太陽(yáng)能熱泵工作原理及深度技術(shù)分析

　　熱泵技術(shù)是一種新型的節能制冷供熱技術(shù)，長(cháng)期以來(lái)主要應用于建筑物的采暖空調領(lǐng)域。因熱泵制熱在節能降耗及環(huán)保方面的良好表現，衛生熱水供應系統也越來(lái)越多的采用熱泵設備作為熱源。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結構簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)用機房，安裝使用方便，在衛生熱水供應方面具有不可替代的優(yōu)勢，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統外，現在已有多個(gè)品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場(chǎng)。但空氣源熱泵的一個(gè)主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數隨著(zhù)室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區。

　　將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能結合供應生活熱水，國內外進(jìn)行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽(yáng)能系統的輔助加熱設備，另一種是利用太陽(yáng)能熱水為低溫熱源或將太陽(yáng)能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器的太陽(yáng)能熱泵系統。前者以太陽(yáng)能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽(yáng)能供熱的連續性問(wèn)題，但仍舊無(wú)法擺脫環(huán)境溫度對熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽(yáng)能作為熱泵熱源，大大提高了太陽(yáng)能的利用效率，但太陽(yáng)能資源不足時(shí)仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽(yáng)能集熱量的限制，規模一般比較小。

　　在大型的太陽(yáng)能中央熱水系統中，空氣源熱泵無(wú)疑是一種比較理想的輔助加熱設備，為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運行的性能，擴大它的使用區域，結合國內外太陽(yáng)能熱泵研究中的先進(jìn)經(jīng)驗，我們研制了一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統。該系統采用一種新型的采用低溫太陽(yáng)能輔助的空氣源熱泵機組和太陽(yáng)能集熱系統結合，太陽(yáng)能和熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽(yáng)能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽(yáng)能資源不足時(shí)熱水供應保證率，做到全年、全天候供應熱水。

　　1、太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統組成

　　太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統的主要組成部分為太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機組，其他輔助設備與常規的中央熱水系統相同，包括太陽(yáng)能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。

　　為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩定、可靠的運行，國內外眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，歸納起來(lái)主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來(lái)提高熱泵低溫制熱性能，比如通過(guò)電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機周?chē)笤O相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運行出力等等；二是通過(guò)改善制冷劑循環(huán)系統來(lái)提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級壓縮的空氣源熱泵，設中間補氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統，低溫工況下讓壓縮機高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時(shí)向壓縮機工作腔噴液以防止其過(guò)熱，從而使熱泵機組能夠正常運行。

　　太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的，如圖2所示。在機組的蒸發(fā)器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽(yáng)能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機的工作狀況。

　　2、太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機組示意圖

　　與普通的空氣源熱泵相比較，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機組在低溫工況下運行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：

　?。?）COP顯著(zhù)提高

　　在同樣的環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能輔助加熱使制冷劑系統的蒸發(fā)溫度得以提高，機組的制熱性能系數較普通空氣源熱泵機組有了明顯的提高，熱泵制熱性能系數隨蒸發(fā)溫度變化情況如圖2所示。

　?。?）防止蒸發(fā)器結霜，減少除霜時(shí)間

　　由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機組的化霜次數和時(shí)間也大大減少，可以節省大量的電能，并保證熱泵機組連續不間斷的運行。

　?。?）改善空調壓縮機工作環(huán)境，延長(cháng)機組使用壽命

　　在環(huán)境溫度較低時(shí)，空調壓縮機的壓縮比急劇升高，壓縮機的排氣溫度常常會(huì )超過(guò)壓縮機允許的工作范圍，從而導致壓縮機頻繁的啟停，無(wú)法正常工作，長(cháng)此以往，將會(huì )損傷壓縮機的整體性能，減少空調設備的使用壽命。通過(guò)太陽(yáng)能作為輔助熱源提高系統蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問(wèn)題，并且可以使整個(gè)熱泵機組的使用壽命有效延長(cháng)。

　　輔助換熱器位于熱泵蒸發(fā)器的外側，作為熱泵機組的一個(gè)部件與熱泵機組同步設計生產(chǎn)，采用和蒸發(fā)器同樣外型尺寸和材質(zhì)的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過(guò)溫升及其與熱泵蒸發(fā)器的間距應根據太陽(yáng)能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽(yáng)能水溫、環(huán)境溫度及熱泵機組蒸發(fā)溫度、排風(fēng)量等參數進(jìn)行設計計算。

　　目前在太陽(yáng)能熱水工程中通常采用的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種［8］。對于全年使用的比較大型的太陽(yáng)能中央熱水系統，要求太陽(yáng)能集熱器應具有一定的承壓能力，比較高集熱效率，比較小的管道阻力，抗凍能力強，易于維護。在這幾種太陽(yáng)能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高，市場(chǎng)占有率大，但因其不能承壓運行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽(yáng)能熱水系統中，絕大部分都被用作家用太陽(yáng)能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽(yáng)能集熱器，可以承壓運行，適用于在大型的太陽(yáng)能熱水工程中應用。

　　平板集熱器是應用比較早的一種太陽(yáng)能集熱裝置，一直以來(lái)也是世界太陽(yáng)能市場(chǎng)的主導產(chǎn)品，廣泛應用于各種低溫熱水加熱領(lǐng)域，但隨著(zhù)真空管太陽(yáng)能集熱器的出現，受其自身結構的局限，在集熱效率上已不具備優(yōu)勢，因防凍問(wèn)題以及集熱性能受季節和環(huán)境影響較大，目前主要在南方冬季氣溫較高的地區應用，在北方寒冷地區冬季運行效果欠佳，不推薦在大型熱水工程中應用。

　　U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器基礎上發(fā)展起來(lái)產(chǎn)品，三者的共同特點(diǎn)都具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，可以承壓運行，但從集熱效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安裝維護難度等方面進(jìn)行綜合評價(jià)，熱管式真空管集熱器是最適宜在中央熱水供應系統中采用的太陽(yáng)能集熱器類(lèi)型，U型管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器次之。熱管式真空管集熱器利用熱管傳熱，干性連接，管內不走水，具有熱容小、傳熱快、耐冰凍、耐熱沖擊、承壓強、保溫好、無(wú)滲漏、易維護等優(yōu)點(diǎn)，U型管式真空管集熱器和直流式集熱器利用真空管內同心套管直接對工質(zhì)加熱，除了具有運行溫度高、承壓能力強和耐熱沖擊性能好等特點(diǎn)外，其集熱效率高于其它形式的集熱器，并且可以水平安裝，簡(jiǎn)化安裝支架，減少安裝場(chǎng)地面積，避免集熱器影響建筑外觀(guān)，在太陽(yáng)能和建筑結合方面具有較強的適應性，但其安裝程序比熱管式真空管集熱器復雜，接口較多，運行中有漏水隱患，系統維護成本相對較高。

　　太陽(yáng)能與太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵結合作為中央熱水系統的熱源，其目的在于取長(cháng)補短，使二者互為補充，互為備用，在日照充足時(shí)優(yōu)先使用太陽(yáng)能加熱熱水，利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的低溫熱水作為太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對比較穩定高效的條件下工作，保證系統全年全天候的衛生熱水供應?？諝庠礋岜弥茻徇^(guò)程本質(zhì)上是對空氣中蘊藏的太陽(yáng)熱能的提升利用，根據熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統的運行過(guò)程中，熱泵機組作為輔助熱源運行所供應的熱量中，只有一小部分來(lái)自電能，所以太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統大大提高了太陽(yáng)能利用率，減少了對一次能源的消耗。

　　太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統的運行主要有以下四種工況：

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