太陽能輔助熱泵系統的研究現狀

史俊杰

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

太陽能熱泵系統由于結構簡單、成本低、運行穩定、收集太陽能效果良好，已被廣泛應用于生活熱能供應。熱泵通過使用電網電力和常用的低品位熱源，可以為建筑物和基礎設施提供穩定的供熱。但由于天氣的影響，太陽能熱泵在供暖應用方面存在間歇性和不穩定性問題。若將太陽能集熱板與熱泵結合起來，可以克服獨立太陽能熱泵系統熱供需不匹配以及獨立熱泵系統運行時間長、低能源效率和高能耗等問題，從而為建筑和基礎設施提供穩定、可靠、經濟和高效的熱能。因此，太陽能輔助熱泵系統在全球獲得了廣泛的關注，相關的研究、開發和應用在過去的幾十年里一直在快速發展。

本文對太陽能輔助熱泵系統研究的進展進行了評述，探討如何提高太陽能效率、熱泵能效和快速響應時間的太陽能輔助熱泵系統，并討論了太陽能輔助熱泵系統發展的未來前景。這將有助于加速太陽能輔助熱泵系統新技術的發展，從而減少化石燃料使用，加速太陽能技術應用，減少碳排放，助力“碳達峰”和“碳中和”。

1 太陽能輔助熱泵系統的潛在挑戰

太陽能輔助熱泵系統主要由太陽能集熱模塊、熱泵模塊和蓄熱換熱器模塊組成。這些模塊之間的不同組合方式形成了不同類型的太陽能輔助熱泵系統。一般來說，太陽能輔助熱泵系統可以大致劃分為并聯、串聯和組合類型。串聯系統可以安裝在直接膨脹或間接膨脹裝置中。通過將并聯和串聯系統集成在一起，可實現雙源太陽能輔助熱泵系統，該系統是并聯和串聯的組合。系統可以在太陽能直供模式、熱泵直供模式、太陽能輔助熱泵供能模式三種模式下運行。雖然太陽能輔助熱泵在技術和應用方面取得了很大進展，但在以下方面仍存在一些挑戰和差距。

1.1 低溫環境下性能差

當環境溫度較低時，由于太陽能集熱器的熱效率較低，使得熱泵在寒冷天氣條件下的COP 較低，最終導致太陽能輔助熱泵的能效將顯著降低。隨著熱泵體積效率逐漸降低，壓縮機排氣溫度逐步升高，導致壓縮機壓縮比持續增大，制冷劑質量流量的逐漸減少導致運行效率進一步降低。此外，蒸發器結霜會影響熱泵性能，被阻塞的蒸發器表面顯著降低了熱泵的熱容量和COP。為了減輕除霜對熱泵性能的影響，可通過使用二氧化碳循環、輔助鍋爐、翅片管太陽能集熱器/ 蒸發器、微通道傳熱技術、PCM 和蒸氣噴射循環等技術手段予以改善[2]。

1.2 建筑物熱需求與太陽能輔助熱泵熱供給不匹配

北半球太陽輻射在夏季多而冬季少，其水平在日、周和季節的不同周期上都有波動。另一方面熱泵在較高的環境溫度下具有更好的性能，而在較低的溫度下不僅效率低下，而且電耗顯著。然而，建筑物在低環境溫度下的熱需求較高，這就造成了建筑的熱需求和太陽能輔助熱泵的熱供給無法有效匹配。

諸多研究均在努力解決建筑物熱供需不匹配的問題，如比較流行的太陽能輔助地源熱泵系統（SAGSH）。太陽能輔助地源熱泵通過將太陽能注入地面，可以同時消除土壤的熱環境惡化和地面的溫度降低的問題，從而提高系統效率，保持系統運行條件更加穩定。結果表明，與傳統的地源熱泵相比，太陽能輔助地源熱泵系統實現了更高的COP。

2 太陽能輔助熱泵技術的研究現狀

太陽能輔助熱泵技術實現了太陽能與熱泵兩者之間的優勢互補，以提高COP 為目標，通過儲能設備實現了極端氣候的供熱需求。

自1984 年以來，國內外學者在輔助熱泵系統技術的研發上做過諸多嘗試，CHATURVEDI 等[2]將太陽能集熱器與翅片管換熱器并聯，通過閥門切換使其一作為熱泵的蒸發器。而陳雁[3]等[3]將平板太陽能集熱器與翅片管換熱器串聯，集熱器加熱后的熱風輸送至熱泵蒸發器不僅提高了熱泵的蒸發溫度同時解決了集熱器冬季結霜問題。而后WANG 和QUAN 等[4]進一步設計了PV/T 與熱泵結合的系統，同時實現了光電與光熱轉化，因PV/T隨著溫度升高光電轉化率降低，系統通過不同循環方式將PV/T 工作溫度控制在合理范圍，并將余熱回收并如系統內，最終實現系統整體效能提高。

為降低空氣源熱泵的壓縮比以提升低溫運行性能。YAN、CHEN 以及ZHU[5-7]等將噴射器應用于空氣源熱泵，通過回收節流過程中損失的膨脹功，提升了壓縮機的吸氣壓，從而降低了壓縮機的壓縮比。Siyuan Ran[8]等提出了一種使用多功能蒸發器的帶有熱虹吸管的混合太陽能-空氣源熱泵。該系統可以從單一熱源（即太陽能或環境空氣）或它們的組合吸收熱量。此外，它可以根據太陽強度在熱虹吸模式或熱泵模式下工作，在太陽能充足的情況下，甚至可以通過太陽能熱虹吸模式提供熱量而無需能耗。

對于利用太陽能熱泵供暖系統的應用方面，R.LAZZARIN[9]重點分析了作為熱泵冷源的太陽能對外部空氣的可能貢獻，評估了太陽能與空氣源的不同集成模式。同時，JIBO LONG[10]等提出了一種混合太陽能熱水和空氣源熱泵（HSAHP）組合供暖系統。該系統可以實現多種連接方式，如太陽能熱水（SHW）和空氣源熱泵（ASHP）并聯供暖模式，太陽能熱水作為空氣源熱泵熱源的串聯供熱方式和預熱式接入方式。通過文章中給出的HSAHP 組合供熱系統的最佳能效面積圖可以針對不同的天氣情況切換不同的運行方式。

3 太陽能輔助熱泵的發向方向

3.1 多源熱泵

能效問題是熱泵開發和實施中倍受關注的問題，有效利用多種能源是提高能源效率、減少化石燃料消耗的最切實可行的途徑。將多個源集成到一個熱泵系統是一個微妙的過程，涉及仔細的設計和規劃、模擬和優化以及基于實驗室和現場測試。設計理論、仿真方法、部件選擇與表征、系統的技術性能測試與評價以及社會經濟性能評價是創建成熟的、可廣泛部署的多源熱泵系統需要解決的主要問題。

3.2 利用廢熱和可再生能源進行熱泵除霜

熱泵除霜需要消耗大量電能，利用高溫排風可以有效解決熱泵除霜問題。空氣除霜具有投資成本低、無需改造、易于控制等優點。

除廢氣外，其他廢棄物和可再生能源也可用于熱泵除霜。在熱水溫度為40 ～50 ℃，環境溫度約為0 ℃，平均太陽輻射為300 W/m2的條件下，太陽能收集效率可能會低于20%。為了避免極其低效的熱量收集，水溫可以設置為10 ～20 ℃。雖然不適合供暖，但用于除霜是足夠的。因此，太陽能在冬季得到有效利用，從而縮短了太陽能輔助熱泵系統的回收期。

3.3 先進的蓄熱換熱器

蓄熱換熱器是建立建筑熱需求和太陽能輔助熱泵熱供應之間平衡的一個工具。蓄熱換熱器也有望快速響應建筑的熱需求，并通過利用太陽能提供即時熱供應。這能延長太陽能系統的使用時間，減少熱泵的運行時間，從而大大降低整個太陽能輔助熱泵的電力消耗。然而，要創建最有效的蓄熱換熱器，仍然需要結構優化、介質選擇和表征以及相關控制策略的制定等多方面的綜合性研究。這將最大限度地利用太陽能，并將熱泵運行所需的電能減少到最低限度。此外，熱量供需之間的非互補性問題也得到緩解。

4 結語

本研究對太陽能輔助熱泵的研究與開發工作進行了評述。研究發現，在節能減排的大背景下，阻礙其進一步發展的主要原因有：（1）低溫環境下性能差；（2）建筑物熱需求與太陽能輔助熱泵熱供給不匹配。基于上述問題，提出了三個研究方向：（1）多源熱泵的開發；（2）利用廢棄物和可再生能源的熱泵除霜技術；（3）先進的蓄熱換熱器技術。本文的研究有助于加速太陽能輔助熱泵系統的發展，助力“碳達峰”和“碳中和”。