 2 5 污水出口2 6 污水入口 图1 4 三热源热泵热水系统原理 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fh e a tp u m ps y s t e mw i t ht h r e eh e a ts o u r c e s 不利，能量利用率和太阳能辅助热泵系统的利用率较低，但系统全面顺利运行( 约2 年) ， 完全满足供暖要求。2 0 0 7 2 0 0 8 全年阶段数据处理结果显示了热泵和总的太阳能辅助热 泵系统性能：热泵季节性能系数和太阳能辅助热泵系统季节性能系数分别达到2 8 5 和 2 0 9 。k a d i rb a k i r c i t 4 7 】为了考察埃尔祖鲁姆省太阳能和热泵能量存储系统的性能，建成 了一个实验系统，它由1 2 块收集太阳能的平板，一个储热容器，一个水一水板式换热 器，一个液一液蒸汽压缩热泵，水循环泵和其他测量设备组成。在2 0 0 4 年1 月至6 月 间进行了实验，计算了集热效率，热泵性能系数和系统性能系数。在进行实验的这几个 月里，室外温度变化范围是1 0 8