太陽能熱泵供暖系統(tǒng)研究綜述

1、<p>　　太陽能熱泵供暖系統(tǒng)研究綜述</p><p>　　摘要: 介紹了太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的組成和運行方式。對影響太陽能熱泵供暖系統(tǒng)性能的因素進行了綜述。最后對當前太陽能熱泵系統(tǒng)供暖中存在的問題進行了分析和探討。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能熱泵；儲熱；供暖系統(tǒng) </p><p>　　中圖分類號： TK511 文獻標識碼： A </p>

2、;<p>　　隨著全球能源危機的日益加劇，節(jié)約能源、有效利用能源逐漸成為人們追求的目標。建筑能耗作為能源浪費的一個重要方面，近年來研究的熱度一直很高。20世紀90年代以來，各國對太陽能利用的普遍重視，使太陽能技術(shù)的應用與研究進入了較成熟與新的發(fā)展時期[1]。在太陽能的利用中，太陽能熱泵把太陽能作為熱泵的低位熱源，是利用太陽能的一種有益嘗試。 </p><p>　　1 太陽能熱泵供暖系統(tǒng) </p

3、><p>　　1.1太陽能熱泵供暖系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 </p><p>　　在國外,由于太陽能技術(shù)比較成熟,因此相對于國內(nèi)來說太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的研究也比較早。20 世紀 50 年代, Jodan 和 Therkeld 指出了太陽能熱泵可以同時提高集熱器效率和熱泵熱性能。在過去的幾十年內(nèi),國外學者們從設計、計算模型、測試的角度對太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進行了一些研究, </p><p&

4、gt;　　這些研究基本分為以下三類[2]:1)帶有熱儲存裝置的太陽能熱泵供暖系統(tǒng);2)直膨式太陽能熱泵供暖系統(tǒng);3)太陽能-土壤源熱泵供暖系統(tǒng)。 </p><p>　　我國對太陽能熱泵的研究起步較晚,天津大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、青島理工大學等先后對太陽能熱泵進行了實驗及理論研究,取得了一定的成果。天津大學趙軍等對串聯(lián)式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)進行了實驗研究和理論分析，上海交通大學王如竹等對直膨式

5、太陽能熱泵熱水器進行了試驗研究，青島理工大學的董華等將太陽能熱泵系統(tǒng)與地板輻射供暖系統(tǒng)結(jié)合進行了實驗研究，哈爾濱工業(yè)大學余延順等對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的應用作初探,通過對系統(tǒng)供暖工況的動態(tài)模擬,得出寒冷地區(qū)太陽能保證率以及太陽能集熱器面積的確定方式[3-8]。 </p><p>　　1.2太陽能熱泵供暖系統(tǒng) </p><p>　　太陽能熱泵供暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱泵、蓄熱裝置

6、、供暖末端裝置和控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)以太陽能為主能源，以電能作為 </p><p>　　適時補充能源，熱泵能夠在太陽能不足時對系統(tǒng)提供熱能補充，是太陽能與熱泵的最佳耦合方式。 </p><p>　　太陽能熱泵系統(tǒng)的工作原理:工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪哼^熱蒸汽,在壓縮機中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w,再經(jīng)冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體,放出工質(zhì)的氣化熱,與冷凝水進行熱交換,使冷凝水被加熱

7、為熱水,供用戶使用;液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)過膨脹閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嗷旌衔?并回到蒸發(fā)器定壓吸收低溫熱源熱量,蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸汽;如此形成一個完整 </p><p><b>　　的循環(huán)過程。 </b></p><p>　　1.3 太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) </p><p>　　太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、循環(huán)工質(zhì)的選擇、壓縮

8、機選擇、集熱器和蓄熱器的設計。 </p><p>　　太陽能集熱器是太陽能供暖系統(tǒng)中最重要的組成部分，其性能與成本對整個系統(tǒng)的運行成敗起著決定性的作用。太陽能熱泵的系統(tǒng)中，由于太陽能是一個強度多變的低位熱源，一般都設太陽能蓄熱器。在用電低谷時，利用電加熱器加熱相變蓄熱裝置中的相變材料，使其融化，將熱量以潛熱(小部分顯熱)形式蓄存起來。白天，通過與熱泵蒸發(fā)器相連的水環(huán)路系統(tǒng)將相變蓄熱裝置中的熱量吸取，經(jīng)過壓縮機壓縮

9、，由熱泵系統(tǒng)的冷凝器端為房間供熱。這種方式可以節(jié)省運行費用，有利于電站進行負荷的峰值調(diào)整，保證電站高效運行。其原理見圖1。 </p><p>　　圖1 相變蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)原理圖[9] </p><p>　　1.4太陽能熱泵系統(tǒng)的分類及比較 </p><p>　　根據(jù)太陽能集熱器與熱泵裝置的連接方式不同,太陽能熱泵系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式。串聯(lián)式又可分為兩

10、種:一種即常規(guī)太陽能輔助熱泵,另一種為直接膨脹式太陽能熱泵。 </p><p>　　本文引入了層次分析法(AHP法),AHP法是美國運籌學家沙旦于1979年代提出的,是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標決策分析,適用于多層次的綜合評價問題。對太陽能熱泵系統(tǒng)的評價需從它的熱性能、經(jīng)濟性、可靠性及實用性等多項因素進行考察、分析。綜合評價結(jié)果,在太陽能熱泵的熱性能和經(jīng)濟性能較高的情況下,直接膨脹式太陽能熱泵為最優(yōu),常規(guī)太

11、陽能熱泵系統(tǒng)次之,第三為并聯(lián)系統(tǒng)。雙熱源系統(tǒng)排在最后。 </p><p>　　2影響太陽能熱泵供暖系統(tǒng)性能的因素 </p><p>　　2.1傳熱系數(shù)對系統(tǒng)運行性能的影響 </p><p>　　蒸發(fā)器與冷凝器傳熱系數(shù) Ke、Kc 對系統(tǒng)的性能的影響。這是因為傳熱系數(shù)的增加,提高了換熱器的換熱效能,減小了熱泵循環(huán)中由于溫差產(chǎn)生的不可逆耗散損失,進而提高了熱泵的 COP

12、 值。 </p><p>　　2.2熱源熱容量對系統(tǒng)運行性能的影響 </p><p>　　對于低溫熱源,熱容量的增加使得低溫熱源的平均溫度上升,而對于高溫熱源,熱容量的增加有助于進一步降低冷凝溫度,這都有助于提高系統(tǒng)的 COP。但是低溫熱源平均溫度的升高同時又導致了集熱器效率的下降,高溫熱源平均溫度的降低又削弱了風機盤管的單位面積的換熱能力,這些因素又限制了 COP 的提高。由于增加熱容量

13、需提高系統(tǒng)換熱流體的流量,這勢必會增加循環(huán)水泵的耗電量,造成了不必要的浪費。 </p><p>　　2.3集熱器性能參數(shù)對系統(tǒng)運行性能的影響 </p><p>　　選擇具有高透過率蓋板、高吸收率和低反射率的選擇性涂層,同時還有對集熱器進行很好的保溫處理是非常重要的。在集熱器的選購和安裝時,應結(jié)合當?shù)氐臍庀髼l件以及經(jīng)濟性因素綜合考慮。 </p><p>　　3 太陽能

14、熱泵供暖系統(tǒng)有待解決的問題 </p><p><b>　　3.1性能可靠性 </b></p><p>　　各種類型的太陽能熱泵性能都有待提高，要合理確定個部件之間的匹配關(guān)系以達到投資運行最佳效益；要將系統(tǒng)設計與建筑設計結(jié)合起來，既要考慮系統(tǒng)性能又要考慮建筑美觀；要實行智能化控制，這需要各個專業(yè)的人相互配合。實現(xiàn)各種能量的優(yōu)化配置，確定太陽能集熱器面積、蓄熱水箱容積、建

15、筑面積之間的最佳匹配關(guān)系，才能使太陽能熱泵供暖、供冷技術(shù)具有更強的競爭力， </p><p>　　產(chǎn)生更大的社會效益。 </p><p>　　3.2相變材料需進一步探索 </p><p>　　相變材料潛熱蓄熱具有蓄熱密度大、蓄熱、釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點。故在太陽能熱泵 </p><p>　　系統(tǒng)中應用相變蓄熱材料的前景十分可觀。但是,目前應用于太

16、陽能蓄熱的相變材料溫度均在30℃左右,無法用來蓄冷,故熱泵系統(tǒng)存在部分時間設備閑置的缺陷。為克服此問題,應繼續(xù)探索適合高溫相變蓄能材料,可供選擇的高溫相變蓄能材料有:鹽水化合物為主體的共晶鹽系列相變材料;氟利昂氣體水合物;有機物質(zhì)高溫相變材料。通過分析篩選出符合太陽能蓄能熱泵系統(tǒng)所需要的混合有機高溫相變材料,系統(tǒng)可同時實現(xiàn)蓄冷和蓄熱功能。這樣不僅提高了系統(tǒng)設備利用 </p><p>　　率,而且降低蓄能溫度,有利

17、于提高集熱器效率,降低蓄熱器向環(huán)境的散熱量。 </p><p><b>　　4 結(jié)語 </b></p><p>　　太陽能熱泵供暖技術(shù)是太陽能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機的結(jié)合，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、應用范圍廣等優(yōu)點。 </p><p>　　合理利用太陽能技術(shù)、熱泵技術(shù)、蓄能技術(shù)的集成系統(tǒng)的發(fā)展,對降低采暖空調(diào)能耗、緩解能源緊張

18、、減輕環(huán)境污染等問題都具有重大意義,可以產(chǎn)生深遠的影響。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　　[1] 趙群.太陽能建筑整合設計對策研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2008. </p><p>　　[2] 曠玉輝,王如竹,許煜雄.直膨式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)的性能研究.工程熱物理學報. 2004,25(5)

19、:737-740 </p><p>　　[3] 李郁武,王如竹,王泰華等.直膨式太陽能熱泵熱水器運行特性的實驗研究.工程熱物理學報. 2006,27(6):923-92 </p><p>　　[4] 周恩澤,董華,涂愛民等.太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的實驗研究.流體機械. 2006,34(4):57-6 </p><p>　　[5] 余延順.寒區(qū)太陽能一土壤源熱泵系