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1、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。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。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 syste
2、m 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
3、certain result.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。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.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Key words：Solar energy technology, Heat pump, Solar energy he
4、at pump: working principle: the domestic research development, Energy efficiency: application: Technical and economic comparison酽锕极額閉镇桧猪訣锥。1.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。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。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
5、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。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。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】厦礴恳蹒骈時盡继價骚。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
6、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茕桢广鳓鯡选块网羈泪。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33.1 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。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。天津大学的赵
7、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】籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。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預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。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(
8、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】渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。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
9、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】铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。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擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。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CO
10、P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】贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。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
11、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
12、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】坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。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。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。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
13、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
14、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。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。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
15、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
16、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。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。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】。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。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
