太阳能热泵应用现状与性能分析

魏翠琴 王丽萍 贾少刚 高志宏



太阳能热泵应用现状与性能分析

魏翠琴 王丽萍 贾少刚 高志宏

（湖州职业技术学院 湖州 313000）

太阳能是清洁可再生能源，热泵是高效节能技术，两者有机结合应用既提高了太阳能集热器效率和热泵性能，又拓宽了应用范围，使其实用性大大增强。在介绍太阳能热泵系统的分类与工作原理基础上，概括了各类太阳能热泵的优缺点，总结了国内外该技术的应用和研究现状，着重分析了非直膨式太阳能热泵系统性能的影响因素——集热器安装朝向和角度、热泵的蒸发温度和冷凝温度是影响系统性能的主要因素。

太阳能；热泵；性能；影响因素

0 引言

能源与环境是当今突出的两大问题，因此作为清洁能源的太阳能和高效节能的热泵技术得到了极大的关注和应用[1,2]。太阳能光热利用和热泵型空调已在我国得到广泛应用，但两者之间的有机结合应用还比较少，两者的结合应用既克服了太阳能受天气条件影响的缺点，也提高了系统整体性能，大大拓宽了其使用范围，可在建筑物供暖、生活热水供应、农业温室供热、农产品干燥等领域应用，目前国内学者对太阳能热泵技术展开了积极研究[3-7]。

1 太阳能热泵系统的分类

太阳能热泵系统由太阳能集热器、热泵机组、蓄热水箱、供暖供水装置、控制装置等设备有机组合而成。根据热泵蒸发器与太阳能集热器的组合形式可分为直膨式和非直膨式两大类，在直膨式系统中太阳能集热器和蒸发器合二为一；在非直膨式系统中太阳能集热器和热泵蒸发器相对独立工作，而非直膨式又可分为串联、并联和混联三种方式。以提供热水为目的四种太阳能热泵系统的示意图如图1～图4所示。

图1所示为直膨式系统，制冷剂在集热/蒸发器中接受太阳辐射吸热而蒸发，之后制冷剂进入压缩机被压缩，然后进入冷凝器释放热量加热水箱中的水后回到集热/蒸发器形成循环。直膨式结构可提高热泵和集热器的性能，其结构简洁部件少，但其制冷剂管路较长流动阻力大，无阳光时为空气源热泵运行方式，当前对直膨式系统的研究集中在集热/蒸发器和系统容量匹配方面[8]。

图1 直膨式太阳能热泵系统

图2所示为串联式系统，将太阳能加热后的热水作为热泵蒸发器的低温热源，再经热泵提升热量品质后通过冷凝器释放出来加以利用。串联式系统的本质为水源热泵，其COP较高，但其受天气条件影响较大，无阳光时需使用辅助热源。

图2 非直膨并联式太阳能热泵系统

图3所示为并联式系统，太阳能与热泵可相互独立工作，互为补充，两者既可单独运行，也可一起联合运行。太阳辐射充足时太阳能可单独运行；太阳辐射不足时，热泵运行或两者一起联合运行。并联式系统组成较为简洁，运行方式灵活，对原有的太阳能和热泵装置无需做很大改动即可组合使用，系统稳定性较高。

图3 非直膨串联式太阳能热泵系统

图4所示为混联式系统，其中热泵设置了两个蒸发器，一为水源，一为空气源。混联式系统既可以串联方式运行——以太阳能提供的热水作为热泵蒸发器的低温热源；也可以并联方式——太阳能和热泵既可分别单独运行也可联合运行，热泵以空气源方式运行。具体运行方式取决于太阳辐射强度和环境温度。

图4 非直膨混联式太阳能热泵系统

2 太阳能热泵系统的研究应用现状

2.1 国外研究应用现状

国外对太阳能热泵的研究始于20世纪50年代初，美国、瑞典、澳大利亚、日本等发达国家纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的研究与开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范工程，例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游泳馆等取得了一定的经济效益和良好的社会效益[9,10]。近年来，土耳其、印度尼西亚、墨西哥等发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究[11-13]，土耳其进行了带有相变蓄热容器的太阳能辅助热泵系统的理论研究，并在供暖期进行了实验，得出了系统的COP 值。澳大利亚对家用传统太阳热水系统、空气源热泵热水系统和太阳能热泵热水系统进行了比较，得出了太阳能热泵热水系统的优势。墨西哥对直膨式太阳能热泵进行了热力学分析和试验研究，得到了给定条件下各参数的优化尺寸，改进了系统的效率。在产业化发展方面，美国的Solar King系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器是比较典型的产品范例。同时，热泵作为一种节能、高效、环保的绿色技术，也越来越多的应用到设施农业领域中[14,15]。

当前，国外太阳能热泵技术的研究重点在三个方面：一是进一步提高系统的整体性能；二是将系统设计与建筑设计相结合，既使系统性能优良又建筑美观；三是提高系统的智能控制水平。

2.2 国内研究应用现状

我国对太阳能热泵的研究起步较晚，有关文献和报道均在二十年内。天津大学赵军等[16]对串联式太阳能热泵供热水系统进行了试验研究和理论分析，结果表明该系统可一年四季可靠运行，向用户提供50℃的热水。青岛建筑工程学院于立强等[17,18]建立了串联蓄热式太阳能热泵供热系统实验台及测试系统，进行了太阳能热泵冬季供暖的实验研究，设备的工作性能良好。上海交通大学旷玉辉等[19-21]对非直膨串联式和直膨式太阳能热泵进行了试验研究，得到了可喜的结果。中科大的阳季春、季杰等[22,23]对串联蓄热式太阳能热泵供暖供水系统进行了实验研究，得到了系统COP明显的高于空气源热泵。东南大学的张小松、李舒宏等[24,25]对太阳能热泵热水装置进行了试验研究与应用分析，得到了系统平均能效比在3.0以上，节能与节费大大优于其他热水装置。天津商业大学的陈阳、孙冰冰[26,27]等对串联式太阳能热泵热水装置进行了实验研究和分析，系统平均COP达4.1，制取热水温度达到55℃，系统可满足冬季供热的需求。近期还有其他学者进行了对太阳能热泵的研究工作[28-39]。

表1 非直膨式太阳能热泵系统国内研究现状

3 非直膨式太阳能热泵系统的性能分析

3.1 太阳能集热器效率分析

影响太阳能集热效率最为重要的两个因素为集热器的朝向和安装倾角[28]，在我国大部分地区集热器最适宜的朝向为南向，安装倾角取决于地理纬度和季节变化，集热器的安装支架最好制作为角度可调式的，如此可在不同的季节设置最优的倾角以提高集热效率。

太阳能集热介质的工作方式可分为开式和闭式两种，循环方式有自然循环和强制循环。

同开式循环式相比，闭式循环管路可采用特殊流体，可实现防冻、防腐蚀、防结垢。单一太阳能供热水运行模式下，太阳能热水系统的日平均集热效率可达54%以上，夏季效率最高可达62%[29,30]；在太阳能热泵系统中，在总太阳辐射高于20.8MJ/(m2·d)时，无需开启热泵机组，太阳能热水子系统即可满足用户生活热水需求[31]。

3.2 并联式系统性能分析

根据热泵冷凝器是否布置在水箱内，可将热泵分为冷凝器内置式和外置式，冷凝器内置式结构简单，但是换热效率较低；冷凝器外置式需增加水泵与管道形式闭式循环，结构较为复杂，但换热效率较高。

并联式系统中太阳能和热泵可分别独立运行，在太阳辐射固定的情况下，影响系统的因素主要取决于热泵系统的效率。对于热泵来说，影响热泵性能的主要因素有蒸发温度、冷凝温度和压缩机功耗，若冷凝器为外置式，则循环水量也会对性能有影响[35]。在相近的环境温度及供热温度条件下，并联式系统联合运行模式下，较单一空气源热泵热水器模式相比，系统运行时间缩短约35%[29]。在昆明地区的最冷月（1月），空气源热泵机组的供热系数COP仍可达2.5～3.3，此外对于该空气源热泵辅助加热太阳能热水系统，太阳能保证率约为81%[31]。

3.3 串联式系统性能分析

串联式太阳能热泵系统的本质为水源热泵，蒸发器的热源来自于太阳能加热的热水，影响串联式系统性能的主要因素包括蒸发温度、冷凝温度、压缩比等，冷凝器外置时循环水的温度与流量等因素。

提高蒸发温度和降低冷凝温度均可提高系统的性能系数，但是蒸发温度比冷凝温度的影响更大一些[27]。冷凝温度不变时，随着蒸发温度的上升，压缩比逐渐减低，压缩机的运行效率也有所提高，吸热量、制热量随蒸发温度的上升而增加；在蒸发温度不变时，随着冷凝温度上升，制热量会下降，压缩机功率整体呈线性上升趋势；降低蒸发温度和提高冷凝温度，压缩机出口温度和压力都会增大，尤其是蒸发温度过低导致压缩比过高，压缩机功率会快速上升，会影响压缩机的性能和使用寿命[26]。

冷凝器采用强制循环冷却时存在一个最佳冷却水流量，在此流量下的换热效果最好[39]；若冷凝侧自然循环时，在相同蒸发环境温度和冷凝环境温度下，要比强制循环消耗更长的时间才能得到相同温度的热水[23]。

若将热泵蒸发器设计成为套管式换热器，内管通流太阳能集热介质，外管同流制冷剂，制冷剂既可以吸收空气能，也可以吸收太阳能集热介质能量，此种双热源式也可提高系统性能——能效比较单一空气源热泵均有明显提高，提高幅度在18%-24%，双热源时COP在2.4～2.9之间，空气源时COP在1.95～2.7之间，可较好解决单一空气源热泵低温供热性能差的突出问题[36]。

4 结语

太阳能热泵技术是太阳能和热泵技术的有机结合，两者的融合利用可提高系统的能效比，同时克服了传统太阳能和热泵各自的缺点，既提高了系统对使用环境的适应性，降低了系统的运行费用，也拓宽了其应用范围。其中，集热器的朝向和安装倾角对集热器的效率影响最为主要；合理提高热泵蒸发温度和降低冷凝温度及合理的冷凝器冷却水流量均有利于提高热泵的性能。

目前太阳能热泵试验研究以中小型的热水系统居多，随着研究的进展和技术的成熟，太阳能热泵系统会逐渐与大型的供热供水系统相结合以创造更大的节能环保效益。我国太阳能资源丰富，综合利用太阳能和热泵技术对于缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义，太阳能热泵装置运行成本低廉，未来的市场推广和应用前景十分广阔。

[1] 彭金梅,罗会龙,崔国民,等.热泵技术应用现状及发展动向[J].昆明理工大学学报（自然科学版）,2012, 37(5):54-59.

[2] 王伟,南晓红.热泵辅助型太阳能热水装置应用低碳性分析[J].制冷与空调,2012,26(4):349-352.

[3] 王伟,王建颖.银川地区热泵辅助太阳能热水系统设计探讨[J].制冷与空调,2015,29(2):169-173.

[4] 靳晓钒,秦红,刘重裕.太阳能-空气能双源一体热泵制冷剂充注量研究[J].制冷与空调,2014,28(1):102-106.

[5] 旷玉辉,王如竹,于立强.太阳能热泵供热系统的实验研究[J].太阳能学报,2002,23(4):1-6.

[6] 陈冰,罗小林,毕方琳,等.温室太阳能与空气源热泵联合加温系统的试验[J].中国农业科技报,2011,13(1):55-59.

[7] 孟翔宇,杨福胜,邓建强,等.新型太阳能热泵干燥系统的设计与理论研究[J].太阳能学报,2010,31(5):568-574.

[8] 卜其辉,秦红,梁振南,等.直膨式太阳能热泵系统特性分析及优化[J].广东工业大学学报,2010,27(2):61-64.

[9] Kaygusuz K Ayhan T. Experimental and theoretical investigation of combined solar heat pump system for residential heating[J]. Energy Conversion & Management, 1999,140(13):1377-1396.

[10] Kaygusuz K. Experimental and theoretical investigation of a solar heating system with heat pump[J]. Renewable Energy, 2000,21:79-102.

[11] Baek N C, Shin U C, Yoon J H. A study on the design and analysis of a heat pump heating system using weastwater as a heat source[J]. Solar Energy, 2005, 78:427-440.

[12] Cervantes J G,Torres R E. Experiments on a solar- assisted heat pump and an exergy analysis of the system[J]. Applied Thermal Engineering, 2002, 22：1289-1297.

[13] Aye L, Charters W W, Chaichana C. Solar heat pump systems for domestic hot water[J]. Solar Energy, 2002,73(3):169-175.

[14] 罗迎宾,蒋绿林,徐丽.地源热泵温室系统的应用研究[J].农机化研究,2007,(4):59-61.

[15] Onder Ozgener, Arif Hepbasli. Performance analysis of a solar-assisted ground-source heat pump system for greenhouse heating: an experimental study [J]. Build and Environment, 2005,40(8):1040-1050.

[16] 赵军,马一太,郑宗和,等.太阳能热泵供热水系统的实验研究[J].太阳能学报,1993,14(4):306-310.

[17] 张开黎,旷玉辉,于立强.太阳能利用中的蓄热技术[J].青岛建筑工程学院学报,2000,21(4):1-6.

[18] 于立强,旷玉辉,施志刚,等.太阳能集热器与热泵联合供暖装置的实验研究[J].制冷空调与电力机械, 2004, 4(3):1-4.

[19] Kuang Y H, Sumathy K, Wang R Z. Study on a direct-expansion solar-assisted heat pump water heating system[J]. International Journal of Energy Research, 2003,27(5):531-548.

[20] Kuang Y H, Wang R Z. Performance of a multi- functional direct-expansion solar assisted heat pump system[J]. Solar Energy, 2006,80(7):795-803.

[21] 旷玉辉,王如竹.太阳能热利用技术在我国建筑节能中的应用与展望[J].制冷与空调,2001,1(4):1-8.

[22] 阳季春,季杰,裴刚,等.间接膨胀式太阳能多功能热泵供热实验[J].中国科学技术大学学报,2007,37(1):53-60.

[23] 阳季春,季杰,裴刚,等.间接膨胀式太阳能多功能热泵单独制热水性能实验研究[J].太阳能学报,2008, 29(6):678-683.

[24] 李舒宏,武文彬,张小松,等.太阳能热泵热水装置试验研究与应用分析[J].东南大学学报（自然科学版）,2005,35(1):82-85.

[25] 杨磊,张小松.复合热源太阳能热泵供热系统及其性能模拟[J].太阳能学报,2011,32(1):120-126.

[26] 孙冰冰,张晨阳,毛力,等.太阳能热泵系统的试验研究与分析[J].水电能源科学,2012,30(4):198-201.

[27] 陈阳,张晨阳,张哲,等.太阳能热泵系统性能的试验研究[J].流体机械,2011,39(11):77-80.

[28]王凤印,周一凡,王翠萍,等.青岛热泵辅助太阳能供热系统的性能分析[J].煤气与热力,2010,30(10):A17-A20.

[29]钟浩,李志民,罗会龙,等.空气源热泵辅助供热太阳能热水系统实验研究[J].建筑节能,2011,39(3):36-39.

[30] 张喜明,白莉,于立强.强制循环太阳能热水系统的实验研究[J].吉林建筑工程学院学报,2006,23(2):12-14.

[31] 罗会龙,铁燕,李明,等. 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究[J].建筑科学,2009,25(2):52-54.

[32] 李锐,张建国,俞坚等.太阳能热泵系统[J].可再生能源,2004,116(4):1-3.

[33] 余延顺,马最良,廉乐明.太阳能热泵系统运行工况的模拟研究[J].流体机械,2004,32(5):1-5.

[34]冯诗愚,高秀峰,胡伟,等.热泵辅助太阳能中央热水系统年运行特性研究[J].太阳能学报,2008,29(3):283-288.

[35]冯诗愚,高秀峰,胡伟,等.并联式太阳热泵热水器中热泵子系统性能研究[J].太阳能学报,2007,28(2):125-129.

[36]周光辉,刘寅,张岑,等.太阳能辅助空气源复合热泵冬季供热特性实验研究[J].太阳能学报,2011, 32(11): 1662-1664.

[37] 郑荣进,孙文君,张建高,等.基于可再生能源供热的设施水产养殖试验温室设计[J].农业工程学报,2011, 10(10):218-221.

[38] 彭好义,周孑民,孙贺,等.太阳能热泵热水器加热性能的试验研究[J].流体机械,2007,35(3):60-62.

[39]周恩泽,董华,涂爱民,等.太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究[J].流体机械,2006,34(4):57-62.

Application Situation and Performance Analysis of Solar-assisted Heat Pump(SAHP)

Wei Cuiqin Wang Liping Jia Shaogang Gao Zhihong

( Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

Solar energy is clean and renewable, similarly heat pump has the features of high efficiency and excellent energy saving. The combination application of solar energy and heat pump could improve the efficiency of solar collectors and heat pump performance, meanwhile the application range and utility are greatly enhanced. The classification and working principle of Solar-assisted heat pump (SAHP) system is introduced in this paper, the advantages and disadvantages of SAHP were summarized, the domestic and overseas application of SAHP were summarized, the performance influence factors of indirect expansion SAHP were analyzed, the installed orientation and angle of tilt of Solar collector, heat pump evaporation temperature and condensation temperature are the main factors influencing the performance of the system.

Solar energy; heat pump; performance; influence factors

1671-6612（2017）02-159-05

TK512

A

湖州市公益性技术应用研究重点项目（2013GZ05）；浙江省公益技术应用研究项目（2015C32112）

2015-12-25

作者（通讯作者）简介：魏翠琴（1979-），女，硕士，讲师，E-mail：790994575@qq.com