制冷与热泵论文2

1、太阳能热泵系统的研究及应用于洋（中国科学技术大学，热科学和能源工程系，PB13209219）摘要 本文综述了太阳能热泵在国内外的研究现状，针对太阳能热泵的中关键技术的研究进行了简要介绍，列举了一些有关太阳能热泵技术的研究及应用成果并阐述了太阳能热泵的应用前景。关键词 太阳能热泵；工质；压缩机；集热；蓄热；应用1. 引言太阳能热泵系统,是指利用太阳辐照的热量来作为热泵热源的热泵系统, 在太阳能热泵中,太阳能技术和热泵技术相结合,弥补了两种系统各自的缺点,并以其节能、高效等诸多优点引起了人们的注意。对系统的探讨较早开始于20世纪50年代1。但对系统的广泛深入研究,是从70年代的能源危机之后开始的。

2、日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家自上世纪中叶就开始对太阳能热泵进行研究与开发,实施了多项太阳能热泵示范工程,取得了一定的经济效益和社会效益我国对太阳能热泵的研究虽然起步较晚,但这几年所进行的理论与实验研究,都取得了一定成果,为今后商业化发展提供了一定基础。2. 太阳能热泵系统研究进展太阳能热泵系统的工作原理2如图1所示: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

3、源热量,蒸发变为过热蒸汽;如此形成一个完整的循环过程。整个系统主要由太阳能集热器、压缩机、蒸发器、冷凝器、蓄热器等组成。根据太阳能集热器与热泵的组合形式,太阳能热泵可分为直膨式和非直膨式; 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、集热和蓄热部分的设计等，下文将对这些关键技术的研究情况进行介绍。 图 1 太阳能热泵系统工作原理2.1太阳能热泵系统的结构形式2.1.1直膨式太阳能热泵系统直膨式太阳能热泵系统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，循环工质在太阳能集热/蒸发器中直接吸热蒸发,节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间

4、的换热设备,不仅简化了系统结构,而且可以有效提高集热器性能和热泵供热性能。下面以直膨式太阳能热泵热水器为例，对该系统进行简要的分析说明。图2是直膨式太阳能热泵热水器的原理图3，图3是太阳能热泵热水器实验样机实物照片。系统的主要参数见表14。除了太阳能集热/蒸发器（下文简称“集热板”）系统的其余部件与常规的热泵系统完全相同，所以它极具小型化和产品实用化发展潜力，制冷剂作为太阳能集热介质直接在集热板中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝器放给水箱内被加热的水。图2直膨式太阳能热泵热水器原理图图3实验样机实际安装情况 C. 压缩箱 HWT. 生活热水箱 EV. 膨胀阀 SCE. 集热板 AM. 气液分离

5、器 SRM. 太阳能总辐射表直膨式太阳能热泵热水器性能的主要评价指标为供热性能系数COP和集热板的集热效率c，它们分别定义如下 COP=Qw，cPcomp=热水得热量压缩机耗电量 （1）c= QeI·Ac =集热板有效集热量集热板表面太阳辐射量 （2）对实验测得的数据进行分析，择取4组环境温度接近、太阳辐射强度不同的实验数据,将热水瞬时温度和系统瞬时平均供热性能系数随运行时间的变化关系绘于图4，集热板的集热效率随太阳辐射强度的变化规律绘于图5图4 太阳能热泵热水器在不同太阳辐射强度下的性能图5集热板集热效率的瞬态特性由图4(a)可见,热水温升曲线的斜率随太阳辐射强度的增加而增加.由图

6、4(b)可以看出,在环境温度相接近的情况下,热泵热水器的COP随太阳辐射强度的增大而增大。同时，该实验样机在环境温度均值20.6、太阳辐射强度均值955w/m2的室外气象条件下，将150升水从13.4加热到50.5只需要4分，,热泵COP达到6.61，即使在环境温度为17.1的雨夜,热泵COP仍能够达到3.11；而由图5可见，太阳能热泵热水器的集热板同时也作为热泵的蒸发器，集热效率较高，可以接近甚至超过1.0。由此可见，直膨式太阳能热泵系统具有较高的供热性能和集热性能4。2.1.2非直膨式太阳能热泵系统在非直膨式太阳能热泵系统中,太阳能集热器与热泵蒸发器分立,通过集热介质在集热器中吸收太阳能,

7、并在蒸发器中与循环工质进行换热。非直膨式太阳能热泵系统研究的关键是提高系统的热性能和经济性。根据太阳能集热系统与热泵的连接形式，非直膨式太阳能热泵系统可以分为串联式(见图 6)、并联式(见图 7) 、混联式(见图8 )5。图 6非直膨串联式太阳能热泵系统图 7非直膨并联式太阳能热泵系统图 8非直膨混联式太阳能热泵系统在以下假设条件下对不同类型太阳能热泵系统进行热力性能分析：低温环境 (传统太阳能直接供暖系统不开启)，系统稳定运行；工质压缩过程为等熵压缩，膨胀阀前、后工质比熵相等；工质在蒸发和冷凝过程中没有压力损失；集热器温度高于环境温度。非直膨并联式、非直膨混联式太阳能热泵系统的压力一比焓(P

8、h)图见图9、图10。由图 9可知，在非直膨并联式太阳能热泵系统中，由于太阳能直接供暖系统不开启，只剩下空气源热泵，从冷凝器出来的工质分为两路，主路的工质进入节能器，辅路的工质经膨胀阀节流降压 (46)后也进入节能器。这两部分工质在节能器中换热后，辅路的工质变为气体后被压缩机的辅 助进气口吸入，主路的工质变为过冷液体，经膨胀阀降压 (57)后进入蒸发器。在蒸发器中气化(71)后被压缩机吸气口吸入。主路和辅路的工质在压缩机工作腔内混合，再进一步压缩后排出压缩机外(1，23)，最后进入冷凝器。由图 10可知，非直膨混联式太阳能热泵系统循环为空气源热泵循环(1234)与非直膨串联式太阳能热泵系统循环

9、(1234)的叠加。图 9非直膨并联式太阳能热泵系统的压力比焓图图 10非直膨混联式太阳能热泵系统的压力比焓图以非直膨并联式太阳能热泵系统为例，其制热性能系数COP的计算式为：COP=h3-h4h3-h2+（1-a）（h2-h1）式中 h3非直膨并联式太阳能热泵系统中压缩机出口工质比焓，KJ/Kg h4非直膨并联式太阳能热栗系统中冷凝器出口工质比焓，KJ/Kg h2非直膨并联式太阳能热栗系统中辅路压缩机入口工质比焓，KJ/Kg a 辅路工质流量与工质总流量之比 h1非直膨并联式太阳能热泵系统中主路工质膨胀后工质比焓，KJ/Kg2.1.3直膨式与非直膨式太阳能热泵系统的比较直接膨胀式太阳能热泵系

10、统中工质直接在集热器/蒸发器内膨胀吸热,既可以吸收太阳辐射能也可以吸收周围空气中的热能,大大提高了系统在不同工况下连续运行的可靠性和稳定性。对太阳能系统来说集热器表面温度越低，越有利于提高太阳能集热器的效率;相反,对热泵系统来说蒸发器表面温度越高,越有利于提高热泵循环的效率和减少结霜现象。由于直膨式太阳能热泵系统集热器管道中流动的是制冷剂而非水,可有效避免冬季的冻管问题。应该注意到,直膨式太阳能热泵在应用中存在系统优化配比、与建筑一体化、投资经济性等一系列问题。非直膨式太阳能热泵系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广、适于集中,但其结构形式较直膨式太阳能热泵系统复杂。因此,选择太阳能热泵系统结

11、构形式时应该综合考虑工况、系统性能和经济性等因素合理地进行选择。2.2太阳能热泵系统中循环工质的选择 热泵运行性能的好坏一定程度上取决于循环工质的特性，选择选择合适的热泵工质对于改善热泵的性能相当重要，下面结合直膨式太阳能热泵热水器中不同工质性能的分析，对太阳能热泵系统循环工质的选择做简要说明。2.2.1 系统模型直膨式太阳能热泵热水器与空气源热泵热水器相比，除了太阳能集热器外，其余部件均相同，系统结构如图116所示热泵工质作为集热介质在集热器内部直接吸收太阳辐射热而蒸发，经过压缩机压缩，由冷凝器将热量释放给蓄热水箱，然后经膨胀阀节流降压后返回集热器。图 11 直膨式太阳能热水器示意图R22是

12、热泵热水器中广泛使用的一种工质，但其排放会破坏臭氧层并引起温室效应。目前，R22的替代工质主要有 R410A、R407C、R134A和R290等，这些替代工质的臭氧衰减指数ODP均为0，而除R290的温室指数GWP接近于0外，其余替代工质的GWP基本属于中等范围。R22及各替代工质的性质如表2所示7。表2 6种制冷剂性质对照表分别采用R22、R410A和R290作为系统工质，同样利用集热器的集热效率和供热性能系数COP作为评价指标，模拟研究环境参数和运行参数对3种工质的热泵系统性能影响并进行对比分析。2.2.2结果与分析过程中，3种热泵工质的直膨式太阳能热泵热水器结构参数相同，设定太阳辐射强度

13、为 750 W/m2，环境温度为25.7，环境风速为3.0m/s，蓄热水箱内部水初温和终温分别为20.5和50.0，集热器出口过热度为5.0，时间步长设定为1min。为便于分析，在系统模拟过程中，仅改变某一参数值，其余参数值保持不变。通过对所得数据的处理分析可得到在不同环境参数及运行参数下不同工质对系统性能的影响，如图1217所示7图 12 不同太阳辐射强度下系统性能比较从图12可以看出，不同太阳辐射强度下，系统使用R290的COP明显高于R22和R410A，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系统的略高于R22和R290系统；Qw的大小为R410A> R290> R

14、22，另外当I 从300W/m2增大到800 W/m2的过程中，R22、R410A和R290系统的COP分别增加了29.8%、36.9% 和 55%，因此R290系统的COP随I 的变化大于R22和R410A。图 13 不同环境温度下系统性能的比较从图13可以看出，不同环境温度下，系统使用R290的COP明显高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系统的略高于R22和R290系统；Qw的大小为R410A> R290> R22，另外当ta 从5增大到35的过程中，R22、R410A和R290系统的COP分别增加了31.8%、48.4% 和 70.3%，

15、因此R290系统的COP随ta 的变化大于R22和R410A。图 14不同室外风速下系统性能的比较（ta=5）从图14可以看出，随着风速的增加，系统使用R290的COP明显高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系统的略高于R22和R290系统；Qw的大小为R410A> R290> R22，另外当uw 从1m/s增大到8m/s的过程中，R22、R410A和R290系统的COP分别减少了5.8%、1.8% 和 11.5%，因此当ta=5时，R290系统的COP随uw 的变化大于R22和R410A。图 15不同压缩机转速下系统性能的比较从图15可以看到，

16、随着压缩机转速的变化，系统使用R290的COP明显高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系统的略高于R22和R290系统；Qw的大小为R410A> R290> R22，另外当n 从1000r/min增大到4500r/min的过程中，R22、R410A和R290系统的COP分别降低了65.5%、75.6% 和 57.8%，因此压缩机的转速增加会导致COP大幅降低，不利于系统运行经济性，n 的变化对3种系统性能影响的程度为R410A>R22>R290。图 16不同水箱水温下系统性能的比较从图16可以看出，随着压缩机转速的变化，系统使用R29

17、0的COP明显高于R22和R290，而R22和R410A的COP值基本相同；R410A系统的略高于R22和R290系统；Qw的大小为R410A> R290> R22，另外当tw 从20增大到50的过程中，R22、R410A和R290系统的COP分别降低了50.8%、57.9% 和 70.8%，因此tw增加同样会导致COP大幅降低，不利于系统运行经济性，R290随tw的变化大于R410A和R22。图 17 不同充注量下系统性能的比较从图中可以看出R290系统的充注量明显低于R22和R410A系统，在对应的最佳充注量范围内系统使用R290的COP明显高于R22和R290，而R22和R4

18、10A的COP值基本相同；R410A系统的最大，R22和R290系统相当；Qw的大小为R410A> R290> R22。通过以上数据的分析，我们可以得到如下结论7：(1) 在不同环境参数和运行参数的工况下，R290系统 COP值明显高于R22和 R410A，而R22和 R410A的 COP值基本相同；R410A系统的制热功率和集热器集热效率略高于R22和R290系统。(2) 太阳辐射强度和环境温度的增加均可提高系统COP值，环境参数对R290系统的影响程度大于R22和R410A。(3) 运行参数对系统性能的影响较明显。压缩机转速的变化对R410 系统影响显著，而水箱水温的变化对R2

19、90系统影响较大。(4) R290系统的工质充注量明显低于 R22和R410A系统。R410A系统最佳充注量约为R22系统的46%；R410A 系统最佳充注量约为R22系统的95%。对于循环工质的选择，应该注意的是,优选工质时应综合考虑压比、工质热物性、工质化学稳定性和热稳定性、系统性能要求、与压缩机的匹配、环保性等多方面因素进行优化筛选。2.3 太阳能热泵系统压缩机选择太阳能热泵系统所选择的压缩机种类会对热泵系统产生重要影响。通常活塞压缩机能够更好地适应高压差和低环境温度,而回转压缩机(如涡旋压缩机)低温工作时通常无法满足系统的制热要求,因此系统中需要设置电加热器,设置电加热器看似会导致系统

20、复杂,不如直接采用能耐受恶劣工况的活塞压缩机;但通常活塞压缩机的性能系数比涡旋压缩机低,而且其价格也较高,这会导致系统运行费用增加8。西安交通大学的胡伟针对太阳能热泵中央热水系统设计了两种方案，第一种是采用美优乐 MT60 活塞压缩机，系统中不设置电加热装置,第二种方案采用谷轮ZR61KC涡旋压缩机, 同时配用36kW电加热装置。在西安地区研究了一年内热泵系统的特性。2.3.1系统模型及压缩机性能曲线如图18所示8，热泵辅助太阳能中央热水系统采用非直膨并联式，同时压缩机部分分别采用MT60 活塞压缩机和谷轮ZR61KC涡旋压缩机。图 18热泵辅助太阳能中央热水系统流程图图 19 和图 20 是

21、根据产品手册数据所拟合的两种压缩机性能曲线, 从图中可以看出, 两种压缩机的制热量基本相当( MT60 由于排量略大, 因此制热量略高) , 因此具有一定的可比性; 从图中还可以发现 MT60 由于是活塞压缩机, 随着压差增加, 其容积系数下降很大, 因此其制热量随着蒸发和冷凝温度变化较 ZR61 大, 同时其功耗的变化也比涡旋压缩机剧烈。通过简单的计算比较可以发现, 涡旋压缩机在所有的工况下的制热系数都比活塞压缩机高很多。图 19 MT60 压缩机性能曲线图 20 ZR61 压缩机性能曲线2.3.2基本假设及模拟结果分析8为了研究简化,不考虑太阳能子单元对系统的影响, 仅研究压缩机对热泵单元

22、的影响, 故此做出以下假设:(1) 每天上午8点, 水箱上满冷水, 同时每天加热得到的55热水可在当天使用完, 加热时不使用水箱中的水；(2)热泵开启后, 水箱温度时刻都在变化, 因此冷凝温度也会改变, 本文认为冷凝温度和水箱水温保持恒定的温差, 同时每 10min 计算一次各部分温度变化关系, 即 10min 内认为水温、气温、蒸发和冷凝温度等恒定；(3) 热泵过热度和过冷度恒定, 同时风机和水泵消耗的功率也为恒定值；(4) MT60 系统不存在电加热, 如果蒸发温度比安全区域温度低, 即使水温没有达到设定温度, 也停止工作; ZR61 系统保留电加热, 如果热泵处于安全运行工况以外, 则开

23、启电加热, 直至加热到所需温度。在该假设下计算得到每日性能系数及年平均性能系数,处理分析可得图21，从图中可以看出 ,在同样的温度下,ZR61系统热泵COP比MT60 高得多, 即使考虑到某些天,由于气温过低,需要开启电加热,综合COP仍然比 MT60 系统高, 对于 ZR61 系统,年平均 COP为3.34,而 MT60 为 2.90。从目前市场价格来看,MT60压缩机的价格与ZR61压缩机加上36kW电加热的价格基本相当, 即设备的初始投资费用是一样的, 但是 ZR61 系统在西安地区的运行费用比 MT60 系统低 15% 左右。图 21两种方案性能系数比较模拟结果结果表明,虽然 ZR61

24、 系统保留了电加热器,但是电加热器每年开启的时间有限,而涡旋压缩机本身的性能比活塞压缩机优越, 因此从一年的整体情况来看, 采用ZR61 压缩机的系统具有更好的节能效果。所以,除了按照基本的热泵压缩机选型方法外,还应综合考虑系统工况和成本要求选择压缩机。2.4太阳能热泵系统集热和蓄热部分的设计2.4.1太阳能热泵系统集热部分集热器是太阳能热泵系统中最重要的组成部分之一,其性能与成本对整个系统的运行有重要影响。Cervantes.J.G对太阳能热泵系统能量进行了分析, 发现不可逆损失主要在热泵的蒸发器中,减少集热蒸发器的能量损失可改善相应的热力学循环性能9。目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热

25、器、全玻璃真空管集热器、热管式真空集热管和U形管式真空管集热器等。在太阳能集热器的选型上,要合理确定供热工况,以取得投资运行的最佳效益。在选定集热器型号后，集热器数目（面积）对系统的性能及投资均有直接影响，Omer Comakli研究发现集热器数目从19增加到24时,COP最大值增加了34%,而投资增加了71%10,故集热器最佳数目及最佳设计应通过投资量及系统的日均性能的优化过程计算。国内东华大学蒲学胜等人依照非直膨式太阳能热泵热水系统对此进行了一定的研究，下面对其研究作简要说明。(1) 基本原理非直膨式太阳能热泵热水系统的原理图如图 22所示系统的集热环路与热泵的蒸发器串联，太阳能集热器收集

26、的热量通过集热环路供给蒸发器，以提高蒸发器侧的热源温度，提高热泵的 COP，从冷凝器出来的制冷剂经过膨胀阀节流到集热水箱中的蒸发器，在吸收集热水箱中水的热量后汽化，然后再进入压缩机压缩后变为高温高压的气体，进入冷凝器放热，通过冷凝器将热量传递给生活热水箱中的水11。图 22非直膨式太阳能热泵热水系统原理图(2)模拟结果及分析图 23所示的是不同集热水箱体积下系统运行能耗随集热器面积的变化关系，由图 23 可以看出随着集热器面积的增加，系统的运行能耗 Wele越来越小，但减小越来越缓慢，当集热器由 2m2 增加到 4 m2 时，系统能耗减少了 36.4%，由4m2 增加到 6m2 时，系统能耗只

27、减少了21.5%。需要指出的是集热器面积的增加虽然会明显减小系统能耗损失，在实际情况中会相应提高系统的初投资。集热水箱的体积由 0.5 m3 增加至0.8 m3时减少的系统能耗明显少于由 0.2 m3 增加至0.5 m3时减少的系统能耗。这是由于系统集热水箱增大到 0.5 m3 时，集热水箱存储的太阳能总量受集热器面积的影响11。图 23不同集热水箱体积下系统运行能耗随集热器面积的变化2.4.2太阳能热泵系统蓄热部分在太阳能热泵系统中设置蓄热器的主要目的是储存从集热器获得的低位热量,以弥补太阳能间歇、不稳定的缺点。同时设置蓄热器可使热泵机组的容量减小,节省设备投资,还可以增大热泵的开、停时间间

28、隔,保证机组的运行效率。由此可见,蓄热在太阳能热泵系统中所起的作用,不论从供热还是从经济的角度来看,都比一般系统大得多12。(1)蓄热原理集热介质在太阳能集热器中得到由集热板吸收的太阳辐射能后,流入蓄热器中的换热盘管,通过热交换把部分热量传递给蓄热介质,而蓄热介质则在良好的保温条件下将这部分热量储存起来;当需要用热时,可利用另一种温度较低的(也可以是同一种)载热介质流经换热盘管,把所储存的热量提取出来输送给热泵或用热设备。蓄热器中也可以不使用换热盘管,直接使集热介质流入蓄热器并储存起来,需要时直接从蓄热器中汲取集热介质加以利用。太阳能热泵系统中典型的蓄热以及整个蓄热和取热过程如图 24所示12

29、。图 24太阳能热泵系统中的蓄热及取热过程图24(a)中,与集热器直接相连的为低温蓄热器。集热器将载热流体加热后将热量储存在蓄热器中,热泵机组从蓄热器中吸收热量,将温度提升,向房间供热。这种蓄热方式的最大特点是蓄热温度较低,热损失小,对于隔热措施的要求不高,结构也比较简单,但温度不稳定。图24(b)中,系统除了设置与集热器直接相连的低温蓄热器,还设置高温蓄热器,即热泵将温度提升后,把热量储存在高温蓄热器中,由高温蓄热器向房间供热。这种蓄热方式的特点是供热温度稳定,热泵机组运行平稳,但为了所储存的热量在整个蓄热时间内能保持所需的热级,就必须采用良好的隔热措施,系统造价也相应提高。图24(c)中,

30、热泵机组直接从集热器中吸收热量,将温度提升后把热量储存在高温蓄热器中,再由高温蓄热器向房间供热。这种蓄热方式的特点是热泵机组蒸发器端受太阳辐射热影响较大,因此机组工作不稳定,且高温蓄热器保温措施要好,系统造价比图24(a)所示方式要大,但高温端向房间供热比较稳定。(2) 蓄热分类按蓄热方式分为显热蓄热和潜热蓄热（相变蓄热），显热蓄热即利用蓄热介质在温度升高(或降低)时吸收(或放出)热量的性质来实现蓄热。其中,又分为液体(特别是水)显热蓄热和固体(如岩石、沙土等)显热蓄热。显热蓄热材料利用材料的温度变化储存显热,由于可以采用直接接触式换热,因而蓄放热过程比较简单,是早期应用较多的蓄热材料。显热材

31、料大部分可从自然界直接获得,价格低廉。属于这类材料的有水、岩石、鹅卵石、土壤等。选择的显热蓄热材料应满足一下要求：比热容大,密度大,价格低廉,有良好的热稳定性,对容器无腐蚀作用,无毒无爆炸燃烧危险,容易得到。潜热蓄热（相变蓄热）利用蓄热介质发生相变时需要吸收(或放出)大量热量的性质来实现蓄热。可利用的潜热又分为凝结热和凝固热两种。相变蓄热材料是利用物质在相变过程中发生的相变热来进行热量的储存和利用。在相变过程中,材料从环境中吸热,反之向环境中放热,在物理状态或化学成分发生变化时可储存或释放的能量为相变热。材料按相变形式分为液-气、固-气、液-液、固-液、固-固5种,只有固-液、固-固有应用价值

32、13。相变蓄热材料特别适宜贮存温度变化范围小的热量,而这时如果用单相蓄热材料,则需要的质量和容积就庞大多了。相变只在一定温度条件下发生,因此所采用的相变蓄热材料应当在所蓄热量温度范围内有相变。目前在各种蓄热方式中,液体显热蓄热是原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉的一种,因而也是实际应用最早、推广使用最普遍的一种。3太阳能热泵应用3.1太阳能热泵技术的应用太阳能热泵系统集热成本低、系统结构紧凑、能耗比高、应用范围广,国内外学者对其进行了大量的应用研究和推广工作。近年来,日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家实施了多项太阳能热泵示范工程,将太阳能热泵技术应用于宾馆、住宅、学校、医院、

33、图书馆以及游泳馆等,都取得了一定的经济效益和良好的社会效益。一些公司在太阳能热泵产品的产业化发展方面取得了成功,例如美国的Solar King系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等就是比较典型的产品范例。我国学者也在多个领域对太阳能热泵技术的应用开展了研究。李郁武4、杨婷婷3等对直膨式太阳能热泵热水器进行了实验测试及经济性分析，旷玉辉14对太阳能辅助热泵空调系统进行了研究，周恩泽15进行了太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究, 这些研究成果充实了太阳能热泵理论,为太阳能热泵系统的设计和研究提供了有益的指导经验。3.2太阳能热泵工程应用案例3.2.1太阳能热泵供

34、热系统图25是瑞典莱波豪夫村庄的太阳能热泵供热系统16，这套系统共有55座平房住宅,每座房屋有155 m2。在每座房屋的朝南屋顶上装有平板式太阳能集热器,共计集热面积3 045 m2。房屋采暖用热泵共4台,在低温热源温度为5及高温端温度为60时,总计制热能力432 kW,输入功率共156 kW。热水供应用热泵1台,在上述同样条件下的制热能力为82 kW及输入功率为29.5 kW。另外设有1台700 kW燃油锅炉作备用。由太阳能集热器吸收的热量贮存在蓄热水池中。采暖用热水及热水供应分别由热泵2和热泵3供应。采暖用热水温度可以在55 22范围内变化,而且尽可能直接利用蓄热水池的水。由冷凝器出来的热

35、水或直接由蓄热水池来的热水送入空气加热装置中加热空气,用于房间采暖。房间的排风通过热回收热交换器与新风进行热交换,这样回收了部分排风热量而同时预热了新风。热水供应用热泵3的冷凝器提供55 60的热水,在水-水换热器中加热热水供应用的自来水,所供水的温度保持在45。1太阳能集热器;2采暖用热泵;3热水供应用热泵;4空气加热装置;5热回收热交换器;6水-水热交换器;7蓄热水池;8水泵;9热水箱图 25瑞典莱波豪夫村庄的太阳能热泵供热系统每幢单户住宅需要30 50 m2的集热器面积,蓄热水池容积2 4 m3,大约可提供房屋采暖及热水供应需要能量的30% 60%。在同样情况下,蓄热水池增大100倍(即

36、200400 m3),则几乎提供全年需要的能量。上述这套太阳能热泵供热系统有很大的蓄热水池。在每年11月到次年1月室外气温太低时,太阳能集热器关闭。根据计算机预测,在3月份水池底部的水温约7 ,这时最冷季节已过去。在9月份水池底部温度达到最高(约58)。在稳定工作情况下,正常年份每年需采暖热量60×104 kW·h,热水供应22×104 kW·h,总计需要热量82×104 kW·h。由集热器收集的热量每年100×104 kW·h;蓄水池和分配管路等的热损失约为20×104 kW·h,系统输入功率

37、(大部分是用于热泵)10×104 kW·h,故总计供热能力为90×104 kW·h。比需要热量约多10%。这个系统能量利用率相当高。3.2.2太阳能热泵干燥系统太阳能热泵干燥系统可应用于农作物、木材、药品烟草等产品的干燥，其中太阳能热泵木材干燥系统的研究起步较早，目前已经应用于多项工程。图 26和图 27分别是太阳能热泵木材干燥系统的原理图和设备实物图，图 26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; 热泵蒸发器用于吸收大气环境或太阳能集热器的低温余热。图 27的上部为太阳能集热器, 下部左侧为木材干燥窑, 右侧为热泵除湿机17

38、。图 26太阳能热泵木材干燥系统原理图图 27太阳能热泵木材干燥系统设备图 昆明建筑木材厂采用太阳能热泵木材干燥系统干燥木材,先自然风干,然后进窑,加热温度从室温到达30(用热泵除湿)。利用太阳能空气集热器(总面积75m2、投资10万元)加热,集热器的进口温度为40 ,出口温度为60 80 ,使用3台2.2kW的风机送风。每月干燥4窑木材,每次干燥时间约10多天。表3给出了5种木材干燥试验数据。表3 5种木材的干燥试验数据 该厂1994年建成太阳能-热泵木材干燥系统,投入使用后,每月可节约电费约1万元,一年左右即可收回太阳集热器投资,经济效益可观。太阳能热泵木材干燥与常规蒸汽干燥相比,具有节能

39、(每干燥1m2木材可节省标准煤130kg),干燥质量好,成本低等优点,而投资与蒸汽干燥设备相当18。4 结论太阳能是地球上一切能的来源,是无公害的洁净能源,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2000 h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。除此以外，我国在发展太阳能热泵技术方面还存在一系列有利条件：能源和环境保护政策在一定程度上促进了太阳能热泵技术的发展；阳能热利用和空调技术的发展也为太阳能热泵技术的发展提供了技术保证；这些有利条件为太阳能热泵的技术深化和市场推广提供了有力的政策和技术支持。太阳能热泵技术这一新型的制冷供热技术具有明显的社会效益和远期的经济效益,在能源