太陽能熱泵工作原理及深度技術(shù)分析

　　熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，長期以來主要應(yīng)用于建筑物的采暖空調(diào)領(lǐng)域。因熱泵制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來越多的采用熱泵設(shè)備作為熱源。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結(jié)構(gòu)簡單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便，在衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)外，現(xiàn)在已有多個(gè)品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場。但空氣源熱泵的一個(gè)主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數(shù)隨著室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區(qū)。

　　將熱泵技術(shù)與太陽能結(jié)合供應(yīng)生活熱水，國內(nèi)外進(jìn)行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽能系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，另一種是利用太陽能熱水為低溫?zé)嵩椿驅(qū)⑻柲芗療崞髯鳛闊岜玫恼舭l(fā)器的太陽能熱泵系統(tǒng)。前者以太陽能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽能供熱的連續(xù)性問題，但仍舊無法擺脫環(huán)境溫度對熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽能作為熱泵熱源，大大提高了太陽能的利用效率，但太陽能資源不足時(shí)仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽能集熱量的限制，規(guī)模一般比較小。

　　在大型的太陽能中央熱水系統(tǒng)中，空氣源熱泵無疑是一種比較理想的輔助加熱設(shè)備，為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行的性能，擴(kuò)大它的使用區(qū)域，結(jié)合國內(nèi)外太陽能熱泵研究中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我們研制了一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新型的采用低溫太陽能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽能和熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。

　　1、太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)組成

　　太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽能集熱器和太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。

　　為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，國內(nèi)外眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，歸納起來主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來提高熱泵低溫制熱性能，比如通過電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機(jī)周圍敷設(shè)相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運(yùn)行出力等等；二是通過改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級壓縮的空氣源熱泵，設(shè)中間補(bǔ)氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統(tǒng)，低溫工況下讓壓縮機(jī)高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時(shí)向壓縮機(jī)工作腔噴液以防止其過熱，從而使熱泵機(jī)組能夠正常運(yùn)行。

　　太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的，如圖2所示。在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。

　　2、太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組示意圖

　　與普通的空氣源熱泵相比較，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：

　?。?）COP顯著提高

　　在同樣的環(huán)境溫度下，太陽能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有了明顯的提高，熱泵制熱性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化情況如圖2所示。

　?。?）防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時(shí)間

　　由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機(jī)組的化霜次數(shù)和時(shí)間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷的運(yùn)行。

　?。?）改善空調(diào)壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長機(jī)組使用壽命

　　在環(huán)境溫度較低時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的壓縮比急劇升高，壓縮機(jī)的排氣溫度常常會(huì)超過壓縮機(jī)允許的工作范圍，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁的啟停，無法正常工作，長此以往，將會(huì)損傷壓縮機(jī)的整體性能，減少空調(diào)設(shè)備的使用壽命。通過太陽能作為輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機(jī)的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機(jī)在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問題，并且可以使整個(gè)熱泵機(jī)組的使用壽命有效延長。

　　輔助換熱器位于熱泵蒸發(fā)器的外側(cè)，作為熱泵機(jī)組的一個(gè)部件與熱泵機(jī)組同步設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用和蒸發(fā)器同樣外型尺寸和材質(zhì)的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過溫升及其與熱泵蒸發(fā)器的間距應(yīng)根據(jù)太陽能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽能水溫、環(huán)境溫度及熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度、排風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　目前在太陽能熱水工程中通常采用的太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種［8］。對于全年使用的比較大型的太陽能中央熱水系統(tǒng)，要求太陽能集熱器應(yīng)具有一定的承壓能力，比較高集熱效率，比較小的管道阻力，抗凍能力強(qiáng)，易于維護(hù)。在這幾種太陽能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高，市場占有率大，但因其不能承壓運(yùn)行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽能熱水系統(tǒng)中，絕大部分都被用作家用太陽能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽能集熱器，可以承壓運(yùn)行，適用于在大型的太陽能熱水工程中應(yīng)用。

　　平板集熱器是應(yīng)用比較早的一種太陽能集熱裝置，一直以來也是世界太陽能市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種低溫?zé)崴訜犷I(lǐng)域，但隨著真空管太陽能集熱器的出現(xiàn)，受其自身結(jié)構(gòu)的局限，在集熱效率上已不具備優(yōu)勢，因防凍問題以及集熱性能受季節(jié)和環(huán)境影響較大，目前主要在南方冬季氣溫較高的地區(qū)應(yīng)用，在北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行效果欠佳，不推薦在大型熱水工程中應(yīng)用。

　　U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來產(chǎn)品，三者的共同特點(diǎn)都具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，可以承壓運(yùn)行，但從集熱效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安裝維護(hù)難度等方面進(jìn)行綜合評價(jià)，熱管式真空管集熱器是最適宜在中央熱水供應(yīng)系統(tǒng)中采用的太陽能集熱器類型，U型管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器次之。熱管式真空管集熱器利用熱管傳熱，干性連接，管內(nèi)不走水，具有熱容小、傳熱快、耐冰凍、耐熱沖擊、承壓強(qiáng)、保溫好、無滲漏、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，U型管式真空管集熱器和直流式集熱器利用真空管內(nèi)同心套管直接對工質(zhì)加熱，除了具有運(yùn)行溫度高、承壓能力強(qiáng)和耐熱沖擊性能好等特點(diǎn)外，其集熱效率高于其它形式的集熱器，并且可以水平安裝，簡化安裝支架，減少安裝場地面積，避免集熱器影響建筑外觀，在太陽能和建筑結(jié)合方面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但其安裝程序比熱管式真空管集熱器復(fù)雜，接口較多，運(yùn)行中有漏水隱患，系統(tǒng)維護(hù)成本相對較高。

　　太陽能與太陽能輔助加熱空氣源熱泵結(jié)合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長補(bǔ)短，使二者互為補(bǔ)充，互為備用，在日照充足時(shí)優(yōu)先使用太陽能加熱熱水，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的低溫?zé)崴鳛樘柲茌o助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運(yùn)行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對比較穩(wěn)定高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的衛(wèi)生熱水供應(yīng)。空氣源熱泵制熱過程本質(zhì)上是對空氣中蘊(yùn)藏的太陽熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，熱泵機(jī)組作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)的熱量中，只有一小部分來自電能，所以太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)大大提高了太陽能利用率，減少了對一次能源的消耗。

　　太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的運(yùn)行主要有以下四種工況：

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