太阳能热泵发展与分析

胡志鹏 刘文杰 李吉星

1．山东省产品质量检验研究院 山东济南 250000

2．山东建筑大学 山东济南 250000

我国经历了四十年改革开放的迅速发展，传统能源消耗殆尽。大量化石能源的利用造成了严重的环境污染问题。随着人民生活水平的不断进步以及对生活质量要求的不断提高，采暖和空调所消耗的能源日益增加，能源的使用量与能源的储备量互相矛盾，因此高效的能源使用方法和新的能源结构是改善当今能源形势的两个重要措施[1]。

可再生能源代替传统的化石能源是解决传统能源危机的重要方式，中国的地理位置位于亚洲大陆东部分，大部分地区的太阳年日照时间大于2000h，最高可达2800h-3300h，处于利用太阳能较有利的区域内，只要具有一定的技术水平和必要的资金投入就可以自由利用。我国北方地区冬季温度极低，传统的空气源热泵效率低，换热器蒸发温度处于零下的时候会存在结霜现象，湿度越大结霜越严重，霜层的增加降低了换热器的传热系数，使得相变温度进一步下降，导致换热器吸热量减少，循环效率COP降低。电阻丝加热或者制冷剂倒流的除霜方式都提高了设备的初投资，并且降低了其实用性，但是冬季太阳能集热器不受温度影响，两者的复合成为了必然，越来越多的研究人员将目光洒向了太阳能热泵领域。

本文主要论述的是太阳能辅助热泵中的双热源式太阳能复合热泵，双热源式蒸发器结构复杂，却可以同时吸收空气能和太阳能，因此国内许多研究实验进行了双热源换热器的形式创新。通过改进双热源换热器形式、构造，以达到提高整个太阳能热泵系统效率的目的。

1 太阳能热泵系统组成单元与分析

太阳能热泵系统分为太阳能驱动热泵系统和太阳能辅助热泵系统两种，太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵[1]。太阳能辅助热泵系统中又根据集热介质的不同分为了非直膨式太阳能辅助热泵系统和直膨式太阳能辅助热泵系统，其中非直膨式太阳能辅助热泵系统中又依照太阳能集热单元与热泵单元的耦合类型分成了串、并联和双热源式三种类型。本文主要分析改进双热源蒸发器对系统的影响，因此主要概述双热源太阳能热泵系统。双热源太阳能热泵系统只是热泵单元的蒸发器部分特殊，其余部分也是由太阳能集热单元、热泵单元、辅助蓄热等组成。双热源太阳能辅助热泵系统如图1所示。

图1 双热源太阳能辅助热泵系统

双热源辅助热泵系统同时具有水源和空气源两种热源，并且有两种热源分别对应的蒸发器，双蒸发器并联关系，水源蒸发器与太阳能集热系统串联关系，系统共用同一冷凝器、膨胀阀、压缩机。其中太阳能的热量提升了蒸发器侧的温度，降低了吸放热温差，从热力学角度提高了整个系统的效率，并且太阳能的热量起到了一定的预防结霜问题的作用，一举两得的应用，并且此系统可以经过简单的设计使其具有制冷的能力。Freeman和Mitchell[2]早在1979年就运用TNYSYS软件建立模型并模拟对比了双热源式太阳能热泵系统与串并联式太阳能热泵系统，实验结果表明了双热源式系统的能效性最佳。

1.1 太阳能集热单元

太阳能集热单元是太阳能收集的主要部分，其太阳能的收集效率与经济型是制约太阳能辅助热泵系统发展的主要因素。太阳能集热管的数目体现了整个系统的可投资性，OmerComakli通过实验分析发现，系统所需要的集热器数目到达一定数目后，数量继续增加25%，系统初投资增加了71%[3]。显而易见，在实际的工程应用中，集热管不能仅仅依据系统热负荷计算所需要的数量，而要考虑到经济性找到集热单元的最佳数目。由于太阳是低密度能量，不同的摆放角度对整个集热单元的影响很大。上海交通大学孙振华建立了直彭式太阳能热泵系统的集总参数法的数学模型，通过太阳总辐射计算公式（1）和cosθt计算公式（2）：

其中，IT表示投射在水平表面上的辐射强度，Idh表示投射在水平表面上的漫辐射强度；θt表示太阳直射对倾斜表面和水平表面的投射角，β表示集热板安装倾角，ρ表示地面对太阳全辐射的反射率，是入射角，δ是赤纬角，ω是时角，Φ为当地纬度，是集热板的表面倾角。经过计算角度偏差30°，太阳辐射相差了400W/m2。

1.2 热泵单元

热泵单元是高效率低品位热利用的主要部分，也是太阳能辅助热泵系统中的核心。主要分为压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀这四部分。太阳能辅助热泵的实质是通过太阳能的辅助改善了传统热泵蒸发器的工况，从而避免了热阻增大、蒸发温度降低、压缩机的压缩比过大、系统效率降低等问题。J.G.Cervantes利用热力学分析法[4]，得出了热泵单元的火用损失主要在蒸发器中，因此双热源蒸发器在太阳能热泵系统中占有主导地位，高效的利用双热源的同时又要降低整个蒸发换热器的体积以及制造工艺，是太阳能辅助热泵中热泵单元的主要研究方向。

2 双热源蒸发器的研究与分析

我国的热泵技术已经发展成熟，但太阳能热泵技术起步较晚，主要的研究突破都是在近几年完成的。并联式太阳能辅助热泵由于系统简单、实用性较强的原因，是国内实际工程应用的首选。双热源太阳能辅助热泵的发展受到蒸发换热器的限制，国内研究学者也对蒸发器进行了实验及理论研究。中原工学院、山东建筑大学、中傲公司等先后创新改进了双热源蒸发器结构，并且利用建立数学模型和实验验证了实际系统效率的提高。

中原工学院的周光辉创新了一种换热器“翅片-套管式双热源复合换热器”[5]，并对“翅片-套管式双热源复合换热器”组成的双热源太阳能辅助热泵系统进行实验研究和理论分析。主要的创新点是一套翅片一套复合式换热器，平均室外温度取-10℃，系统在北京项目低温环境下COP平均提高了40%。其结构如图2所示，通道1为太阳能热水，通道2中制冷剂R22，太阳能热水和室外空气同步换热。通道1中流的太阳能热水为制冷剂提供了热量，提高了蒸发温度，整个系统的效率较普通的空气源热泵提高了22%。

图2 中原工学院太阳能-空气双热源复合换热器原理图

但是此设计结构的换热器存在制造工艺复杂的缺点，并且在特殊的环境工况下，太阳能热源与空气热源的温差过大时，蒸发器内制冷剂的蒸发温度介于太阳能热水和空气温度之间，部分热量会从高温热源经过制冷剂转移到低温热源中，造成一定的热损失，此时的系统换热效率低于单热源热泵系统[6]。

山东建筑大学的魏林滨、王强教授设计了一种新型阳台壁挂太阳能—空气源复合热泵系统，该系统的优势在于利用太阳能蓄热水经过蒸发器达到除霜的效果，系统着重于蒸发器内的流动匹配。充分利用了低品位的太阳能，实现太阳能热效应和空气源热泵的优势互补，既可有效提高空气源热泵冬夏季运行的可靠性，又可提高夏季阴雨天气、过渡季节及冬季太阳能热水器运行的稳定性。但是该新型阳台壁挂太阳能—空气源复合热泵系统控制复杂，总共有8个控制电磁阀门，控制系统复杂，设备的初投资较高，不适合分散式采暖推广。在额定工况（高温，室外7℃）下，系统的COP为2.4，在制热性能上还有很大的提升空间[7]。

中傲公司所研发生产的太阳能-空气源热泵机组将太阳能和空气能两种低品位能源作为复合热源，额定工况系统COP为3.32，创新点是新型的室外蒸发器，蒸发器同时具有双热源流路，双热源流路排管按照1：3分配，太阳能集热单元的热水管分布在蒸发器外侧，四排管共用一组翅片，双热源的流道单独设计，环保制冷剂R407C、太阳能热水、空气三种流体在换热器中准双逆流换热，既满足了冬季低温环境下的双热源复合的高效率，又可以降低夏季使用时的冷凝温度。同时，可使蒸发温度提高到零度以上，能比较有效的解决传统热泵空调装置室外换热器在冬季运行时效率低，结霜、除霜动作频繁的问题，提高了装置运行的可靠性，具有高效、节能、环保的特点。并且设备控制简单，只需季度切换，只有3个控制阀门。太阳能-空气源复合热泵系统图如图3所示[8]。

3 发展展望

双热源蒸发器的研究发展提高了双热源太阳能辅助热泵的效率和经济性。国内研究人员通过对换热器结构的改造，实现了系统利用太阳能集热量进行除霜，同时避免了太阳辐射度较低情况下的热量回流现象，提高了双热源太阳能热泵系统的稳定性，平均COP得到了保障。通过对套管换热器的改造组合，强化热传导性，改善空气源热泵单元的除霜问题，是太阳能-空气源复合热泵技术优化的途径之一，并且依然存在提升的前景。

蒸发器的结构改造尽管提高了效率，但是同时也提高了结构的制造工艺以及系统的复杂性，例如中傲公司的双热源流路排管按照1：3分配、三种流体在换热器中准双逆流换热等等。并且由于空气蒸发器与太阳能水源蒸发器设计在一个换热器内，而换热器所需要的设计符合依然不变，所以双热源的室外蒸发器占地面积大，进一步降低了工程实用性。因此未来双热源太阳能热泵系统的发展前景是结构的创新改造应该在追求效率的同时注重其经济实用性，系统效率与初投资相匹配。

图3 太阳能-空气源复合热泵系统图

热力学的火用是对整个系统能源品质的综合评价，通过热力学计算发现30%的火用损失存在热泵的压缩机部分，因此未来的研究改进应该主要从部件结构改造、相变蓄热技术的应用、光伏光热的联合利用、控制策略优化切入研究。

4 结语

太阳能是21世纪最有发展潜力的能源，也是清洁的可再生能源，利用太阳能作为辅助热泵的能源提高了热泵对环境的适应性，太阳能与空气能双热源热泵有着明显的优势。通过对换热器的结构改造能够有效地克服太阳能本身所具有的能量密度低、不连续和低密度的特点以及空气源热泵冬季供热效率低、容易结霜和频繁除霜的不足，实现双热源的匹配。双热源太阳能热泵蒸发器的研究与发展方向依旧是不断地研究开发新型结构，并且具有很高的研究上限。其中双热源蒸发器的经济性是双热源太阳能辅助热泵应用推广的重中之重。