太阳能热泵系统浅议

刘永成

（盘锦市产业技术创新和研发基地建设工程中心，辽宁 盘锦 124010）

1 关于太阳辐照能

太阳辐射的能流密度低，在不同的季节变化也很大。在山东、山西南部、吉林、辽宁、陕西北部、甘肃东南部等地。全年日照时数为2200 ～3000h，辐射量在502 ～586×104kJ/cm2·a，其热值相当于每年每平方米170 ～200kg 标准煤燃烧所发出的热量（表1）。

太阳能是一种辐射能，具有时效性，须要即时转换成其它形式能量，才能利用和贮存。为了获得足够的能量，或者为了提高温度，利用太阳能时须要采用技术和装置（集热系统），对太阳能进行采集。集热器按是否聚光，可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。聚光类聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。非聚光集热器有平板集热器、真空管集热器、阳光温室等。非聚光集热器能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射，集热温度较低。

将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能量转换器，集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能。一般来讲，太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能转换的效率也会越低。黑色吸收面吸收太阳辐射，可以将太阳能转换成热能，其吸收性能好，但辐射热损失大，所以黑色吸收面不是理想的太阳能吸收面。选择性吸收面具有很高的太阳吸收比和低的发射比，吸收太阳辐射的性能好，且辐射热损失小，是比较理想的太阳能吸收面。我国自20 世纪70 年代开始研制选择性涂层，取得了许多成果，并在太阳集热器上广泛使用，效果十分显著。节能型日光温室是一种高性价比太阳能集热器，其透光率一般在60%～80%以上，室内外气温差可保持在21 ～25℃以上。

由于各地采暖期的时间跨度不同，表2 采暖期统一为11月到次年3 月，计150 天。

表1 国内部分地区采暖季太阳辐射能

表2 国内部分地区采暖期日均辐射能（表2） 单位： MJ·m2

2 关于空气能热泵

空气能热泵是利用卡诺循环的原理，集热蒸发器中的制冷剂工质直接吸收太阳能辐射能（空气中的热能）低温蒸发，经压缩机压缩排出高温高压的制冷剂蒸汽进入高温冷凝器冷凝放热，冷凝液在高低压差的作用下通过热力膨胀阀降压降温进入蒸发器中吸热蒸发，形成一个热泵工作循环。实现了花少量的电能，将大量的热能从低温热源向高温热源的输送，输送的热量与所消耗的电能之比称为热泵的能效比（COP）。通常，空气能热泵的能效比（COP）受环境温度影响比较大，温度低COP 数值小，温度高COP 数值大，COP 数随着温度的升高而增大，能效比值可以高达6 ～10。表3 是某种型号空气能热泵在不同环境温度工况的COP 变化曲线。

表3 空气能热泵不同工况的COP

从表3 可以看出，空气能热泵在低温环境下的COP 值很低，和阻性电加热器相比，没有明显的节能优势。有些机型在低温环境下甚至无法启动，这也是空气能热泵在北方推广应用的困难所在。

表4 国内部分地区采暖季月平均温度

表4 是国内部分地区采暖季平均温度。为了方便对比表1、表2，数据采集取自每年的1、2、3、11、12 这5个月。

在表4 中我们可以看到，北方地区采暖期的低温天气工况下使用空气能热泵其能效比应该很低。

图1 不通环境温度下制热量变化曲线

3 关于太阳能热泵

太阳能热泵是太阳能集热器（阳光温室）和空气能热泵的结合，阳光温室采集太阳能，将温室空气加热升温，为空气能热泵高效工作创造了良好的工作环境。图1 是空气能热泵在不同温度环境下的制热量。

在太阳能热泵工况下，制冷剂蒸发温度较环境温度高5 ～15℃，而空气能热泵蒸发温度较环境温度低10 ～15℃，所以太阳能热泵COP 值是空气源热泵系统COP 值2 倍以上。

如果按照1 平方米热负荷以100W 计算，每天按照18 个小时采暖计计算，每平方米大约需要0.1kW×18t×3.6MJ=6.48MJ。对比表2，可以大致推算出阳光温室的采光面积。

太阳能热泵是现有的高效节能的技术。

高效——COP 值是空气源热泵的2 倍；

节能——太阳能光热转换效率是太阳能集热器的两倍，比一般的空气能热泵节能50%；

绿色——利用太阳能和空气能绿色能源；

环保——没有任何的污染和排放。

表1 数据采自百度文库《各地太阳能辐照强度明细》，国内部分地区采暖季太阳辐射能。

表4 数据采自天气网国内部分地区采暖季月平均温度。