太陽能熱泵技術及其在供熱中應用

  隨著經濟發展和科技的進步，能源和環境是當今世界突出的兩大社會問題，這促使人們更多地意識到能源對人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節能熱泵技術。目前我國太陽能的熱利用主要集中在被動式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動式太陽能供熱系統的開發的利用相對落后。采用節能裝置——熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯接的系統方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達到節約高位能和減少環境污染的目的，具有很大的開發、應用潛力。熱泵技術是一種很好的節能型空調制冷供熱技術，是利用少量高品位的電能作為驅動能源，從低溫熱源高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，以達到泵熱的目的，從而轉能質系數低的能源為能質系數高的能源（節約高品位能源），即提高能量品位的技術。隨著人們對獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法。
　　
  1熱泵的基本原理及其類型
　　
  熱泵是一反向使用的制冷機，與制冷機所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統的工作原理如圖1所示[1][2]。蒸發器吸熱后，其工質的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經過絕熱壓縮變為高溫高壓的氣體后，經冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體（放出工質的氣化熱等，與冷凝水進行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用），液態工質再經降壓閥絕熱節流后變為低溫低壓液體，進入蒸發器定壓吸收熱源熱量，并蒸發變為過熱蒸氣完成一個循環過程。如此循環往復，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。
　　
  根據熱力學第一定律，有：Qg=Qd+A，根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的電功A起到補償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環境吸熱（Qd），并向高溫環境放熱（Qg），周而復始地進行循環。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術經濟指標，一般用性能系數（coefficientofperformance，簡稱COP）來衡量裝置的能量效率，其定義為：
　　
　　COP=Qg/A=（Qd+A）/A=1+Qd/A
　　
  顯然，熱泵COP永遠大于1。因此，熱泵是一種高效節能裝置，也是制冷空調領域內實施建筑節能的重要途徑，對于節約常規能源、緩解大氣污染和溫室效應起到積極的作用。
　　
  所有型式的熱泵都有蒸發和冷凝兩個溫度水平，采用膨脹閥或毛細管實現制冷劑的降壓節流，只是壓力增加的不同形式，主要有機械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機械壓縮式熱泵又稱作電動熱泵，目前已經廣泛應用建筑采暖和空調，在熱泵市場上占據了主導地位；熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式，其中水—溴化鋰吸收式和氨—水吸收式熱水機組已經逐步走上商業化發展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發階段，還必須克服運轉間歇性以及系統性能和冷重比偏低等問題，才能真正應用于實際。
　　
  根據熱源形式的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統稱為地源熱泵。
　　
  2太陽能熱泵技術原理及其特點
　　
  太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發器熱源的熱泵系統，區別于以太陽能光電或熱能發電驅動的熱泵機組。它把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機的結合起來，可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉變為空氣源熱泵，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。
　　
  2.1太陽能熱泵的分類
　　
  根據太陽集熱器與熱泵蒸發器的組合形式，可分為直膨式（direct-expansionsoalarassistedheatpump，DX-SAHP）和非直膨式。在直膨式系統中，太陽集熱器與熱泵蒸發器合二為一，即制冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發（如圖2所示）。在非直膨式系統中，太陽集熱器與熱泵蒸發器分立，通過集熱介質（一般采用水、空氣、防凍溶液）在集熱器中吸收太陽能，并在蒸發器中將熱量傳遞給制冷劑，或者直接通過換熱器將熱量傳遞給需要預熱的空氣或水。根據太陽能集熱環路與熱泵循環的連接形式，非直膨式系統又可進一步分為串聯式、并聯式和雙熱源式。串聯式是指集熱環路與熱泵循環通過蒸發器加以串聯、蒸發器的熱源全部來自于太陽能集熱環路吸收的熱量（如圖3所示）；并聯式是指太陽能集熱環路與熱泵循環彼此獨立，前者一般用于預熱后者的加熱對象，或者后者作為前者的輔助熱源（如圖4所示）；雙熱源式與串聯式基本相同，只是蒸發器可同時利用包括太陽能在內的兩種低溫熱源（如圖5所示）[3]。
　　
  2.2太陽能熱泵的技術特點
　　
  太陽能熱泵將太陽能利用技術與熱泵技術有機結合起來，具有以下幾個方面的技術特點[4]：
　　
  1）同傳統的太陽能直接供熱系統相比，太陽能熱泵的最大優點是可以采用結構簡易的集熱器，集熱成本非常低。在直膨式系統中，太陽集熱器的工作溫度與熱泵蒸發溫度保持一致，且與室外溫度接近，而非直膨式系統中，太陽能集熱環路往往作為蒸發器的低溫熱源，集熱介質溫度通常為20℃～30℃，因此集熱器的散熱損失非常小，集熱器效率也相應提高。有研究表明，在非寒冷地區即使采用結構簡單、廉價的普通平板集熱器，集熱器效率也高達60%～80%，甚至采用無蓋板、無保溫的裸板集熱器也是可以的。
　　
  2）由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩定性等缺點，常規的太陽能供熱系統往往需要采用較大的集熱和蓄熱裝置，并且配備相應的輔助熱源，這不僅造成系統初投資較高，而且較大面積的集熱器也難于布置。太陽能熱泵基于熱泵的節能性和集熱器的高效性，在相同熱負荷條件下，太陽能熱泵所需的集熱器面積和蓄熱器容積等都要比常規系統小得多，使得系統結構更緊湊，布置更靈活.
 

  3）在太陽輻射條件良好的情況下，太陽能熱泵往往可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發溫度，因而具有更高的供熱性能系數（COP可達到4以上），而且供熱性能受室外氣溫下降的影響較小。
　　
  4）由于太陽能無處不在、取之不盡，因此太陽能熱泵的應用范圍非常廣泛，不受當地水源條件和地質條件的限制，而且對自然生存環境幾乎不造成影響。
　　
  5）太陽能熱泵同其它類型的熱泵一樣也具有“一機多用”的優點，即冬季可供暖，夏季可制冷，全年可提供生活熱水。由于太陽能熱泵系統中設有蓄熱裝置，因此夏季可利用夜間谷時電力進行蓄冷運行，以供白天供冷之用，不僅運行費用便宜，而且有助于電力錯峰。
　　
  6）考慮到制冷劑的充注量和泄漏問題，直膨式太陽能熱泵一般適用于小型供熱系統，如戶用熱水器和供熱空調系統。其特點是集熱面積小、系統緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應性好、自動控制程度高等尤其是應用于生產熱水，具有高效節能、安裝方便、全天候等優點，其造價與空氣源熱泵熱水器相當，性能更優越。
　　
  7）非直膨式系統具有形式多樣、布置靈活、應用范圍廣等優點，適合于集中供熱、空調和供熱水系統。易于與建筑一體化。
　　
  3太陽能熱泵熱水器的研究現狀
　　
  早在20世紀50年代初，太陽能熱利用的先驅者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優越性，即可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統性能。隨后，日本、美國、瑞典、澳大利亞等發達國家紛紛投入了大量的人力、物力對太陽能熱泵進行深入的研究與開發，在各地實施了多項太陽能熱泵示范工程，例如賓館、住宅、學校、醫院、圖書館以及游泳館等，取得了一定的經濟效益和良好的社會效益。在能源和環境問題日益嚴峻的今天，太陽能熱泵因其具有顯著的節能性和環境友好性，得到了越來越廣泛的關注。近年來，土耳其、印度尼西亞等發展中國家也對太陽能熱泵進行了大量的研究[5][6]。在產業化發展方面，美國的SolarKing系列太陽能熱泵供熱設備以及澳大利亞的Quantum系列太陽能熱泵熱水器等就是比較典型的產品范例。
　　
  我國對太陽能熱泵的研究起步較晚，有關文獻和報道均在十幾年內。天津大學、東南大學、青島建筑工程學院、上海交通大學等先后對太陽能熱泵進行了實驗及理論研究，取得了一定的成果。天津大學對串聯式太陽能熱泵供熱水系統進行的實驗研究和理論分析表明，該系統可以一年四季可*運行，向用戶提供50℃生活熱水，COP達到2.64～2.85（冬天），2.61～3.5（夏天）[7]。青島建筑工程學院對串聯式太陽能熱泵供暖系統進行了實驗研究，該系統具有多功能調節能力，冬季熱泵供暖時熱泵機組工作穩定，COP平均值達到2.71，具有明顯的節能效果[8]。上海交通大學對直膨式太陽能熱泵熱水器進行了試驗研究，該熱水器可全天候提供45～50℃生活熱水150L，每天耗電量約為1kW·h（夏）～2kW·h（冬），其分體式結構尤其適合于高層或多層建筑，此外，這種熱水器在陰雨天可以照常工作，其工作形式轉變為空氣源熱泵[9]。
　　
  4太陽能熱泵與建筑結合的應用
　　
  近年來，隨著太陽能事業的發展和建筑節能的要求，隨著城市的發展和人民生活水平的提高，“太陽能與建筑一體化”和“全天候供熱”已成為我國太陽能熱利用的重要議題。“太陽能與建筑一體化”就是把太陽能產品作為建筑部件安裝，使其有機結合起來，符合建筑美學要求，并盡可能地利用太陽能等新能源和可再生能源替代常規能源以減少建筑能耗對常規能源的依賴，降低建筑能耗占我國總能耗的比例，并提高常規能源利用率。由于太陽能熱泵具有集熱效率高、供熱性能系數高、形式多樣、布置靈活、一機多用、應用范圍廣等優點，能較好地滿足“太陽能與建筑一體化”的要求。由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩定性等缺點，常規的太陽能供熱系統很難滿足“全天候”的要求，為滿足“全天候”的要求，常規方法是采用電加熱或燃氣加熱為輔助熱源，但容易引發安全問題，且消耗了大量優質能源，而采用太陽能供熱系統就能較好地解決“全天候”的問題。目前，我國太陽能熱泵主要應在公共建筑物上，例如，北京奧運村和奧運場館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽能熱泵供熱系統。
　　
  5太陽能熱泵技術存在的問題
　　
  我國太陽能熱泵的發展和應用還存在著一些問題：
　　
  1）投資經濟性。能源結構和燃料價格直接影響太陽能熱泵的經濟性，例如，我國西部地區以煤炭為主的能源結構以及較低的燃料價格必將影響太陽能熱泵的市場競爭力。同時，太陽能熱泵系統初投資偏高也是影響其經濟性的重要因素之一。
　　
  2）性能可*性。各種類型的太陽能熱泵性能有待提高，要使部件之間的匹配關系達到投資運行最佳效益，要將系統設計與建筑設計結合起來，既要考慮系統性能又要考慮建筑美觀，要實行智能化控制，這需要各個專業、各個領域的人共同努力、相互配合。
　　
  3）公眾對這一技術缺乏足夠的了解和認識。目前，在我國制約太陽能熱泵應用的主要障礙是系統初投資較高以及政府、建筑設計人員和公眾對這一技術缺乏足夠的了解和認識。通過政府部門、科研機構和工程技術人員的共同努力，借鑒國外的成功經驗，我國太陽能熱泵將得到較快的推廣和發展。
　　
  6結束語
　　
  太陽能是地球上一切能的主要來源，是無窮無盡無公害的潔凈能源，也是21世紀人類最有希望的能源。我國地域遼闊，年日照時間大于2000h的地區約占全國國土面積的2/3，處于利用太陽能較有利的區域內。太陽能熱泵技術是太陽能熱利用技術和熱泵技術有機的結合，具有集熱效率高、供熱性能系數高、形式多樣、布置靈活、一機多用、應用范圍廣等優點，能較好地解決“太陽能與建筑一體化”和“全天候”的問題。太陽能熱泵技術將在太陽能利用中占有重要地位，有著廣闊的發展前景。