太阳能热泵技术的最新进展与应用(本科论文).doc

太阳能热泵技术的最新进展与应用 -李辉 热能07-1 摘要：随着太阳能利用技术不断进步，太阳能系统集热效率逐渐提高，太阳能与热泵之间可以优势互补的特点逐渐显现。越来越多的专家、学者和企业的工程人员投入到对太阳能技术和热泵技术联合应用的研究之中，并取得了一定的成果。本文主要介绍太阳能热泵装置的工作原理及技术特点，及太阳能热泵技术技术在我国的发展、应用。关键词：太阳能技术；热泵；太阳能热泵：工作原理：国内研究发展；节能：效率：应用；技术经济比较； Summary：As solar energy utilization technology progress, solar system to improve thermal efficiency of solar heat, and gradually between the characteristics of complementary can gradually revealed. An increasing number of experts, scholars and the engineering personnel of solar energy technology and into the heat pump technology application research, and obtained a certain result.This paper mainly introduces the solar energy heat pump devices working principle and technical characteristics, and solar energy heat pump technology in the development of our country, the application.Key words：Solar energy technology, Heat pump, Solar energy heat pump: working principle: the domestic research development, Energy efficiency: application: Technical and economic comparison1.概述太阳能热泵技术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，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。太阳能热泵技术是原有的热泵技术与太阳能光热，光伏技术的有机融合。能通过热泵的形式，提高能效的利用，而且通过太阳能作为辅助热源可以有效地避免空气源热泵等在室外空气温度过低时引起的供热能力和性能系数降低的问题，提高了热泵对使用环境的适应性。2.太阳能热泵的工作原理及技术特点热泵技术是一种节能制冷供热技术。热泵循环与制冷循环本质上都是逆向循环，实际上就是一个反向使用的制冷机，其热能大部分来自周围低温的环境介质，只有一部分由机械能转变而成，以花费少量机械功作为代价，将低温环境的热能转移到较高的环境中。热泵的构造和制冷机是完全相同的，只是增加了一个四通电磁换向阀改变制冷剂的流向而已。热泵的工作原理见图l。【1】21 太阳能热泵系统的工作原理 冷凝为高温高压的液体，放出工质的气化热，与冷将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统称为太 凝水进行热交换，使冷凝水被加热为热水，供用户阳能热泵系统。其工作原理如图2所示。在蒸发器 使用。同时液态工质再经过降压阀绝热节流后变为吸热后，高温低压的制冷剂过热气体在压缩机中经 低温低压湿蒸气，并回到蒸发器定压吸收热源热过绝热压缩变为高温高压的气体， 经冷凝器定压 量，蒸发变为过热蒸气，完成一个循环过程。23国内、外对太阳能热泵的最新研究 3 3.1 国内对太阳能热泵的研究情况国内关于太阳能热泵发面的研究起步较晚，但是在短短的十几年时间内上海交通大学，天津大学，青岛理工大学，上海交通大学等在此方面的研究取得了丰收的成果。天津大学的赵军，马一太等对串联式太阳能热泵供热水系统分别进行了实验研究和理论分析，结果表明，其所建立的实验系统一年四季均能可靠运行，能够稳定的向用户提供50生活热水，COP达到2.642.85 (冬天)，2.613.5 (夏天)【4】青岛建筑工程学院实验设计开发了单层盖板的平板集热器并进行了实验研究，在整个供暖测试期间，尽管室外温度在-10到4之间变化，室内温度仍能够保持在16-22之间，平均为19.32.经过计算得到，平均集热效率高达67.2 % 。 5上海交通大学建立了直膨式太阳能热泵供热水系统实验台，结果表明该系统在各种天气情况下均能可靠地生产50的生活热水(热水平均温升达30以上，日均耗电量为1.68 kWh，平均COP达到3.1)，说明其热性能较为稳定，且具有明显的节能效果 6. 同时做出了直膨式太阳能热泵热水器实验样机，在室内模拟光源01000W/m2下，可得出热水平均加热功率为1.04kW，热泵平均COP为4. 18。【7】2006年上海交通大学李郁武等人针对自行设计、建造的“直膨式太阳能热泵热水器”实验样机进行了春季运行工况的实验研究,结果表明,在环境温度均值20.6、太阳辐射强度均值在954.59W/m2 的室外气象条件下, 将150L水从13.4加热到50.5只需94min，热泵供热性能系数达到6.61。【8】哈尔滨工业大学的余延顺等，针对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高23. 1 %和22. 7 %的结论。【9】哈尔滨工业大学的余延顺等，针对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高23. 1 %和22. 7 %的结论。10上海水产大学自行设计、建立了直接膨胀式太阳能热泵系统实验装置。并进行了春季运行工况下的实验研究。结果表明，在空气温度为2224，太阳能辐照度为7001000W /m2 的室外环境下，该系统的热泵性能系数COP达到了2.503.35。根据典型实验数据，讨论了太阳能辐照度、环境温度、冷凝温度等各参数对系统的热泵性能系数和集热效率的影响。【11】并利用平衡均相理论建立了太阳能集热器的数学模型。根据测定的环境参数对该系统进行了模拟计算。结果显示，裸板式太阳能集热器所在系统的COP可达5. 05. 8；认为若要改善此直膨式太阳能热泵系统的COP，可采用加装透明盖板和背面设保温结构的太阳能集热器及太阳能集热器多组并联的型式。【12】3.2 国外对太阳能热泵的一些研究情况国外有学者对带储热罐的太阳能热泉系统进行了一些理论和实验研究。OCamakh【13】等人利用实验数据建立了带热储罐的太阳能热泵的热力学模型，通过模拟计算发现储能罐内的水量以及水与相变材料的接触面积对储存在罐中的热量种类(显热或潜热)的作用正相反。Viovel Badescu给出了用于空问加热的太阳能热泵的屁热储热罐的建模方法 J【14】，他的初步研究结果表明：小刊热储罐单位时内可以向热泵蒸发器提供更多的热通量，使得小型热储罐可以在负荷高的时段快速放热；而对于较大的储热罐。虽然它的热通蕈逐渐减少，但可以长时间放热；随着储热罐尺寸的增大，热泵的 COP值 和放射效率降低，同时每月的储热罐储热和热泵能耗都要增加。MNAHawlader等在研究中发现，缩机转速、太阳辐射 、集热器 积和储罐容对系统的性能影响很大，而且保证集热器燕发器负荷同压缩机转速之间的配也很重要 。【15】RYumrutas，MU“nsal介绍了一种太阳能-土壤耦合式热泵系统。【16】该系统由平板式太阳能集热器、热泵、位于地下的半球形季节性表面储能罐和住宅构成，研究人员使用分析计算的方法对该系统一年中的运行情况进行了追踪和分析，发现土壤类型对干F能量损耗的影响很小，但对储热的瞬时温度和热泵的COP 值影响很大。RYumrutas等人提出，对于承担100栋住宅负倚的系统 ，当储热罐半径超过25 m后，继续增火储罐半径没有意义。4太阳能与热泵技术应用4.1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。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。西藏驻军某医院也利用这种系统为医院手术室和病房提供热水，效果甚好。4.2太阳能与热泵联合干燥木材的优化匹配现有资料表明【17】，太阳能与热泵联合是一种理想的联合干燥技术。国内外在这方面已有一些研究和工业应用【18、19】-，但对太阳能与热泵在不同工况下最佳匹配范围的研究尚属空白。太阳能一热泵联合干燥系统由太阳能供热系统、热泵除湿干燥机、木材干燥室3部分组成(如图1)。其工作原理是：木材干燥的供热与湿空气的排出，由太阳能供热系统和热泵除湿机两者配合承担，二者既可单独使用也可联合运行。如果天气晴朗气温高，可单独开启太阳能供热系统；阴雨天或夜间则启动热泵除湿机来承担木材干燥的供热与除湿。在多云或气温较低的晴天，可同时开启太阳能供热系统和热泵干燥机，但从太阳集热器出来的热空气可不直接送入干燥室，而是经风管送向热采蒸发器。此时由于送风温度高于大气环境温度，故可明显提高热泵的工作效率。图1中的热泵具有两个蒸发器，除湿蒸发器用于回收木材干燥室排气的余热；而热泵蒸发器用于吸收大气环境或由太阳集热器供风的低温余热。43 太阳能一空气源热泵系统在我国100 kw以下的中小型空调中，有50使用了热泵机组。其中空气源热泵冷热水机组【20】在我国得到了广泛的应用。例如，上海高层建筑I|约25采用卒气源热泵冷热水机组，武汉、南京、杭州、长沙等地区也大量采用，主要用于写字楼、银行、商厦等以H间使用为主的建筑物中【21】。4.4太阳能热泵技术在中央热水系统中的应用长期以来热泵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，中央热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为热源。以室外空气为热源的空气源热泵系统，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在中央热水供应方面具有不可替代的优势。但空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度l0 以上的地区。【22】5太阳能热泵供暖系统有待解决的问题 (1)性能可靠性 各种类型的太阳能热泵性能都有待提高，要合理确定个部件之间的匹配关系以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，这需要各个专业的人相互配合。实现各种能量的优化配置，确定太阳能集热器面积、蓄热水箱容积、建筑面积之间的最佳匹配关系，才能使太阳能热泵供暖、供冷技术具有更强的竞争力，产生更大的社会效益。 (2) 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)性能可行性。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。转 参考文献：【1】-太阳能热泵技术在中央热水系统中的应用 刘 涛(华东交通大学职业技术学院 33001 3 江西南昌) 2006年第3期【2】- 太阳能热泵技术在中央热水系统中的应用 刘 涛(华东交通大学职业技术学院 33001 3 江西南昌) 2006年第3期【3】- 太阳能热泵技术在国内的研究与发展刘鹏， 关欣， 穆志君，马虎根(1.上海理工大学热工程研究所, 上海 200093)【4】- 赵军,马一太等.太阳能热泵供水系统的实验研究J.太阳能学报,1993,(4):306 - 310.【5】 旷玉辉,于立强,等.太阳能热泵供热系统的实验研究J.太阳能学报,2002 ,23 (4):408 413.【6】 旷玉辉,王如竹,许煜雄.直膨式太阳能热泵供热水系统的性能研究J.工程热物理学报,2004,25(5): 737 - 740.【7】-旷玉辉,王如竹.直膨式太阳能热泵热水器的实验研究J.工程热物理学报,2005(3):379 - 381.【8】-李郁武,王如竹.直膨式太阳能热泵热水器运行特性的试验研究J.工程热物理学报,2006,27(6): 923 - 925.【9】-15 余延顺.太阳热泵系统运行工况的模拟研究J.流体机械,2004,32(5):65 - 69.【10】 余延顺.太阳热泵系统运行工况的模拟研究J.流体机械,2004,32(5):65 - 69.【11】刘立平,印鹏. 直接膨胀式太阳能热泵系统的性能研究J.上海水产大学学报,2008,17(2):247 - 250.【12】-刘立平,阙炎振等.直膨式太阳能热泵系统的模拟分析J.流体机械,2008,36(7): 67 - 71【13】-mer ComakliMalunut Bayramoglu and Kamil KaygusuzA thermtxtymamic model of a solar assisted heat pump system withenergy storageSolar Energy Volume 56，Issue 6，June，1996485492【14】- Viorel BadescuModel of a thermal energy storage deviceintegrated into a solar assisted heat pump system for space heatiag Energy Conversion and Management Voume 44，Issue 10，June，【15】-MNAHawlader；SKChou，MZUllah， Fhe perlbrmanee of a solar assisted heat pump water heating systemAppliedlhennal E neefing Volume 21，Issue 10，July，200110491065【16】- RY urmrutas，M0 nsa1 Analysis ofsolarmded heat pumpsystems with seasonal thermal energy storage in suFface tanksEnergy Volume 25，Issue 12，Decendrer，200012311243【17】-张璧光太阳能一热泵联合予燥木材的实验研究J太阳能学报，2007，28(8)：87-873【18】【19】 张璧光，刘志军，谢拥群太阳能干燥技术M北京：化学工业出版社，2007，7579【20】-龚光彩，常世钧冷热源及建筑节能的研究现状和进展J建筑热能通风空涮，2003，22(5)：1823【21】-I6马最良热泵技术(下)J电力需求侧管理，2003，5(6)：5862【22】-太阳能热泵技术在中央热水系统中的应用 （制冷与空调 2006年第3期）刘 涛(华东交通大学职业技术学院 33001 3 江西南昌) 国内外太阳能能源利用现状分析摘要：本文大体介绍了国外太阳能能源利用状况重点和详细介绍了国内太阳能能源利用状 况，包括太阳能能源利用的形式、太阳能能源分布区域、太阳能能源利用存在的问题，最后大致总结了太阳能发展的前景。关键词：新能源、光伏发电、光热转换、光电转换、发展前景Abstract: This paper introduces the general situation on the use of solar energy abroad and detailed introduction of solar energy for the domestic situation, including solar energy forms,solar energy distribution arera, solar energy sources are distributed region of the problems, finally is summed up the development of the future of the solar.Keyword