太阳能热泵供暖系统研究综述

精品资料太阳能热泵供暖系统研究综述太阳能热泵供暖系统研究综述 摘要: 介绍了太阳能热泵供暖系统的组成和运行方式。对影响太阳能热泵供暖系统性能的因素进行了综述。最后对当前太阳能热泵系统供暖中存在的问题进行了分析和探讨。 关键词：太阳能热泵；储热；供暖系统 中图分类号： TK511 文献标识码： A 随着全球能源危机的日益加剧，节约能源、有效利用能源逐渐成为人们追求的目标。建筑能耗作为能源浪费的一个重要方面，近年来研究的热度一直很高。20世纪90年代以来，各国对太阳能利用的普遍重视，使太阳能技术的应用与研究进入了较成熟与新的发展时期1。在太阳能的利用中，太阳能热泵把太阳能作为热泵的低位热源，是利用太阳能的一种有益尝试。 1 太阳能热泵供暖系统 1.1太阳能热泵供暖系统研究现状 在国外,由于太阳能技术比较成熟,因此相对于国内来说太阳能热泵供暖系统的研究也比较早。20 世纪 50 年代, Jodan 和 Therkeld 指出了太阳能热泵可以同时提高集热器效率和热泵热性能。在过去的几十年内,国外学者们从设计、计算模型、测试的角度对太阳能热泵供暖系统进行了一些研究, 这些研究基本分为以下三类2:1)带有热储存装置的太阳能热泵供暖系统;2)直膨式太阳能热泵供暖系统;3)太阳能-土壤源热泵供暖系统。 我国对太阳能热泵的研究起步较晚,天津大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东南大学、青岛理工大学等先后对太阳能热泵进行了实验及理论研究,取得了一定的成果。天津大学赵军等对串联式太阳能热泵供热水系统进行了实验研究和理论分析，上海交通大学王如竹等对直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究，青岛理工大学的董华等将太阳能热泵系统与地板辐射供暖系统结合进行了实验研究，哈尔滨工业大学余延顺等对太阳能-土壤源热泵系统在寒冷地区的应用作初探,通过对系统供暖工况的动态模拟,得出寒冷地区太阳能保证率以及太阳能集热器面积的确定方式3-8。 1.2太阳能热泵供暖系统 太阳能热泵供暖系统由太阳能集热器、热泵、蓄热装置、供暖末端装置和控制系统组成。系统以太阳能为主能源，以电能作为 适时补充能源，热泵能够在太阳能不足时对系统提供热能补充，是太阳能与热泵的最佳耦合方式。 太阳能热泵系统的工作原理:工质在蒸发器内吸热后变为低温低压过热蒸汽,在压缩机中经过绝热压缩变为高温高压气体,再经冷凝器定压冷凝为高压中温的液体,放出工质的气化热,与冷凝水进行热交换,使冷凝水被加热为热水,供用户使用;液态工质再经过膨胀阀绝热节流后变为低温低压气液两相混合物,并回到蒸发器定压吸收低温热源热量,蒸发变为过热蒸汽;如此形成一个完整 的循环过程。 1.3 太阳能热泵系统的关键技术 太阳能热泵系统的关键技术主要包括系统的结构形式、循环工质的选择、压缩机选择、集热器和蓄热器的设计。 太阳能集热器是太阳能供暖系统中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统的运行成败起着决定性的作用。太阳能热泵的系统中，由于太阳能是一个强度多变的低位热源，一般都设太阳能蓄热器。在用电低谷时，利用电加热器加热相变蓄热装置中的相变材料，使其融化，将热量以潜热(小部分显热)形式蓄存起来。白天，通过与热泵蒸发器相连的水环路系统将相变蓄热装置中的热量吸取，经过压缩机压缩，由热泵系统的冷凝器端为房间供热。这种方式可以节省运行费用，有利于电站进行负荷的峰值调整，保证电站高效运行。其原理见图1。 图1 相变蓄热热泵供热系统原理图9 1.4太阳能热泵系统的分类及比较 根据太阳能集热器与热泵装置的连接方式不同,太阳能热泵系统可分为串联式、并联式和双热源式。串联式又可分为两种:一种即常规太阳能辅助热泵,另一种为直接膨胀式太阳能热泵。 本文引入了层次分析法(AHP法),AHP法是美国运筹学家沙旦于1979年代提出的,是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析,适用于多层次的综合评价问题。对太阳能热泵系统的评价需从它的热性能、经济性、可靠性及实用性等多项因素进行考察、分析。综合评价结果,在太阳能热泵的热性能和经济性能较高的情况下,直接膨胀式太阳能热泵为最优,常规太阳能热泵系统次之,第三为并联系统。双热源系统排在最后。 2影响太阳能热泵供暖系统性能的因素 2.1传热系数对系统运行性能的影响 蒸发器与冷凝器传热系数 Ke、Kc 对系统的性能的影响。这是因为传热系数的增加,提高了换热器的换热效能,减小了热泵循环中由于温差产生的不可逆耗散损失,进而提高了热泵的 COP 值。 2.2热源热容量对系统运行性能的影响 对于低温热源,热容量的增加使得低温热源的平均温度上升,而对于高温热源,热容量的增加有助于进一步降低冷凝温度,这都有助于提高系统的 COP。但是低温热源平均温度的升高同时又导致了集热器效率的下降,高温热源平均温度的降低又削弱了风机盘管的单位面积的换热能力,这些因素又限制了 COP 的提高。由于增加热容量需提高系统换热流体的流量,这势必会增加循环水泵的耗电量,造成了不必要的浪费。 2.3集热器性能参数对系统运行性能的影响 选择具有高透过率盖板、高吸收率和低反射率的选择性涂层,同时还有对集热器进行很好的保温处理是非常重要的。在集热器的选购和安装时,应结合当地的气象条件以及经济性因素综合考虑。 3 太阳能热泵供暖系统有待解决的问题 3.1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。 3.2相变材料需进一步探索 相变材料潜热蓄热具有蓄热密度大、蓄热、释热温度稳定等优点。故在太阳能热泵 系统中应用相变蓄热材料的前景十分可观。但是,目前应用于太阳能蓄热的相变材料温度均在30左右,无法用来蓄冷,故热泵系统存在部分时间设备闲置的缺陷。为克服此问题,应继续探索适合高温相变蓄能材料,可供选择的高温相变蓄能材料有:盐水化合物为主体的共晶盐系列相变材料;氟利昂气体水合物;有机物质高温相变材料。通过分析筛选出符合太阳能蓄能热泵系统所需要的混合有机高温相变材料,系统可同时实现蓄冷和蓄热功能。这样不仅提高了系统设备利用 率,而且降低蓄能温度,有利于提高集热器效率,降低蓄热器向环境的散热量。 4 结语 太阳能热泵供暖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、应用范围广等优点。 合理利用太阳能技术、热泵技术、蓄能技术的集成系统的发展,对降低采暖空调能耗、缓解能源紧张、减轻环境污染等问题都具有重大意义,可以产生深远的影响。 参考文献: 1 赵群.太阳能建筑整合设计对策研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2008. 2 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.工程热物理学报. 2004,25(5):737-740 3 李郁武,王如竹,王泰华等.直膨式太阳能热