太陽(yáng)能熱泵的技術(shù)研究

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源和環(huán)境是當(dāng)今世界突出的兩大社會(huì)問(wèn)題，這促使人們更多地意識(shí)到能源對(duì)人類的重要性，而愈來(lái)愈重視太陽(yáng)能利用和節(jié)能熱泵技術(shù)。目前我國(guó)太陽(yáng)能的熱利用主要集中在被動(dòng)式太陽(yáng)房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動(dòng)式太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的開發(fā)的利用相對(duì)落后。采用節(jié)能裝置——熱泵與太陽(yáng)能集熱設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式，不僅能夠有效地克服太陽(yáng)能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達(dá)到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用潛力。熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能型空調(diào)制冷供熱技術(shù)，是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮?，并將其傳輸給高溫?zé)嵩?，以達(dá)到泵熱的目的，從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源(節(jié)約高品位能源)，即提高能量品位的技術(shù)。隨著人們對(duì)獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點(diǎn)的太陽(yáng)能難以滿足全天候供熱。要解決這一問(wèn)題，熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能利用相結(jié)合無(wú)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(jī)，與制冷機(jī)所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1][2]。蒸發(fā)器吸熱后，其工質(zhì)的高溫低壓過(guò)熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)過(guò)絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w后，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體(放出工質(zhì)的氣化熱等，與冷凝水進(jìn)行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用)，液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，進(jìn)入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變?yōu)檫^(guò)熱蒸氣完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。

　　根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：Qg= Qd + A，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的電功A起到補(bǔ)償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸熱(Qd)，并向高溫環(huán)境放熱(Qg)，周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。因此，壓縮機(jī)的能耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般用性能系數(shù)(coefficient of performance，簡(jiǎn)稱COP)來(lái)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(yuǎn)大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，也是制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)施建筑節(jié)能的重要途徑，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用。

　　所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個(gè)溫度水平，采用膨脹閥或毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流，只是壓力增加的不同形式，主要有機(jī)械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機(jī)械壓縮式熱泵又稱作電動(dòng)熱泵，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用建筑采暖和空調(diào)，在熱泵市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)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(jī)組已經(jīng)逐步走上商業(yè)化發(fā)展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段，還必須克服運(yùn)轉(zhuǎn)間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問(wèn)題，才能真正應(yīng)用于實(shí)際。根據(jù)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(yáng)能熱泵等。國(guó)外的文獻(xiàn)通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵。

　　2太陽(yáng)能熱泵技術(shù)原理及其特點(diǎn)

　　太陽(yáng)能熱泵一般是指利用太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，區(qū)別于以太陽(yáng)能光電或熱能發(fā)電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組。它把熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)提高太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫?zé)嵩?，在陰雨天，直膨式太?yáng)能熱泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜?，非直膨式太?yáng)能熱泵作為加熱系統(tǒng)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(yáng)能熱泵的分類

　　根據(jù)太陽(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式，可分為直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump，DX-SAHP)和非直膨式。在直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，即制冷工質(zhì)直接在太陽(yáng)集熱器中吸收太陽(yáng)輻射能而得到蒸發(fā)(如圖2所示)。在非直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立，通過(guò)集熱介質(zhì)(一般采用水、空氣、防凍溶液)在集熱器中吸收太陽(yáng)能，并在蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑，或者直接通過(guò)換熱器將熱量傳遞給需要預(yù)熱的空氣或水。根據(jù)太陽(yáng)能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)的連接形式，非直膨式系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式。串聯(lián)式是指集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)通過(guò)蒸發(fā)器加以串聯(lián)、蒸發(fā)器的熱源全部來(lái)自于太陽(yáng)能集熱環(huán)路吸收的熱量(如圖3所示)；并聯(lián)式是指太陽(yáng)能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)彼此獨(dú)立，前者一般用于預(yù)熱后者的加熱對(duì)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(lián)式基本相同，只是蒸發(fā)器可同時(shí)利用包括太陽(yáng)能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩?如圖5所示)[3]。

　　2.2太陽(yáng)能熱泵的技術(shù)特點(diǎn)

　　太陽(yáng)能熱泵將太陽(yáng)能利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，具有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)[4]：

　　1)同傳統(tǒng)的太陽(yáng)能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的集熱器，集熱成本非常低。在直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)集熱器的工作溫度與熱泵蒸發(fā)溫度保持一致，且與室外溫度接近，而非直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱環(huán)路往往作為蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩矗療峤橘|(zhì)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(yīng)提高。有研究表明，在非寒冷地區(qū)即使采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的普通平板集熱器，集熱器效率也高達(dá)60%～80%，甚至采用無(wú)蓋板、無(wú)保溫的裸板集熱器也是可以的。

　　2)由于太陽(yáng)能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)往往需要采用較大的集熱和蓄熱裝置，并且配備相應(yīng)的輔助熱源，這不僅造成系統(tǒng)初投資較高，而且較大面積的集熱器也難于布置。太陽(yáng)能熱泵基于熱泵的節(jié)能性和集熱器的高效性，在相同熱負(fù)荷條件下，太陽(yáng)能熱泵所需的集熱器面積和蓄熱器容積等都要比常規(guī)系統(tǒng)小得多，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，布置更靈活。

　　3)在太陽(yáng)輻射條件良好的情況下，太陽(yáng)能熱泵往往可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度，因而具有更高的供熱性能系數(shù)(COP可達(dá)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(yáng)能無(wú)處不在、取之不盡，因此太陽(yáng)能熱泵的應(yīng)用范圍非常廣泛，不受當(dāng)?shù)厮礂l件和地質(zhì)條件的限制，而且對(duì)自然生存環(huán)境幾乎不造成影響。

　　5)太陽(yáng)能熱泵同其它類型的熱泵一樣也具有“一機(jī)多用”的優(yōu)點(diǎn)，即冬季可供暖，夏季可制冷，全年可提供生活熱水。由于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中設(shè)有蓄熱裝置，因此夏季可利用夜間谷時(shí)電力進(jìn)行蓄冷運(yùn)行，以供白天供冷之用，不僅運(yùn)行費(fèi)用便宜，而且有助于電力錯(cuò)峰。

　　6)考慮到制冷劑的充注量和泄漏問(wèn)題，直膨式太陽(yáng)能熱泵一般適用于小型供熱系統(tǒng)，如戶用熱水器和供熱空調(diào)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是集熱面積小、系統(tǒng)緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應(yīng)性好、自動(dòng)控制程度高等尤其是應(yīng)用于生產(chǎn)熱水，具有高效節(jié)能、安裝方便、全天候等優(yōu)點(diǎn)，其造價(jià)與空氣源熱泵熱水器相當(dāng)，性能更優(yōu)越。

　　7)非直膨式系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合于集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng)。易于與建筑一體化。

　　3太陽(yáng)能熱泵熱水器的研究現(xiàn)狀

　　早在20世紀(jì)50年代初，太陽(yáng)能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽(yáng)能熱泵的優(yōu)越性，即可同時(shí)提高太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。隨后，日本、美國(guó)、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入了大量的人力、物力對(duì)太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行深入的研究與開發(fā)，在各地實(shí)施了多項(xiàng)太陽(yáng)能熱泵示范工程，例如賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，太陽(yáng)能熱泵因其具有顯著的節(jié)能性和環(huán)境友好性，得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，土耳其、印度尼西亞等發(fā)展中國(guó)家也對(duì)太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行了大量的研究[5][6]。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，美國(guó)的Solar King系列太陽(yáng)能熱泵供熱設(shè)備以及澳大利亞的Quantum系列太陽(yáng)能熱泵熱水器等就是比較典型的產(chǎn)品范例。

　　我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi)。天津大學(xué)、東南大學(xué)、青島建筑工程學(xué)院、上海交通大學(xué)等先后對(duì)太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究，取得了一定的成果。天津大學(xué)對(duì)串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵供熱水系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明，該系統(tǒng)可以一年四季可靠運(yùn)行，向用戶提供50℃生活熱水，COP達(dá)到2.64～2.85(冬天)，2.61～3.5(夏天)[7]。青島建筑工程學(xué)院對(duì)串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)具有多功能調(diào)節(jié)能力，冬季熱泵供暖時(shí)熱泵機(jī)組工作穩(wěn)定，COP平均值達(dá)到2.71，具有明顯的節(jié)能效果[8]。上海交通大學(xué)對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器進(jìn)行了試驗(yàn)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)～2 kW·h(冬)，其分體式結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜肹9]。

　　4太陽(yáng)能熱泵與建筑結(jié)合的應(yīng)用

　　近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展和建筑節(jié)能的要求，隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，“太陽(yáng)能與建筑一體化”和“全天候供熱”已成為我國(guó)太陽(yáng)能熱利用的重要議題。“太陽(yáng)能與建筑一體化”就是把太陽(yáng)能產(chǎn)品作為建筑部件安裝，使其有機(jī)結(jié)合起來(lái)，符合建筑美學(xué)要求，并盡可能地利用太陽(yáng)能等新能源和可再生能源替代常規(guī)能源以減少建筑能耗對(duì)常規(guī)能源的依賴，降低建筑能耗占我國(guó)總能耗的比例，并提高常規(guī)能源利用率。由于太陽(yáng)能熱泵具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足“太陽(yáng)能與建筑一體化”的要求。由于太陽(yáng)能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)很難滿足“全天候”的要求，為滿足“全天候”的要求，常規(guī)方法是采用電加熱或燃?xì)饧訜釣檩o助熱源，但容易引發(fā)安全問(wèn)題，且消耗了大量?jī)?yōu)質(zhì)能源，而采用太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)就能較好地解決“全天候”的問(wèn)題。目前，我國(guó)太陽(yáng)能熱泵主要應(yīng)在公共建筑物上，例如，北京奧運(yùn)村和奧運(yùn)場(chǎng)館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)。

　　5太陽(yáng)能熱泵技術(shù)存在的問(wèn)題

　　我國(guó)太陽(yáng)能熱泵的發(fā)展和應(yīng)用還存在著一些問(wèn)題：

　　1)投資經(jīng)濟(jì)性。能源結(jié)構(gòu)和燃料價(jià)格直接影響太陽(yáng)能熱泵的經(jīng)濟(jì)性，例如，我國(guó)西部地區(qū)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)以及較低的燃料價(jià)格必將影響太陽(yáng)能熱泵的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)初投資偏高也是影響其經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。2)性能可靠性。各種類型的太陽(yáng)能熱泵性能有待提高，要使部件之間的匹配關(guān)系達(dá)到投資運(yùn)行最佳效益，要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，既要考慮系統(tǒng)性能又要考慮建筑美觀，要實(shí)行智能化控制，這需要各個(gè)專業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的人共同努力、相互配合。

　　3)公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和認(rèn)識(shí)。目前，在我國(guó)制約太陽(yáng)能熱泵應(yīng)用的主要障礙是系統(tǒng)初投資較高以及政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和認(rèn)識(shí)。通過(guò)政府部門、科研機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的共同努力，借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)太陽(yáng)能熱泵將得到較快的推廣和發(fā)展。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　太陽(yáng)能是地球上一切能的主要來(lái)源，是無(wú)窮無(wú)盡無(wú)公害的潔凈能源，也是21世紀(jì)人類最有希望的能源。我國(guó)地域遼闊，年日照時(shí)間大于2000h的地區(qū)約占全國(guó)國(guó)土面積的2/3，處于利用太陽(yáng)能較有利的區(qū)域內(nèi)。太陽(yáng)能熱泵技術(shù)是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽(yáng)能與建筑一體化”和“全天候”的問(wèn)題。太陽(yáng)能熱泵技術(shù)將在太陽(yáng)能利用中占有重要地位，有著廣闊的發(fā)展前景。