基于化学热泵的太阳能综合利用系统

赫明春 席振乾

（山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南250061）

1 研制背景及意义

据测算，使用一平方米太阳能热水器，相当于每年节约120公斤标准煤。2007年发改委的《可再生能源中长期发展规划》中明确提出到2020年，全国太阳能热水器总集热面积达到约3亿平方米，加上其他太阳能热利用，年替代能源量达到6000万吨标准煤。资料显示，太阳能热水器销售量在2007年已经达到1200万平方米，并以每年20%-30%的速度迅猛发展。太阳能热水器不但设备简单易用，而且为国家节约了大量资源，是家用设备从常规能源体系转向可再生、绿色能源体系的一项成功案例。

与此同时，市场上新兴的热泵热水器与传统热水器相比已有较大的节能效果，但是其制热效率受到环境条件的制约，效率较低。并且由于光照时间与光照强度的不稳定性，太阳能热水器往往不能和用户需求相契合，白白损失了大量的能量。

基于以上背景，我们希望通过太阳能与化学热泵的巧妙结合来补足目前主流太阳能热水器的缺点，大幅度提高太阳能的使用效率，实现全方位、多功能的利用，不仅可以加热生活用水，而且可以制冷制热。化学热力循环系统也可以实现不受时间限制的高密度、高转化率的储能。没有污染、造价不高的太阳能化学热泵系统弥补了传统供热空调系统大量消耗常规能源的缺点，响应了国内建设不耗能生态建筑的号召，对解决环境危机和能源短缺有相当的意义。

2 设计方案

2.1 设计思路

本设计充分利用了化学热泵与太阳能结合的作用，将化学热泵的作用最大化，这不仅实现了普通热泵的供暖作用，还能够用于制冷和蓄热。

2.2 工作原理

整个循环过程可分为解离期和络合期。在解离期,处于中温TM(约40－45℃)的氯化钙二甲醇络合物被高温 TH(约 110－130℃)热源加热至接近TH,发生解离反应,吸收热量QH,释放出气体工质甲醇。该气体被冷却降温至中温TM,冷凝放出热量QM2,变成液体甲醇,随后循环进入络合期。蒸发器中液态甲醇在低温TL(约10－5℃)下蒸发,从环境中吸收热量QL,取得制冷效应。汽化的甲醇与解离的产物氯化钙发生络合反应放出热量QM1,同时床层逐渐被冷却至TM,至此完成一个循环。其结果是系统消耗了高温热量QH,除了直接传热给中温热源TM外,还从低温热源TL中吸收热量QL,产生额外供热量,达到增热和制冷的目的。

2.3 工质对选择

以氯化钙甲醇络合物作为工质的热泵系统有许多优点：

（1）甲醇有较低的冰点（－98℃）,热泵循环既可用于供热,又可用于致冷;

（2）甲醇蒸气有较高的冷凝温度（64.7℃）,即使夏季气温高达40℃,以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来;

（3）室温下甲醇有较高的饱和蒸气压,使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压,不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统,在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险。

2.4 装置简介

如图1所示，此系统由两个循环系统组成。一个是太阳能热水循环系统,一个是化学热力循环系统。

运行过程如下：

1中的甲醇液体温度约为40-50℃，经过12进入6内，此时甲醇温度可降至-15℃左右，7通过传热介质进入6与甲醇进行热交换，6中甲醇蒸发吸热，此时可以起到制冷作用。

图1 基于化学热泵的太阳能综合利用系统图示

打开11后，甲醇蒸气通过11进入5中，与5中的无水氯化钙结合形成氯化钙二甲醇放出大量的反应热。此时，3中的冷水进入5，吸收反应放出的热量后升温至45℃左右，回到3中供用户使用。

4在吸收太阳能之后通过传热介质进入5中，5中的络合物吸热至一定程度后分解，反应产生温度约为130℃甲醇蒸气。蒸气通过10后进入分叉管，由于10只能单向通过，从而保证了蒸发后的甲醇不会冷凝回流至5。关于进入分叉管的甲醇蒸气，在冬季，室内温度低，则关闭8打开9，甲醇蒸气通过2将温度传递给水，可将水加热至约50-60℃，继而通过暖气片给室内供暖。而在夏季，由于不需要供暖，则关闭9打开8使甲醇降温冷凝后直接进入贮存在1中。从而完成一个循环过程。

3 应用前景

3.1 利用甲醇作为循环工质，充分利用甲醇相变释放的潜热

甲醇作为一种良好的相变材料，能够很好的适应吸热放热的需求；第一，甲醇有较低的冰点，在热泵循环中既可用于供热又可用于致冷；第二，甲醇蒸气有较高的冷凝温度，即使夏季气温高达40℃，以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来；第三，室温下甲醇有较高的饱和蒸气压，使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压，不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统；在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险；第四，甲醇的反应温度广，与主要工业金属不发生反应，因此对系统设备不具有腐蚀性；第五，甲醇的含量丰富，造价低，系统一段运行时间后维护成本较低；第六，甲醇是绿色物质，在正常情况下是无色有酒精气味的液体，使用不会对地球的热平衡以及周围环境造成影响。

3.2 利用甲醇贮存箱可以在无太阳能输入的情况下提供热量

甲醇贮存箱中的液态甲醇在阀门开启的情况下，进入蒸发器内与低温热源换热，在低压条件下吸收低品位热量蒸发，在反应器中与无水氯化钙结合放出高品位的化学能，从而完成热泵的作用。而所有的能量均来自于太阳能对于氯化钙二甲醇络合物的分解，由此达到了太阳能的贮存作用。

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