太陽能—水源熱泵技術(shù)研究

尉楨楨 許本亮

摘 要：文章主要介紹了幾種太陽能水源熱泵系統(tǒng)，并對(duì)太陽能水源熱泵技術(shù)進(jìn)行了一定的綜述，發(fā)現(xiàn)太陽能-水源熱泵系統(tǒng)是一種新型的綜合水源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)的能源熱泵系統(tǒng)，有較高的制熱制冷系數(shù)，有很好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：太陽能；水源熱泵；COP

中圖分類號(hào)：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）26-0017-02

1 背景概述

太陽能是一種可再生的清潔能源，但由于太陽能的不穩(wěn)定性和低密度等特點(diǎn)，使它的使用范圍受到了一定的限制。熱泵是一種把低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置。因此，太陽能與熱泵系統(tǒng)的綜合利用，不僅可以提高太陽能的能量利用效率，還可以緩解能源日益減少的壓力，保護(hù)環(huán)境，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

實(shí)際工程案例表明水源熱泵與太陽能的綜合利用前景最為廣闊。原因主要有以下兩點(diǎn)：

①水源熱泵中的水源可以作為太陽能的儲(chǔ)熱裝置，當(dāng)太陽能不足時(shí)，可以用蓄存的熱量供熱。因此，可以減小太陽能集熱器的尺寸；

②由于太陽能的作用，可以將水源熱泵的最不利設(shè)計(jì)溫度適當(dāng)?shù)脑黾樱瑥亩档驮O(shè)備的設(shè)計(jì)容積和減少運(yùn)營成本。因此，水源熱泵和太陽能熱泵的聯(lián)合運(yùn)行可以達(dá)到穩(wěn)定制熱的目的。

2 太陽能-水源熱泵復(fù)合系統(tǒng)

太陽能與水源熱泵的復(fù)合系統(tǒng)大體上分為以下4類：太陽能-地表水源熱泵系統(tǒng)、太陽能-地下水源熱泵系統(tǒng)、太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)及太陽能高溫水源熱泵系統(tǒng)。

2.1太陽能-地表水源熱泵系統(tǒng)

在這方面除了傳統(tǒng)的組合方式外，馮毅提出了把太陽能吸收式制冷與地表水源熱泵結(jié)合起來的地表水源環(huán)保型太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)，即把太陽能系統(tǒng)的吸收器和冷凝器放置在河水里；太陽能系統(tǒng)的集熱器放置在河流上；充分利用河水對(duì)流進(jìn)行傳熱交換，使冷凝管中的制冷劑與河水發(fā)生對(duì)流傳熱其原理，如圖1所示。

該系統(tǒng)以溴化鋰-水為工質(zhì)對(duì)，此系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①吸收器和冷凝器，浸泡在河水中，利用河水的自然流動(dòng)發(fā)生對(duì)流傳熱，增加了換熱效率，提高了系統(tǒng)的K值；

②河岸邊放置太陽能系統(tǒng)的集熱器，河流里放置主機(jī)設(shè)備；

③該系統(tǒng)由蒸發(fā)器制取冷量，所產(chǎn)生的冷量經(jīng)管道送到空調(diào)區(qū)；

④該系統(tǒng)和冷卻水塔式太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)相比，不僅性能更加優(yōu)越，而且由于沒有建造冷卻水塔，從而節(jié)約了水資源，降低了初投資。

⑤和電壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)也節(jié)省了引發(fā)熱島效應(yīng)的附加能耗，相應(yīng)的減少了CO2的排放量。

2.2 太陽能-地下水源熱泵系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要是指把太陽能與地下水的水源熱泵系統(tǒng)復(fù)合而成的多熱源熱泵系統(tǒng)。王健強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)的雙井抽管型地下水源熱泵與太陽能相組合的形式進(jìn)行了研究。其交替運(yùn)行原理圖，如圖2所示。

該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中利用太陽能與地下水為綜合熱源，對(duì)這兩種熱源的優(yōu)點(diǎn)加以利用同時(shí)大大消弱了傳統(tǒng)的只有一種熱源的熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)。組合方式一般有兩種：

一種是串聯(lián)模式：當(dāng)陽光充足時(shí)，地下水經(jīng)過集熱器加熱，流入蒸發(fā)器，再流入回灌井。當(dāng)陽光不足時(shí)，地下水直接流入蒸發(fā)器，而不經(jīng)過集熱器。

另一種是交替模式：當(dāng)陽光充足時(shí)，利用太陽能加熱儲(chǔ)熱水箱中的水。陽光不足時(shí)，地下水直接流入蒸發(fā)器。太陽能-地下水源熱泵系統(tǒng)可冬夏兩用，在非供暖季節(jié)，可直接利用太陽能系統(tǒng)制取生活熱水。不但可以減小傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)集熱器面積和儲(chǔ)熱水箱體積，而且在供熱量相同的情況下，也可減少地下水的抽取量，節(jié)約能源。

2.3 太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)

此統(tǒng)主要是指把太陽能利用和海水的水源熱泵系統(tǒng)綜合利用而成的多熱源熱泵系統(tǒng)。以海水為冷熱源的熱泵系統(tǒng)在國外已有近20多年的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，但是現(xiàn)階段我國對(duì)于此類系統(tǒng)應(yīng)用仍處于工程示范階段。一些相關(guān)研究和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果顯示，海水源熱泵具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是安裝場(chǎng)地受到實(shí)際條件的限制。但是由于用戶端的冷熱負(fù)荷不斷波動(dòng)，如果按照最不利工況計(jì)算海水源熱泵的設(shè)備容積，將會(huì)使換熱器面積過大，所以考慮用增加輔助熱源。

該系統(tǒng)的運(yùn)行方式有2種，一是同時(shí)供暖，二是交替供暖。此系統(tǒng)在運(yùn)行過程中綜合利用了太陽能與海水能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大大消弱了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中只有一種熱源的熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)。與單一熱源的熱泵系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的設(shè)備容積減少，提高了制熱制冷系數(shù)，以最大限度實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。夏季海水源制冷裝置的制冷效率可比現(xiàn)有的空氣源制冷裝置提高近1倍。冬季供暖能源效率約為鍋爐供暖方式的3倍，同時(shí)由于COP值的提高使得該系統(tǒng)對(duì)CO2的減排起到一定的效果。

2.4 太陽能高溫水源熱泵系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要是指同時(shí)利用太陽能和高溫?zé)崴鳛榫C合熱源熱泵系統(tǒng)。

王晉聲介紹了與太陽能-高溫水源熱泵組合的一個(gè)工程實(shí)際案例。利用通過太陽能加熱水源熱泵的一次水進(jìn)水，從而提高水源熱泵的出水溫度。其實(shí)際出水溫度可達(dá)90 ℃可以局部代替熱水鍋爐。其太陽能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖和高溫水源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，分別如圖3和圖4所示。

高溫水源熱泵的原理是逆卡諾循環(huán)。主要的困難在于現(xiàn)階段對(duì)于水源熱泵的組件上，仍然存在很大的問題。特別是在較高的溫度下，制冷劑和壓縮機(jī)和熱交換的工作條件和傳統(tǒng)相比更惡劣。額外的太陽能集熱系統(tǒng)使得內(nèi)部再也找不到合適熱源的地區(qū)也可以應(yīng)用于水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。太陽能集熱器運(yùn)行系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性的問題可以通過使用適當(dāng)?shù)谋厮浣鉀Q。

3 太陽能熱泵技術(shù)新進(jìn)展

在2012年，曲世琳等人通過對(duì)儲(chǔ)熱水箱的研究分析，提出儲(chǔ)熱水箱會(huì)對(duì)太陽能-水源熱泵系統(tǒng)性能特性會(huì)產(chǎn)生影響，并提出了太陽能水源熱泵系統(tǒng)中針對(duì)于復(fù)合地板輻射采暖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過具體的某地某一天的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了優(yōu)化以陽能-水源作為綜合熱源的復(fù)合地板輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，也為研究太陽能-水源熱泵系統(tǒng)提供了很好的方法。

在2015年，張?jiān)龅热嗽O(shè)計(jì)了一種針對(duì)銀川地區(qū)氣候條件的太陽能水源熱泵系統(tǒng)，并對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析蒸發(fā)端水溫會(huì)對(duì)熱泵系統(tǒng)的吸熱量、壓縮機(jī)吸排氣壓力、制熱量以及壓縮機(jī)制冷制熱系數(shù)產(chǎn)生影響。他們的研究結(jié)果為太陽能水源熱泵的研究提供了具體實(shí)在的例子。

4 結(jié) 語

綜上研究，可以得出太陽能-水源熱泵的運(yùn)行不僅可以提高熱泵系統(tǒng)的制冷制熱系數(shù)，而且太陽能-水源熱泵系統(tǒng)作為一種同時(shí)綜合太陽能系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的新型節(jié)能系統(tǒng)，其靈活多樣的組合方式，拓寬了水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

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