太陽能熱泵發展與分析

胡志鵬 劉文杰 李吉星

1．山東省產品質量檢驗研究院 山東濟南 250000

2．山東建筑大學 山東濟南 250000

我國經歷了四十年改革開放的迅速發展，傳統能源消耗殆盡。大量化石能源的利用造成了嚴重的環境污染問題。隨著人民生活水平的不斷進步以及對生活質量要求的不斷提高，采暖和空調所消耗的能源日益增加，能源的使用量與能源的儲備量互相矛盾，因此高效的能源使用方法和新的能源結構是改善當今能源形勢的兩個重要措施[1]。

可再生能源代替傳統的化石能源是解決傳統能源危機的重要方式，中國的地理位置位于亞洲大陸東部分，大部分地區的太陽年日照時間大于2000h，最高可達2800h-3300h，處于利用太陽能較有利的區域內，只要具有一定的技術水平和必要的資金投入就可以自由利用。我國北方地區冬季溫度極低，傳統的空氣源熱泵效率低，換熱器蒸發溫度處于零下的時候會存在結霜現象，濕度越大結霜越嚴重，霜層的增加降低了換熱器的傳熱系數，使得相變溫度進一步下降，導致換熱器吸熱量減少，循環效率COP降低。電阻絲加熱或者制冷劑倒流的除霜方式都提高了設備的初投資，并且降低了其實用性，但是冬季太陽能集熱器不受溫度影響，兩者的復合成為了必然，越來越多的研究人員將目光灑向了太陽能熱泵領域。

本文主要論述的是太陽能輔助熱泵中的雙熱源式太陽能復合熱泵，雙熱源式蒸發器結構復雜，卻可以同時吸收空氣能和太陽能，因此國內許多研究實驗進行了雙熱源換熱器的形式創新。通過改進雙熱源換熱器形式、構造，以達到提高整個太陽能熱泵系統效率的目的。

1 太陽能熱泵系統組成單元與分析

太陽能熱泵系統分為太陽能驅動熱泵系統和太陽能輔助熱泵系統兩種，太陽能輔助熱泵通常是指作為太陽能熱利用系統輔助裝置的熱泵系統，包括獨立輔助熱泵和以太陽輻射熱能作為蒸發器熱源的熱泵[1]。太陽能輔助熱泵系統中又根據集熱介質的不同分為了非直膨式太陽能輔助熱泵系統和直膨式太陽能輔助熱泵系統，其中非直膨式太陽能輔助熱泵系統中又依照太陽能集熱單元與熱泵單元的耦合類型分成了串、并聯和雙熱源式三種類型。本文主要分析改進雙熱源蒸發器對系統的影響，因此主要概述雙熱源太陽能熱泵系統。雙熱源太陽能熱泵系統只是熱泵單元的蒸發器部分特殊，其余部分也是由太陽能集熱單元、熱泵單元、輔助蓄熱等組成。雙熱源太陽能輔助熱泵系統如圖1所示。

圖1 雙熱源太陽能輔助熱泵系統

雙熱源輔助熱泵系統同時具有水源和空氣源兩種熱源，并且有兩種熱源分別對應的蒸發器，雙蒸發器并聯關系，水源蒸發器與太陽能集熱系統串聯關系，系統共用同一冷凝器、膨脹閥、壓縮機。其中太陽能的熱量提升了蒸發器側的溫度，降低了吸放熱溫差，從熱力學角度提高了整個系統的效率，并且太陽能的熱量起到了一定的預防結霜問題的作用，一舉兩得的應用，并且此系統可以經過簡單的設計使其具有制冷的能力。Freeman和Mitchell[2]早在1979年就運用TNYSYS軟件建立模型并模擬對比了雙熱源式太陽能熱泵系統與串并聯式太陽能熱泵系統，實驗結果表明了雙熱源式系統的能效性最佳。

1.1 太陽能集熱單元

太陽能集熱單元是太陽能收集的主要部分，其太陽能的收集效率與經濟型是制約太陽能輔助熱泵系統發展的主要因素。太陽能集熱管的數目體現了整個系統的可投資性，OmerComakli通過實驗分析發現，系統所需要的集熱器數目到達一定數目后，數量繼續增加25%，系統初投資增加了71%[3]。顯而易見，在實際的工程應用中，集熱管不能僅僅依據系統熱負荷計算所需要的數量，而要考慮到經濟性找到集熱單元的最佳數目。由于太陽是低密度能量，不同的擺放角度對整個集熱單元的影響很大。上海交通大學孫振華建立了直彭式太陽能熱泵系統的集總參數法的數學模型，通過太陽總輻射計算公式（1）和cosθt計算公式（2）：

其中，IT表示投射在水平表面上的輻射強度，Idh表示投射在水平表面上的漫輻射強度；θt表示太陽直射對傾斜表面和水平表面的投射角，β表示集熱板安裝傾角，ρ表示地面對太陽全輻射的反射率，是入射角，δ是赤緯角，ω是時角，Φ為當地緯度，是集熱板的表面傾角。經過計算角度偏差30°，太陽輻射相差了400W/m2。

1.2 熱泵單元

熱泵單元是高效率低品位熱利用的主要部分，也是太陽能輔助熱泵系統中的核心。主要分為壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流閥這四部分。太陽能輔助熱泵的實質是通過太陽能的輔助改善了傳統熱泵蒸發器的工況，從而避免了熱阻增大、蒸發溫度降低、壓縮機的壓縮比過大、系統效率降低等問題。J.G.Cervantes利用熱力學分析法[4]，得出了熱泵單元的火用損失主要在蒸發器中，因此雙熱源蒸發器在太陽能熱泵系統中占有主導地位，高效的利用雙熱源的同時又要降低整個蒸發換熱器的體積以及制造工藝，是太陽能輔助熱泵中熱泵單元的主要研究方向。

2 雙熱源蒸發器的研究與分析

我國的熱泵技術已經發展成熟，但太陽能熱泵技術起步較晚，主要的研究突破都是在近幾年完成的。并聯式太陽能輔助熱泵由于系統簡單、實用性較強的原因，是國內實際工程應用的首選。雙熱源太陽能輔助熱泵的發展受到蒸發換熱器的限制，國內研究學者也對蒸發器進行了實驗及理論研究。中原工學院、山東建筑大學、中傲公司等先后創新改進了雙熱源蒸發器結構，并且利用建立數學模型和實驗驗證了實際系統效率的提高。

中原工學院的周光輝創新了一種換熱器“翅片-套管式雙熱源復合換熱器”[5]，并對“翅片-套管式雙熱源復合換熱器”組成的雙熱源太陽能輔助熱泵系統進行實驗研究和理論分析。主要的創新點是一套翅片一套復合式換熱器，平均室外溫度取-10℃，系統在北京項目低溫環境下COP平均提高了40%。其結構如圖2所示，通道1為太陽能熱水，通道2中制冷劑R22，太陽能熱水和室外空氣同步換熱。通道1中流的太陽能熱水為制冷劑提供了熱量，提高了蒸發溫度，整個系統的效率較普通的空氣源熱泵提高了22%。

圖2 中原工學院太陽能-空氣雙熱源復合換熱器原理圖

但是此設計結構的換熱器存在制造工藝復雜的缺點，并且在特殊的環境工況下，太陽能熱源與空氣熱源的溫差過大時，蒸發器內制冷劑的蒸發溫度介于太陽能熱水和空氣溫度之間，部分熱量會從高溫熱源經過制冷劑轉移到低溫熱源中，造成一定的熱損失，此時的系統換熱效率低于單熱源熱泵系統[6]。

山東建筑大學的魏林濱、王強教授設計了一種新型陽臺壁掛太陽能—空氣源復合熱泵系統，該系統的優勢在于利用太陽能蓄熱水經過蒸發器達到除霜的效果，系統著重于蒸發器內的流動匹配。充分利用了低品位的太陽能，實現太陽能熱效應和空氣源熱泵的優勢互補，既可有效提高空氣源熱泵冬夏季運行的可靠性，又可提高夏季陰雨天氣、過渡季節及冬季太陽能熱水器運行的穩定性。但是該新型陽臺壁掛太陽能—空氣源復合熱泵系統控制復雜，總共有8個控制電磁閥門，控制系統復雜，設備的初投資較高，不適合分散式采暖推廣。在額定工況（高溫，室外7℃）下，系統的COP為2.4，在制熱性能上還有很大的提升空間[7]。

中傲公司所研發生產的太陽能-空氣源熱泵機組將太陽能和空氣能兩種低品位能源作為復合熱源，額定工況系統COP為3.32，創新點是新型的室外蒸發器，蒸發器同時具有雙熱源流路，雙熱源流路排管按照1：3分配，太陽能集熱單元的熱水管分布在蒸發器外側，四排管共用一組翅片，雙熱源的流道單獨設計，環保制冷劑R407C、太陽能熱水、空氣三種流體在換熱器中準雙逆流換熱，既滿足了冬季低溫環境下的雙熱源復合的高效率，又可以降低夏季使用時的冷凝溫度。同時，可使蒸發溫度提高到零度以上，能比較有效的解決傳統熱泵空調裝置室外換熱器在冬季運行時效率低，結霜、除霜動作頻繁的問題，提高了裝置運行的可靠性，具有高效、節能、環保的特點。并且設備控制簡單，只需季度切換，只有3個控制閥門。太陽能-空氣源復合熱泵系統圖如圖3所示[8]。

3 發展展望

雙熱源蒸發器的研究發展提高了雙熱源太陽能輔助熱泵的效率和經濟性。國內研究人員通過對換熱器結構的改造，實現了系統利用太陽能集熱量進行除霜，同時避免了太陽輻射度較低情況下的熱量回流現象，提高了雙熱源太陽能熱泵系統的穩定性，平均COP得到了保障。通過對套管換熱器的改造組合，強化熱傳導性，改善空氣源熱泵單元的除霜問題，是太陽能-空氣源復合熱泵技術優化的途徑之一，并且依然存在提升的前景。

蒸發器的結構改造盡管提高了效率，但是同時也提高了結構的制造工藝以及系統的復雜性，例如中傲公司的雙熱源流路排管按照1：3分配、三種流體在換熱器中準雙逆流換熱等等。并且由于空氣蒸發器與太陽能水源蒸發器設計在一個換熱器內，而換熱器所需要的設計符合依然不變，所以雙熱源的室外蒸發器占地面積大，進一步降低了工程實用性。因此未來雙熱源太陽能熱泵系統的發展前景是結構的創新改造應該在追求效率的同時注重其經濟實用性，系統效率與初投資相匹配。

圖3 太陽能-空氣源復合熱泵系統圖

熱力學的火用是對整個系統能源品質的綜合評價，通過熱力學計算發現30%的火用損失存在熱泵的壓縮機部分，因此未來的研究改進應該主要從部件結構改造、相變蓄熱技術的應用、光伏光熱的聯合利用、控制策略優化切入研究。

4 結語

太陽能是21世紀最有發展潛力的能源，也是清潔的可再生能源，利用太陽能作為輔助熱泵的能源提高了熱泵對環境的適應性，太陽能與空氣能雙熱源熱泵有著明顯的優勢。通過對換熱器的結構改造能夠有效地克服太陽能本身所具有的能量密度低、不連續和低密度的特點以及空氣源熱泵冬季供熱效率低、容易結霜和頻繁除霜的不足，實現雙熱源的匹配。雙熱源太陽能熱泵蒸發器的研究與發展方向依舊是不斷地研究開發新型結構，并且具有很高的研究上限。其中雙熱源蒸發器的經濟性是雙熱源太陽能輔助熱泵應用推廣的重中之重。