浅析太阳能热泵—地板辐射采暖系统的应用研究

刘祥哲　董琦

【摘要】太阳能是利用太阳的热能辐射，通过太阳光线进行的能量传输。太阳能在供热领域中显示出了较为突出的成就。太阳能热泵—地板辐射采暖系统是利用太阳能与热泵技术的有机结合，通过科学的手段进行的具有现代化标志的供热系统。本文通过对太阳能热泵—地板辐射采暖系统的技术特点以及发展前景的分析，对该系统在实际建设应用中所显示出的具体能效进行研究和对比，从而对应用现状进行评估。

【关键词】太阳能；热泵；地板辐射

一、熱泵及其太阳能热泵

早在十九世纪中叶，热泵理论就已经提出，但直到上世纪70年代才得以发展。当第一台热泵试验机问世后，就代表着工业的又一次技术革新。当热泵技术发展逐渐成熟后，也被应用于多个行业领域中。随着科技的不断进步与发展，根据不同应用领域的特点，经过改造和完善又被分为空气源热泵、水源热泵、土壤热泵和太阳能热泵集中。但单一的热泵在使用的过程中存在较大的局限性，为了弥补这一缺陷，热泵的辅助系统复合热泵也逐渐投入使用。例如太阳—空气源热泵和土壤—水源热泵以及太阳—土壤热泵等。我们将太阳能作为具体的了解和分析的对象。太阳能是一种新型的清洁型能源，并且可再生特点使得其能量无穷无尽，现如今被作为多种能源的重要组成部分。太阳能热泵主要是将能源温度较低的太阳能进行温度的提升，当温度达到标准值后传输到供热系统当中。太阳能热泵是将原本的水源热泵系统作为构建的基础，其内部系统主要由太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统三部分组成的。这种太阳能热泵系统不仅仅被应用在供热供暖上，对建筑室内的空调制冷也可发挥较为理想的能效。

二、太阳能热泵的分类及其技术特点

在实际的使用上，太阳能集热器与太阳能热泵的连接方式有所差异。热泵常见的连接方式有串联、并联和双热源式。这三种不同的连接方式对热源的需求类型有有所不同，热源主要有太阳能、空气以及太阳能和空气的有机结合。在使用串联式连接方式时，是将太阳能系统与具体的能源使用用户相连接，这样可有效的降低热泵的能源消耗，在保持低能耗的同时还能够提供高热能，对供热效率有所巩固；另外，由于太阳能热量的不断吸取，热泵的温度也会逐渐上升，其性能参数也随之升高。在采用并联式连接时，对热能的温度要求较高，但往往在供热效率方面的不高，在此供热条件下，是以空气作为主要的热能传播载体，蒸发温度很难在短时间内达到指数的硬性要求。双热源式连接方式与串联式有些许相似之处，不同之处是在于双热源在进行热量传导时，可通过两种不同的低温热源作为传播介质。

同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵最大的优点是可以采用廉价的低温集热器，积热成本非常低。由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等特点，常规的太阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置，并且配备相应的辅助热源，这不仅造成系统初投资较高，而且较大面积的集热器也难于布置。太阳能热泵基于热泵供热条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。由于太阳能取之不尽，用之不竭，因此太阳能热泵的应用范围非常广泛，不受当地水源条件和地质条件的限制，而且对自然生存环境几乎不造成影响。

三、太阳能热泵的发展现状

早期的太阳能热泵系统多是集中向公共设施或民用建筑供热的大型系统，比如20世纪60年代初期，Yanagimachi在日本的Tokyo，Bliss在美国的Arizona都曾利用无盖板的平板集热器与热泵系统结合，设计了可以向建筑供热和供冷的系统，但是由于效率较低、初投资较大等原因没有推广开来。后来，出现了向用户供应热水的太阳能热泵系统，特别是近些年来，供应40～70℃的中温热水的系统引起了人们广泛的兴趣，相继有众多的研究者都对此进行了深入的研究。我国对太阳能热泵研究的起步较晚，而且已有的研究大多是太阳能热泵供热水系统。自上世纪90年代后期，太阳能热泵供暖开始被一些高校关注，天津大学、东南大学、哈尔滨工业大学、青岛理工大学、上海交通大学、上海水产大学、北京工业大学等进行了理论和试验方面研究。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统（采用真空管集热器）进行了实验研究和理论分析，结果表明，该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供50℃生活热水，COP达到2.64～2.85（冬季），2.61～3.5（夏季）。东南大学针对我国太阳能的利用情况和典型太阳能热泵系统，给出了系统各设备（包括集热器、蒸发器、冷凝器和蓄热器）的能量平衡方程，对太阳能热泵系统的校核与设计具有指导意义。上海水产大学刘立平采用层次分析法对不同类型的太阳能热泵进行了综合评价，确定了评价指标，并建立了太阳能热泵层次结构模型，借助计算程序，给出了各指标的权重，结合各评价指标的评分值，利用线性加权法，算出了四种太阳能热泵的综合评分和评价结果，对太阳能热泵系统设计时系统形式的选择和系统运行效果综合评价均具有一定借鉴意义。青岛理工大学热泵实验室建立了太阳能热泵实验台，并对太阳能热泵系统冬季启动热泵供暖进行实际测试。实验台主要由热泵机组、集热器、蓄热器、测量控制系统和实验房间组成。其系统的主要工作原理是由集热器收集太阳辐射热量，经过热泵提升向房间供热。其实验结果表明热泵机组的供热系数平均值达到2.71，具有明显的节能效果。就我国而言，在太阳能利用方面也已取得多项成果。例如太阳能热水器的推广与普及，被动式太阳房的建造等。但是就如何保证冬季夜间不断采暖而言，在这方面的报道还不多。就此问题青岛理工大学在原来热泵实验室的基础上设计了太阳能-储热水箱-热泵联合供暖装置。蓄热水箱可储存部分白天获得的太阳能，在夜间再利用，从而为热泵连续提供热能。为了探寻太阳能热利用的有效方式，我们建立了太阳能热泵-地板辐射供暖系统实验台，并进行了实验研究。

四、太阳能热泵-地板辐射采暖实验系统的建立

太阳能热泵-地板辐射供暖系统由太阳能集热器，集热环路温差控制器，储热水箱，辅助电加热器，热泵机组，热泵机组蒸发器侧循环环路，热泵机组冷凝器侧循环环路，分水器，集水器，低温地板辐射采暖管道，房间温度控制器，自动差压旁通阀等设备和管路系统组成。温度测试系统由温度传感器、数据采集/开关单元、插入式模块，计算机组成。为了研究系统的运行效率，本实验需要设置大量的温度测点。根据测温范围、热电偶的灵敏度以及测量误差的要求选择热电偶为温度传感器。对其进行了标定得出各个热电偶的温度修正系数，并利用HP34970A数据采集/开关单元的定标功能对测量值加以修正，从而提高了测量精度。

六、结论

综上所述，太阳能热泵—地板辐射采暖系统在供暖中的应用，大大弥补了单一供热系统在热能供给中的缺陷和不足，更加降低了能耗以及建设成本。通过实验证实表明，该系统在供暖中有较高的舒适性，蓄热能力也高于其他供暖系统。因此太阳能热泵—地板辐射采暖系统受到一致的认可与好评。

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