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1、太阳能空气双热源热泵及热水系统的研究上海理工大学动力工程学院 刘业凤 刘道平 伍德虎摘要：介绍了一种新型的热泵及热水复合系统。该系统采用太阳能和空气两种 热源互为补充， 热水系统和空气源热泵相结合。主要介 绍该热泵系统的工作原理、 结 构和不同季节的运行工况的切换。该系统既充分利用太阳能达到节能环保的目的，又借助空气源弥 补 了太阳能不稳定的难题，保 证系统能够稳定地运行。关键字：太阳能；热泵及热水复合系统； 空气源热泵；双热源热泵Study on solar-air source heat pump and hot water systemLiu Yefeng Liu Daoping Wu
2、Dehu(College of power engineering,University Of Shanghai For Science And Technology,Shanghai 200093, China)Abstract: One new combine system of heat pump and hot water is introduced.This system is based on solar energy and air source,and includes a solar water-heater system and air source heat pump.
3、The main working principle and composition of the system is introduced in this paper, including the change of working condition in terms of different seasons. This system uses solar energy richly, as well as avoids instability of solar energy.So the system can run steadily.Key words: Solar energy,co
4、mbine system of heat pump and hot water,air source heat pump;double heat souce heat pump1 引言我国的太阳能资源丰富，全国有 2/3以上的地区年辐射总量大于 502万千焦/米 2，并且年日照时数在 2000小时以上 1。再又太阳能清洁安全且取之不尽、用之不竭，所以太阳能作为一种新能源被开发利用，已经越来越被人们重视。开发利用无非两种：其一，太阳能转换成电能，再由电能被利用；其二，太阳能转化成热能，以热能的形式被利用。太阳能热水器是对太阳能热利用经济高效的一种途径。它能根据不同的天气情况，产出 30-60之间
5、的生活热水，从上个世纪末开始，太阳能热水器的产销量一直在飞速上升，正在迅速地走进千家万户。但是作为太阳能集热器，这种热水器产生热水依赖当地的天气和日照变化。所以不能稳定提供恒温的热水。尤其在阴天或者冬天日照时间较短、室外气温又较低的情况下，很难达到合乎需要的热水温度和供应量。因此我们提出将太阳能热水器和空气源热泵结合，以太阳能产生低温热水向热泵机组的蒸发段提供热量。同时解决了热泵机组在冬天环境温度低时效率低甚至无法启动的情况，解决了室外机除霜的问题，真正地实现了太阳能热水器和空气源热泵性能优势互补。太阳能空气双热源热泵机组不仅可以切换制冷制热不同工况，还可以根据太阳能辐射情况切换储水箱接入系统
6、的不同位置，作为蒸发器或者冷凝器用。本文以三口之家的 3居室为模拟对象设计，该系统可以满足夏天制冷、冬天采、 ，全年供应生活热水的需求。2 国内外研究现状近年来国内外研究太阳能利用和热泵技术领域比较活跃，主要以对热泵冷凝热回收利用为主。广州能源所利用200kW 3单级热水型溴化锂吸收式制冷机和由102mm 的真空管组，制冷热源温度：75 0C-90 0C 3；制取冷冻水温度：12 0C-15 0C 3；东南大学研制一种太阳能热泵热水装置。在热泵水冷侧采用的是套管式换热器，可以实现由自来水进水直接升温4050 0C 4 热水出水的目的。新加坡国立大学M.N.A. Hawlader和 K.A. J
7、ahangeer研制的太阳能热泵干燥热水装置在压缩机转速为1800rpm的情况下达到的COP=7.0 5，太阳能集热效率达到0.86 5。目前，该领域研究普遍存在的问题是太阳能集热器的效率不高，而且机组的运行依赖太阳能辐射状况和室外环境空气参数变化很大等问题。而且一套机组的控制系统较为复杂，开发研制的成本还是比较高，所以难以大量在许多地区推广，但是实验研究结论已经体现出太阳能热泵机组优先利用太阳能，达到环保、节能、同时提高性能系数等方面的优势。3 系统设计该机组采用 R22作为制冷剂。由一个热泵循环和太阳能热水循环构成。系统（如图 1）采用压缩机输入额定功率为 3匹，并能进行能量流量调节。3
8、个室内机分别安放在各个房间，可以实现室内机并行工作时的独立操作。由一个四通换向阀控制制冷剂流向，来实现夏季制冷，冬天制热的工况转换。制冷剂通过盘管与储水箱中的水进行换热。根据需要，通过一组阀件和管路系统来切换储水箱接入制冷系统回路的位置，可以作为蒸发端向制冷剂放热，提高蒸发温度；也可以作为冷凝端，从制冷剂吸热，制取一定量和温度的热水。储水箱还有一条管路接太阳能集热器。鉴于本系统的多种工况调节变化，管路系统的制冷剂流量和压缩机的能量输入会发生较大的变化，所以需要能够进行能量调节的压缩机。这里采用变频调速技术来实现能量调节。根据不同季节和太阳能随着天气情况的变化，我们将能够实现如下几种工况的运行与
9、调节：夏季空调制冷，有两种运行模式：1.当太阳能辐射较足，太阳能产生热水排入储水箱中储存起来供用户使用。室内机 5、6、7 作蒸发器冷却空气，供应冷量；室外机 3作冷凝器。2.当太阳能辐射不足，例如连续阴天，不能生产足够量足够温度的热水时，将热水箱并入冷凝管路侧。阀 11、14、13、9 开，12、10 关。室内机作蒸发器冷却房间空气，供应冷量；水箱作水冷冷凝器，制取生活热水。冬天制热工况。转换四通换向阀，改变管路中的制冷剂流向，使得制冷剂从室外机部分吸热，并向室内机供热。三种运行模式： 1.太阳能较足时，产生一定温度的热水用做蒸发器侧的换热。阀 10、12 关，9、13、14、11 开。水箱
10、作为室外水冷蒸发器，室内机供热。工况（2）蒸发温度 10,冷凝温度 54.5。2.太阳能辐射不足时，启动空气源热泵。风冷室外机 3作蒸发器，室内机 5、6、7 供热。3.当需要制取少量的生活热水时，将水箱接入管路系统中。阀 9、11 关，12、14、13、10 开。风冷室外机 3作蒸发器，水箱作冷凝器制取生活热水（同时可以有 1或 2台室内机供热） 。当太阳能辐射强度适当时，可以自己产生所需生活热水；当太阳辐射强度很小，以致水箱中的水温很低时，开启热泵，使其以空气为热源进行工作，生产热水；当太阳辐射强度介于两者之间时，使热泵以水箱中被太阳能加热了的热水为热源进行工作；当太阳能和热泵都不能满足热
11、水供应要求时，启动热水蓄水箱中的电加热器来辅助加热。图 1 太阳能空气双热源热泵及热水系统原理图在春、秋过渡季节没有空调负荷时，空调系统可以以全新风方式运行为室内换气，改善室内空气品质。生活热水由太阳能集热系统提供，不足时启动热泵系统进行补充。系统运行控制总的原则是：优先利用太阳能满足供暖、供生活热水需求，不足时启动热泵循环。当太阳能与热泵循环都不能满足用热需求时，启动电加热器辅助加热。这样既充分利用了太阳能来达到节能、经济、环保的目的，又能保证系统运行的稳定性，充分满足用户的空调、供生活热水的需求。4 结论本系统设计充分利用太阳能，能达到优先利用太阳能的目的，并且充分考虑不同天气情况下满足用
12、户的不同需求。其突出优点是可以在太阳辐射较差的情况下制取生活热水，并同时实现房间制冷。另外在冬天，根据有关文献报道和现场跟踪测试结果, 除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2% 6 ,而由于除霜控制方法问题,大约27% 6的除霜动作是在肋片表面结霜不严重,不需要除霜的情况下进行的。本机组避免在冬天环境温度过低的工况下工作，解决了除霜的问题。同时用太阳能产生热水作为低温热水，提高了蒸发温度，也提高整个机组的性能系数。本系统之比于现如今的一般的太阳能热水器和热泵热水器优点在于：一方面能结合太阳能和热泵机组同时实现制冷和生产热水，提高效率；另一方面，储水箱的接入位置可根据不同情况和需求进行切换，灵活方
13、便，功能多样。参考文献：1 郑宏飞，何开岩等，太阳能海水淡化技术，北京理工大学出版社 2205.5 第一版。2 韩宝琦，李树林，制冷空调原理及应用，机械工业出版社 2002.8第二版。3 李戬洪，李宝山，大型太阳能空调/热泵系统的示范应用，实用技术.2004，4：26-274 李舒宏，武文彬等，太阳能热泵热水装置实验研究与应用分析，东南大学学报（自然科学版）2005，35（1）：82-855 M.N.A. Hawlader,K.A. Jahangeer, Solar heat pump drying and water heating in the tropics,Solar Energy,20056 何雪冰，空气源热泵冷热水机组设计选型，暖通空调，2004，34（3）：55-58作者联系方式：刘业凤，女，1973 年 2 月生，副教授通信地址：上海理工大学动力学院制冷技术研究所，军工路 516 号电话：02165687261E mail：
