太陽能光熱空氣源熱泵制熱技術研究

韓娜麗

摘要：在國家大力推行節能降耗減排發展戰略的背景下，太陽能光熱空氣源已經在直膨、水箱換熱、相變蓄熱等方面獲得研發進步，其中的直膨式太陽能熱泵具有較好的制熱系數，可以達到普通熱水器的3倍，而水箱換熱式太陽能制熱系統的節能效果比較好，相變蓄熱型熱泵的制熱系數可以達到3.31，因此這三種太陽能熱泵已經成為重點研究內容。本文首先分析直膨式太陽能光熱熱泵制熱技術，其次探討水箱換熱和相變蓄熱太陽能光熱熱泵制熱技術，以及對相關研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：太陽能;光熱空氣源;熱泵制熱技術

1直膨式太陽能光熱熱泵制熱技術

在直膨式太陽能熱泵中，其制熱系統的工作原理，實際上是使用太陽能集熱器替代風冷蒸發器，將通過吸收太陽能獲得的輻射熱量作為低位熱源，將對流產生的空氣能作為輔助型低位熱源，可以切實滿足使用者對于熱負荷的需要。因為太陽能輻射熱能通常會比空氣能高，所以技術人員應該提升空氣源熱泵的制熱能力，制熱系統的差異性主要展現在冷凝器上，按照其使用的冷凝器可以將其分為三類：浸入式、外繞式、熱虹吸式冷凝器。

1.1侵入式冷凝器

這種冷凝器一般會在水箱內部和冷水發生直接接觸形成換熱現象，具有比較高的換熱效率、較強的制熱能力。由于冷凝器長時間處于制熱狀態，非常容易和水中的鈣離子、鎂離子、氯離子出現化學反應，因此工作人員需要提前對箱內水體實施軟化處理，防止冷凝器表面出現水垢，確保銅管并不會由于水垢限制傳熱出現被燒壞的現象。除此以外，水中含有的氯離子通常會對銅金屬和鋼金屬產生腐蝕，因此工作人員需要提前對浸入式冷凝器實施防腐處理，才能夠進一步提升直膨式太陽能熱泵的制冷效果。

1.2外繞式冷凝器

對于使用外繞式冷凝器的直膨式太陽能熱泵而言，冷凝管通常會盤繞在金屬水箱的外表層，因此工作人員應該在冷凝管的外側位置設置一層保溫層或外殼，能夠使制冷劑和水體進行分離，確保加熱之后水體不會受到污染而受到影響，依舊可以正常流通。但是被加熱的水體和冷凝器之間具有一層金屬間壁，為了避免水箱內壁受到腐蝕，一般會使用搪瓷材質的內膽，這將會影響冷凝器的換熱效果。因此技術人員通過增加盤繞式冷凝管的數量，通過加大換熱面積的形式解決換熱效果下降的問題。

1.3熱虹吸式冷凝器

在直膨式太陽能熱泵中運用熱虹吸式冷凝器，將熱虹吸作為動力，能夠完成冷凝器和水箱之間的換熱。套管下方的水體在加熱后會因為密度變化出現上浮現象，若是在水下密度比較大的水體泵上，安裝用于換熱處理的套管，可以實現反復循環制熱處理。在直膨式太陽能熱泵制熱系統其他元件均一致的條件下，熱虹吸式冷凝器具有的安全穩定性通常會高于浸入式冷凝器。

經過對比分析可知，浸入式冷凝器具有的制熱能力比較好，但是安全穩定性比較差，而外繞式冷凝器具有較強的安全性，但是制熱效果不佳。冷凝側水箱一般用于供應生活熱水，也可以將其視為緩沖水箱用作供暖，可以防止高頻開啟、暫停熱泵機組導致的噪音和電壓沖擊力。

2 水箱換熱式制熱系統

若是按照水箱換熱式太陽能熱泵的集熱單元進行劃分，可以將其分為非嵌套式水箱換熱制熱的集熱單元和嵌套式水箱換熱制熱系統的集熱單元。

2.1非嵌套水箱換熱集熱單元

該類集熱單元和空氣源熱泵單元屬于相互獨立的狀態，二者之間不會牽涉到換熱問題，僅僅依靠單元內部的自制熱量蓄熱水箱內部冷水，從而切實滿足供暖和供給生活用水的需要。在日常應用水箱換熱式制熱系統時，僅利用太陽能集熱單元即能夠達到供應熱水的目標，在太陽能集熱單元并不能充分滿足熱量需要時，空氣源熱泵方會投入到制熱系統中。該系統中的空氣源熱泵單元具有的制熱能力和普通的熱泵基本是一致的。在夏季時，可以將空氣源熱泵單元視為室內環境的蒸發裝置，在供給生活熱水的基礎上，其還可以運用在空調制冷環節中，其和普通空調系統和熱水器相比，全年平均節能效果可以達到25%到50%。

2.2嵌套式集熱單元

嵌套式集熱單元和空氣源熱泵單元一般是使用蓄熱水箱進行連接的，會產生互相嵌套狀態的換熱結構。太陽能集熱單元實際上是運用蓄熱水箱實施換熱的，有助于提升空氣源熱泵的制熱效果，可以供給生活熱水。嵌套式集熱單元可以在夏季時供給熱水、用于空調制冷，在其供暖的末端位置，可以直接運用輻射能量進行供暖，防止水暖和制冷劑出現換熱能耗，能夠提升系統的制熱效果。

3相變蓄熱式制熱系統

第一方面，優化改進直膨式太陽能熱泵系統，技術人員通常會在集熱器的排氣口和進氣口上安裝一個相變蓄熱設備，在天氣晴朗時，制冷劑能夠將吸收的太陽能直接儲存在蓄熱設備中，不但能夠為夜間制熱存儲一些低位熱源，確保熱泵可以進行高效率的制熱，而且可以進一步管控壓縮機進口位置的制冷劑溫度，防止該位置出現熱量過高以及壓力過大的問題，保證壓縮機處于正常運行狀態。

第二方面，研發設計套管蓄能換熱器，這種新型的換熱器實際上是基于空氣源熱泵蒸發器的基礎上研發的，在制冷劑銅管位置依次安裝相變蓄熱處理套管、水環路式套管，且需要在套管的中間位置安裝一些肋片，從而加強換熱結構的支撐效果。若是將套管蓄能換熱器運用到水箱換熱制熱系統上時，水環路套管會在集熱器位置吸熱，而套管蓄能換熱器可以直接將能量傳輸到相變蓄熱套管，制冷劑通過吸收蓄熱材料的熱能，可以達到高效制熱循環發展的目的。

第三方面，運用相變蓄熱水箱，水箱內部的相變材料封裝規格比較小，能夠有效提升太陽能熱泵的集熱效果，其在供暖的初始階段以及結尾具有顯著的供熱效果。

結論：綜上所述，為了提升太陽能熱泵系統在各種安裝環境的適應性，相關單位可以根據實際負荷需要，選擇一種太陽能空氣源熱泵技術或是綜合運用多種太陽能熱泵技術，才能夠提升太陽能熱泵系統的實際應用效果。

參考文獻：

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基金項目：安徽省高等學校自然科學研究重大項目“光伏-太陽能熱泵系統的性能研究”（項目編號：KJ2020ZD84）