太阳能热泵技术探讨

太阳能热泵技术探讨

陶旭光段培真

江苏四季沐歌有限公司江苏省连云港市222000

摘要：太阳能是新兴能源和可再生能源的发展研究，是最多最引人注目的，最广泛被利用的清洁能源，我们可以说，全球太阳能的发展利用是未来的主流。热泵是一种把低位热源的热能转移到高位热源的装置。因此，太阳能与热泵系统的综合利用，不仅可以提高太阳能的能量利用效率，还可以缓解能源日益减少的压力，保护环境，因此具有广阔的发展前景。

关键词：太阳能；热泵技术；探讨

太阳能热泵技术是太阳能热利用技术和热泵技术有机的结合，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。

1太阳能热泵结构和原理

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，区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。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。集热器吸收的热量作为热泵的低温热源，在阴雨天，直膨式太阳能热泵转变为空气源热泵，非直膨式太阳能热泵作为加热系统的辅助热源。因此，它可全天候工作，提供热水或热量。太阳能热泵蒸发器与平板太阳能集热器，而工作流体上述原理完全相同。太阳能热泵太阳能集热器和热泵蒸发器的组合，可分为直接和间接的可膨胀扩张。直接膨胀系统，太阳能集热器与热泵蒸发器的结合，即制冷剂直接在太阳能集热器吸收太阳辐射和蒸发。在间接型系统的扩展，太阳能集热器和离散通过收集器介质（如使用水，空气，防冻溶液等）在太阳能收集器的吸收，热泵蒸发器将热量传递给蒸发器的制冷剂。

2太阳能热泵的技术特点

太阳能热泵将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来，具有以下几个方面的技术特点：

2.1太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点，即冬季可供暖，夏季可制冷，全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置，因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运行，以供白天供冷之用，不仅运行费用便宜，而且有助于电力错峰。

2.2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往往需要采用较大的集热和蓄热装置，并且配备相应的辅助热源，这不仅造成系统初投资较高，而且较大面积的集热器也难于布置。太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。

2.3同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是可以采用结构简易的集热器，集热成本非常低。在直膨式系统中，太阳集热器的工作温度与热泵蒸发温度保持一致，且与室外温度接近，而非直膨式系统中，太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源，集热介质温度通常为20℃～30℃，因此集热器的散热损失非常小，集热器效率也相应提高。有研究表明，在非寒冷地区即使采用结构简单、廉价的普通平板集热器，集热器效率也高达60%～80%，甚至采用无盖板、无保温的裸板集热器也是可以的。

2.4由于太阳能无处不在、取之不尽，因此太阳能热泵的应用范围非常广泛，不受当地水源条件和地质条件的限制，而且对自然生存环境几乎不造成影响。在太阳辐射条件良好的情况下，太阳能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，因而具有更高的供热性能系数（COP可达到4以上），而且供热性能受室外气温下降的影响较小。

2.5考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题，直膨式太阳能热泵一般适用于小型供热系统，如户用热水器和供热空调系统。其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤其是应用于生产热水，具有高效节能、安装方便、全天候等优点，其造价与空气源热泵热水器相当，性能更优越。

3太阳能热泵的分类

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。在直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在太阳集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发。在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介质（一般采用水、空气、防冻溶液）在集热器中吸收太阳能，并在蒸发器中将热量传递给制冷剂，或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或水。根据太阳能集热环路与热泵循环的连接形式，非直膨式系统又可进一步分为串联式、并联式和双热源式。

4太阳能热泵技术存在的问题

4.1对这一技术缺乏足够的了解和认识。目前，在我国制约太阳能热泵应用的主要障碍是系统初投资较高以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏足够的了解和认识。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国太阳能热泵将得到较快的推广和发展。

4.2投资经济性。能源结构和燃料价格直接影响太阳能热泵的经济性，例如，我国西部地区以煤炭为主的能源结构以及较低的燃料价格必将影响太阳能热泵的市场竞争力。同时，太阳能热泵系统初投资偏高也是影响其经济性的重要因素之一。

4.3各种类型的太阳能热泵性能有待提高，要使部件之间的匹配关系达到投资运行最佳效益，要将系统设计与建筑设计结合起来，既要考虑系统性能又要考虑建筑美观，要实行智能化控制，这需要各个专业、各个领域的人共同努力、相互配合。

5太阳能热泵与各种热水系统的比较

5.1与太阳能热水系统比较

在太阳能热泵系统中，直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热泵集热器中的制冷剂是两相吸收热量而太阳能热水系统是单相吸收热量，所以前者吸收热量的能力要比后者强。其次，太阳能热泵集热器的集热温度与环境温度接近，热量损失较小，而太阳能热水系统的热水管路温度高于周围环境，热损较大；非直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热水系统遇到阴雨天时，集热效率急剧降低，无法满足用户需求，甚至不能工作，而非直膨式太阳能热泵热水系统可以单独使用热泵系统来弥补由于天气状况引起的太阳能热水系统间歇性问题。

5.2与空气源热泵热水系统比较

空气作为低位热源，取之不尽，无偿获取，与太阳能有相同的节能环保特性。空气源热泵装置具备节能环保、安全可靠、系统设备简约、占地少、使用灵活、一次性投资低的特点。热泵热水器是一种高效集热并转移热量的装置，由压缩机、空气换热器、水换热器、膨胀阀和风机等部件组成。它运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功，使工质产生物理相变（气态――液态――气态），利用这一往复循环相变过程不断吸热和放热，将热量从低温源（周围空气）提取到温度较高的水箱中，以加热水箱中的水供用户使用。

5.3与地源热泵热水系统的比较。

土壤同样是热泵的一种良好的低温热源，它像空气一样，到处都有。土壤一年四季温度变化不大，并具有一定蓄能作用，但土壤的导热系数小，即工质与土壤之间换热强度小，所以需要增大埋在土壤里盘管的换热面积，这样地源热泵的初投资就会增加而且估算困难，而对于太阳能热泵热水系统来说，其初投资远小于地源热泵热水系统。土壤源热泵在运行过程中出现故障时，维修困难（如地下盘管漏），太阳能热泵维修相对简便。更重要是在实际工程中，地源（地下水）热泵热水温度最高为55℃，这很难满足对热水温度要求较高的用户。

6结语

太阳能热泵技术作为一种新兴的能源型产业，其环保、节能、高效的运行特点吸引了众多人的目光。尽管太阳能、热泵的设备初期投资都比较大，但是太阳能设备的后期运行费用则非常低。今后应着重研究太阳能、热泵各循环的优化匹配以及太阳能热泵木材干燥工艺，改进太阳能热泵储热装置，有助于提高太阳能的利用率。

参考文献

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[2]曲世琳.蓄热水箱对太阳能水源热泵系统性能特性的影响分析及实验研究[J].太阳能学报，2012，（8）.

[3]张增，李明滨，李鸿燕，等.一种小型太阳能水源热泵暖系统的试验研究[J].中国农机化学学报，2015，（2）.