直膨式太阳能热泵系统供暖研究进展

马 辉， 杨 帆

(1.国家电投集团南阳热电有限公司，河南南阳473000;2.河南省豫南燃气有限公司，河南驻马店463000)

1 概述

随着社会经济的快速发展，全球面临着许多能源与环境问题，发展可再生能源成为一种趋势。可再生能源通常包括太阳能、风能、水能、地热能等能源。目前大规模开发、利用、研究集中在太阳能、风能、水能等领域。其中，太阳能是最丰富的可再生能源，具有相当大的开发潜能。我国陆地每年接收太阳辐射能达1.7×1012t标准煤[1]，是最主要的可再生能源。经过粗略统计，我国大约有2/3的地区太阳能资源丰富，特别是在西藏、新疆、甘肃、内蒙古一带。根据各地区接收太阳辐射能的量可划分为多个区域，部分地区单位面积年接收太阳辐射能范围见表1[2]。

表1 部分地区单位面积年接收太阳辐射能范围

2 直膨式太阳能热泵工作原理及应用

2.1 直膨式太阳能热泵的特点

太阳能作为最丰富的可再生能源，其利用在现阶段存在一些局限，例如：太阳能光伏发电效率低，太阳能光伏发电设备成本高，太阳辐射的不稳定性、分散性等。太阳能热泵技术将太阳能热利用技术与热泵技术相结合，可以同时提高热泵性能和集热器效率。根据热泵与太阳能集热器的组合形式不同，太阳能热泵分为直膨式太阳能热泵和非直膨式太阳能热泵。非直膨式太阳能热泵仅将太阳能集热器与热泵的蒸发器简单串联，太阳能集热器吸收太阳能制取的热水作为热泵的热源[3]。直膨式太阳能热泵则将热泵蒸发器与太阳能集热器合二为一(以下称为太阳能集热-蒸发器)，太阳能集热-蒸发器内流动的介质是制冷剂，由于制冷剂的沸点比水的沸点低得多，制冷剂直接在太阳能集热-蒸发器内吸热膨胀蒸发(即直膨)，太阳能和空气热能直接作为热泵的热源。

与非直膨式太阳能热泵相比，直膨式太阳能热泵特点显著，例如，太阳能集热-蒸发器直接作为热泵蒸发器，降低了成本，简化了系统结构；制冷剂直接在太阳能集热-蒸发器内吸热相变蒸发，传热系数高；制冷剂作为太阳能集热-蒸发器的工质，避免了水作为太阳能集热器工质存在的腐蚀、结冰等问题；制冷剂沸点比水低得多，太阳能集热-蒸发器表面温度低，热损失很小或无热损失。

本文所研究的直膨式太阳能热泵供暖系统针对单一热源供应单一住户的供暖系统，便于对供暖系统进行控制和管理。

2.2 系统组成及工作原理

直膨式太阳能热泵供热系统见图1。

图1 直膨式太阳能热泵供热系统

直膨式太阳能热泵系统主要由太阳能集热-蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀组成。此处以北京地区某气象条件(环境温度为13 ℃，太阳辐射照度为690 W/m2，风速为2.5 m/s)、制冷剂工质为R134a为例，说明系统中制冷剂工作流程[4]。3.4 ℃、0.33 MPa饱和液态制冷剂工质在太阳能集热-蒸发器内吸热蒸发,变为3.4 ℃、0.33 MPa饱和气态制冷剂工质，之后气态制冷剂工质被吸入压缩机中绝热压缩为56 ℃、1.53 MPa饱和气态制冷剂工质，进入冷凝器，将热量释放给热介质(水或空气)后冷凝变为50.09 ℃、1.53 MPa的液态制冷剂工质，液态制冷剂工质通过节流阀后成为3.4 ℃、0.33 MPa的液态制冷剂工质，再次进入太阳能集热-蒸发器，由此完成一个循环。

系统中制冷剂工质在太阳能集热-蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀进出口的物性参数取决于系统容量、系统设计及气象条件。为了获得良好的系统热力性能，国内外学者建议制冷剂蒸发温度比环境温度低5～10 ℃，冷凝温度不宜超过60 ℃。近年来环保要求日益严格，制冷剂通常采用R134a、R410A、R407C、CO2等绿色环保工质。

本系统可根据实际应用的需要，确定系统供热量、室外和室内设备参数。为了方便管理，一般单一热源仅保证单一住户的供热需求。

2.3 直膨式太阳能热泵系统应用领域

由于直膨式太阳能热泵能够较为高效地制取50～60 ℃的热水[5]，因此，直膨式太阳能热泵的应用研究主要集中于家庭的生活热水供应和供暖领域。国外学者提出将直膨式太阳能热泵应用于干燥及海水淡化，并开展了相关基础性研究。为了提高直膨式太阳能热泵的全年利用率，多功能应用(如夏季供冷、冬季供暖、全年供应热水)是今后的一个研究热点。

3 直膨式太阳能热泵供暖

3.1 常用供暖形式

直膨式太阳能热泵供暖是将太阳能集热-蒸发器中制冷剂收集的热量通过冷凝器传递给热介质，并由热介质通过供暖末端设备将热量转移到房间内。若供暖末端设备为风机盘管，此类直膨式太阳能热泵供暖形式被称为空调供暖(下文简称空气系统)；若供暖末端设备为地面辐射盘管，此类直膨式太阳能热泵供暖形式被称为热水供暖(下文简称热水系统)。空气系统结构简单，无冬季防冻问题，适用于工业和商业建筑[6]；热水系统涉及到室内热水管道的安装，造价比空气系统高，但热舒适性好于空气系统，主要用于民用建筑的供暖[7]9。

3.1.1 空气系统

Mohamed等人[6]研究了用于家庭的直膨式太阳能热泵多功能系统，其流程见图2。

图2 直膨式太阳能热泵多功能系统流程

此多功能系统兼有供暖和提供生活热水的功能，位于诺丁汉地区，该地区属于典型的海洋性气候，气温的年较差与日较差都比较小，太阳辐射能较小，最暖月一般出现在8、9月份，日均最高气温为23 ℃；最冷月一般出现在2、3月份，日均最低气温为-1 ℃。该系统中的转换阀为电磁调节阀，可以控制供暖和生活热水两个支路的启闭，还可通过控制不同支路阀门的开度来控制各支路制冷剂流量。该系统具有两种运行模式。在制取生活热水模式下，制冷剂工质在冷凝器2放热，加热生活热水。制取的生活热水储存到生活热水储水箱中。生活热水储水箱与室内生活热水终端设备通过管道连接，构成一个循环。在供暖模式下，制冷剂工质在冷凝器1放热，加热供暖热水。供暖热水在风机盘管处与空气换热，由空气来承担室内的热负荷。此供暖方式所需冷凝温度较低(为40～60 ℃)，并能保证室内温度达到23 ℃，系统COP可达3～4。空气系统布置相对灵活，与室内装修融合简单，不影响装修效果。若兼作吊顶安装，还可节约使用面积。

3.1.2 热水系统

室内热水供暖形式主要分为散热器对流换热供暖和地面辐射供暖两种。散热器供暖对热介质温度要求较高(70 ℃左右)，地面辐射供暖对热介质温度要求较低(45 ℃左右)。而直膨式太阳能热泵能高效提供40～60 ℃的热介质，因此，在直膨式太阳能热泵供暖系统中，广泛采用地面辐射供暖的形式。与散热器对流换热供暖相比，地面辐射供暖热舒适性更好，脚暖头凉更符合人体的生理学调节特点。地面辐射供暖中地面兼有蓄热功能，可缓解太阳辐射间歇性的缺点[7]11-12。

Zhou等人[8]研究的基于微通道蒸发器模块的直膨式太阳能热泵供暖系统有很高的利用价值。制冷剂工质在冷凝器处放热，加热地面辐射供暖系统中的热水，进而提供室内供暖所需热量。该太阳能集热-蒸发器为光电、光热一体化的装置，既能收集热量加热制冷剂工质，又可以发电。此系统适用于中国华北地区，该地区为温带季风性气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，最冷月的日平均气温在0 ℃以下，太阳照射充足。在测试期内，此系统的平均光电转换效率为15.4%，平均光热转换效率为56.6%，光能与电能及热能转换的平均总效率为69.7%，系统COP可达4.7，月均制热量为1 363 kW·h。

3.2 供暖系统应对太阳辐射间歇性的方法

太阳辐射具有间歇性的特点，夜间及阴雨天气均不利于太阳能热泵供暖系统的运行。针对此问题，直膨式太阳能热泵供暖系统目前比较常用的解决方法有蓄热、辅助热源补充热量等。

林艳等人[9]研究了带蓄热装置的直膨式太阳能热泵供暖系统，利用定形石蜡(相变温度为28.2～30 ℃)作为相变材料，将其置于蓄热装置中，蓄热装置连接于太阳能集热-蒸发器与压缩机之间。以青岛地区为例，模拟结果表明，相变装置可使直膨式太阳能热泵的蒸发温度维持在25 ℃左右，当冷凝温度在60 ℃时，系统COP可达5.3。

3.3 全球直膨式太阳能热泵供暖研究实例

自直膨式太阳能热泵的概念提出以来，国内外学者开展了一系列供暖研究。本文通过对比国内外众多工程应用，发现直膨式太阳能热泵供暖系统主要集中于中国华北、西北以及欧洲太阳辐射照度高的地区。Huang等人[10]研究了太阳辐射照度对于直膨式太阳能热泵供暖方面的影响，在一定的环境条件下，随着太阳辐射照度从0 W/m2增加到300 W/m2，系统供热量从1 001 W增加到1 500 W，系统COP从1.77增加到2.23。可以看出，太阳辐射照度增大使系统运行效果提升十分显著。

Dong等人[11]在太阳能集热-蒸发器外侧喷涂具有良好的太阳能选择吸收特性的涂层，该涂层对于太阳辐射能的吸收率为94%～96%，同时在太阳能集热-蒸发器旁加装风机，增强太阳能集热-蒸发器周围的空气流动，有助于太阳能集热-蒸发器高效吸收空气能。该系统与传统不加装风机的直膨式太阳能热泵供暖系统相比，系统COP可从2.41提高到2.55。

Zhou等人[8]采用新型PV-微通道的太阳能集热-蒸发器，可以同时产生热能和电能，微通道的设计减小了太阳能集热-蒸发器管内的截面积，增加了制冷剂工质的流速，使得制冷剂工质的蒸发速率增加，增加了热能和电能的输出。该系统在中国北方地区运行的COP可达4.7。

王瑛等人[12]对直膨式太阳能热泵系统的室内供热部分进行了设计调整，使制冷剂工质直接进入地面辐射供暖盘管冷凝放热，将地面辐射供暖盘管作为冷凝器，省去了制冷剂工质与空气或水换热的环节。该系统位于兰州，系统COP可达3.01。

欧洲地区对于直膨式太阳能热泵系统的研究起步较早，直膨式太阳能热泵系统的供暖应用比较广泛，且具有良好效果。Kara等人[13]利用直膨式太阳能热泵系统为位于土耳其的一栋办公建筑供暖，办公建筑室内采用辐射换热的方式，该系统在长期运行条件下系统COP维持在2～3。

Moreno-Rodriguez等人[14]在西班牙马德里地区搭建了直膨式太阳能热泵供暖系统，与Dong等人[11]的供暖系统类似，该系统利用太阳能集热-蒸发器收集太阳辐射能及空气能，系统COP为2.7。

3.4 直膨式太阳能热泵供暖系统的能耗对比

直膨式太阳能热泵供暖系统不仅比普通的化石燃料供暖、电供暖更加节能，而且与其他的热泵系统相比，COP也得到显著提升。本文针对中国北方及欧洲不同气候条件，对直膨式太阳能热泵供暖系统与目前应用较广的空气源热泵供暖系统进行比较。

在欧洲地区，Bellos等人[15]对比了欧洲20个城市两种系统的运行情况，直膨式太阳能热泵供暖系统的COP可达4，而普通空气源热泵供暖系统的COP仅为2.5。可见，与空气源热泵供暖系统相比，直膨式太阳能热泵供暖系统更节能，供热效率更高。

3.5 直膨式太阳能热泵系统的经济性

目前直膨式太阳能热泵供暖的技术还不够成熟，造价及运行费用方面还不够经济。根据高新宇等人[16]的研究，取煤的市场价为0.9 元/kg，煤的低位发热量为20.934 MJ/kg，热效率为65%；天然气的市场价为2.1 元/m3，低热值为35.17 MJ/m3，热效率为85%；计算出煤和天然气供暖的热价分别为0.066 元/MJ和0.070元/MJ。根据电价0.6元/(kW·h)及系统热效率90%计算出电供暖的热价为0.185 元/MJ。从投资回收年限看，以直膨式太阳能热泵供暖代替电供暖，直膨式太阳能热泵供暖的投资回收期约为9 a；而对于太阳能供暖替代煤、天然气等能源供暖的投资回收期要大于系统使用寿命。

Bellos等人[15]以100 m2的建筑为样本，分析计算了马德里、那不勒斯、伦敦等20个欧洲城市的直膨式太阳能热泵供暖系统的投资回收期，较短的例如马德里为7 a左右，而较长的例如伦敦为27 a，大多数城市例如阿姆斯特丹等的投资回收期为10～15 a。

3.6 存在的问题及研究热点

近年来直膨式太阳能热泵供暖技术获得了很快的发展，但就目前的发展水平而言，直膨式太阳能热泵供暖在应用方面还面临一些实际问题，例如造价较高，太阳能集热-蒸发器与建筑外观的统一协调性较差。目前直膨式太阳能热泵供暖主要存在两个技术方面的问题：①太阳能集热-蒸发器不能高效吸收太阳能、空气能，且太阳能集热-蒸发器的热损失严重。②太阳能集热-蒸发器与压缩机匹配不合理[17]。这就突出了未来该领域的研究热点方向：建立完善的动态仿真模型，优化太阳能集热-蒸发器结构，改善直膨式太阳能热泵在供暖领域的蓄热情况等。

4 结语

作为未来供暖技术的一个重要发展方向，直膨式太阳能热泵供暖系统利用了太阳能热利用技术与热泵技术的优点，具有良好的热性能。

理论研究和一些实用性工程揭示了直膨式太阳能热泵供暖系统的优越性和局限性：

① 直膨式太阳能热泵供暖系统的热性能受太阳辐射能影响较大，太阳辐射能升高会显著提升供暖系统运行效果，因此应因地制宜地推广应用。

② 在中国北方和欧洲地区，直膨式太阳能热泵供暖系统比普通的空气源热泵供暖系统具有更好的运行性能，优势明显。

③ 直膨式太阳能热泵供暖形式不占建筑使用面积，便于与室内装修融合。

④ 与传统化石能源供暖方式相比，直膨式太阳能热泵供暖方式经济性较差，今后应加大太阳能集热-蒸发器的研究，进一步提高其集热效果，降低其造价；同时，应进一步研究直膨式太阳能热泵与蓄热技术的耦合，充分利用太阳能，降低直膨式太阳能热泵供暖系统的运行费用。