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1、太阳能辅助热泵技术及其应用研究李 瑛 孔祥强 杨前明(山东科技大学机械电子工程学院 青岛 266510)摘 要 如何充分而合理地利用太阳能，克服其低密度、不稳定性和间断性等缺点，并实现集热器件与建筑物的一体化结合，是目前太阳能热利用的重要研究方向，而热泵是其中一项关键技术。本文简述了太阳能辅助热泵系统的结构形式和技术特点，并介绍了此项技术在国内外的研究和发展现状。最后结合我国国情特点，提出了一些有关我国太阳能辅助热泵技术未来发展方向的建议。关键词 建筑节能；太阳能热利用；热泵；太阳能辅助热泵系统1 引言建筑能耗在总能耗中占很大份额，并且随着现代化生活水平的提高而逐年增长。能源的消耗不仅加剧了地
2、球矿物燃料的日益紧缺和枯竭，而且严重污染了地球环境。建筑节能已经成为影响能源安全、优化能源结构、提高能源利用效率和实现可持续发展的关键因素。建筑节能不仅要“节流”，还要“开源”，即在积极采取维护结构及能量系统本身的节能措施的同时，还应充分考虑开发和利用无污染的可再生能源。热泵由于能实现把低温位热能输送至高温位的功能，能大量利用自然资源和余热资源中的热量。将太阳能热利用与热泵技术有机结合起来，弥补常规太阳能热利用方式的不足，充分发挥各自的优势，已成为太阳能热利用技术的一个重要研究方向。太阳能热利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。太
3、阳能驱动热泵主要是指以太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。这类热泵一般对太阳能集热温度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。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，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。2 我国的太阳能资源我国地处北纬1854之间，幅员辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国面积的三分之二，有着十分丰富的太阳能资源。据估计，我国陆地表面每年接受的太
4、阳辐射能约为501018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335837kJ/cm2，中值为586kJ/cm2。若按各地太阳年辐射总量来划分，我国大致可分为五个太阳能资源带，如表1所示。表1 中国太阳能资源的划分 地区 分类 年日照时数（h） 年辐射总量（kJ/cm2） 相当燃烧 标煤（kg）包括地区与国外相当的地区一28003300670837230280宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部印度和巴基斯坦北部二30003200586670200230河北北部、山西北部、内蒙古和宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部印度尼西亚雅加达一带三220030005025861702
5、00北京、山东、河南、河北东部、山西南部、新疆北部、云南、陕西、甘肃东南部、广东和福建南部美国华盛顿地区四14002200419502140170湖北、湖南、江西、浙江、广西和广东北部、江苏和安徽的南部、陕西南部、黑龙江意大利米兰地区五10001400335419110140四川、贵州法国巴黎和俄罗斯莫斯科研究成果表明，在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2200h的地区。因此，我国具有在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技术的良好条件，尤其是西北干旱地带、青藏高原以及常规能源短缺或电力紧张的地区更应当重视太阳能的开发和利用。3 太阳能辅助热泵技术的分类及其工作原理根据集热
6、介质不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。在直膨式系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体，如图1(a)所示。从图中可见，除太阳能集热/蒸发器外，直膨式系统的其余部件与常规的制冷/热泵系统完全相同，因而极具小型化和商品化发展潜力。由于太阳能集热器与热泵蒸发器在结构和功能上都合二为一，使得太阳能集热温度与制冷剂蒸发温度始终保持一致，集热温度可以处于一个较低的温度范围内。这种结构的优势在于集热效率非常高，甚至采用廉价的裸板集热器也可以获得较好的集热性能，因而集热成本非常低。与此同时，随着制冷剂蒸发温度的提高，热泵机
7、组性能也将得到很大改善。由于太阳能辐射条件受地理纬度、季节转换、昼夜更替及各种复杂气象因素的影响而随时处于变化中，而工况的不稳定必将导致系统性能的波动，因此如何保证系统的高效稳定运行已成为直膨式系统达到实用化目标所必须解决的难题之一。图1 太阳能辅助热泵的类型:(a)直膨式;(b)串联式;(c)并联式;(d)双热源式在非直膨式系统中，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体。根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式
8、，分别如图1中 (b)(c)(d)所示。串联式是指太阳能集热循环与热泵循环通过蒸发器加以串联，蒸发器热源全部来自集热循环所吸收的热量；并联式是指太阳能集热循环与热泵循环彼此独立，后者仅作为前者不能满足供热需求时的辅助热源；双热源式与串联式基本相同，只是热泵循环中包括了两个蒸发器，可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源或二者互为补充。在实际应用中，串联式和双热源式也可作为太阳能直接供热系统的辅助装置，实现多工况切换和运行。非直膨式系统的最大优点是在太阳能辐射条件比较好的情况下，可以直接利用太阳能集热循环进行采暖或供热水，而不必启用热泵循环，使得系统运行比较经济；在太阳辐射条件较差的情况下，启用热
9、泵循环来满足用热需求，使得系统具有较好稳定性。然而，非直膨式系统的规模尺寸、复杂程度和初投资一般都大于直膨式系统，并且太阳能集热循环通常存在管路腐蚀、冬季防冻、夏季防止过热等问题。4 太阳能辅助热泵系统的研究现状20世纪70年代能源危机的出现，使得热泵和太阳能利用的发展产生了飞跃。日本从1974年开始就制定了直至2000年的“阳光计划”，投资额与年俱增，总投资额高达930亿日元；美国自1975年以来，每年用于太阳能利用方面的投资几乎连年翻番，由1975年的0.15亿美元增至1980年的近5亿美元。与此同时，太阳能辅助热泵技术作为热泵与太阳能结合的综合性技术，也成为了各国竞相研究的热点课题。日本
10、、美国以及欧洲各地也出现了大量SAHP示范性工程1，从小型住宅的生活热水供应系统到大型的带季节性蓄热器的区域供暖中心，取得了大量的研究成果和实践经验，极大地推动了太阳能辅助热泵技术的发展。20世纪80年代中、后期，由于石油价格的下跌，热泵的节能优势对其发展的推动作用有所减弱，从而也影响到太阳能辅助热泵技术的工程投资和规模应用，但研究工作并未停滞，其中包括对已有示范性工程的评价和经验总结以及系统设计、性能测试、模拟和经济性评价等多方面的内容2,3。进入21世纪，随着能源和环境问题的日趋严峻，各国又加大了对热泵技术的研究力度，使得太阳能辅助热泵技术迎来了新一轮的发展机遇。尤其是随着世界上一些发展中
11、国家经济的快速发展和对能源问题的逐步重视，它们已经成为了推动太阳能辅助热泵技术继续向前发展的一股强大的新兴力量4,5。国内热泵的发展可追溯到20世纪50年代6，由于受当时燃料价格、电力供应、人们的认识等多种因素影响，进展缓慢，阻力很大，未成形成良好态势。科技界经过五十余年的努力，热泵供暖已是其应用最成功的领域之一7,8。我国采用热泵供暖的经济性已被论证9，以空气作热源的热泵型空调在冬季气温较高的华东、华南地区已逐步普及，但在北方地区的应用却受到了限制。我国对太阳能热利用的研究主要集中在被动式太阳房及太阳能热水器上，而对太阳能辅助热泵的研究基本上处于初级阶段。进入90年代，天津大学、厦门大学、东
12、南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对各种类型（串联式、太阳能-土壤双热源、直膨式等）的太阳能辅助热泵系统进行了实验和理论研究，取得了一定的研究成果10-12。但就目前发展水平而言，太阳能辅助热泵装置在我国尚难以实现商品化，其主要原因在于系统初投资普遍较高，集热器难以与建筑外观协调一致，且系统性能亟待进一步的改善和提高。因此，当前的研究重点之一就是尽可能地提高太阳能辅助热泵系统的综合性能和降低设备初投资，开发出具有自主知识产权和符合本国国情的太阳能辅助热泵装置，这将对我国节能和环保技术的推广利用起到极大的推动作用。20世纪80年代以后，国内外许多学者从直膨式太阳能辅助热泵的系统结构、热
13、力性能、工质特性、运行控制、计算机模拟到经济性分析等多方面的研究13-17。国外在直膨式太阳能辅助热泵实验研究方面所做的工作可由表1作一总结。由表1可见，直膨式太阳能辅助热泵样机可以运行在从热带到寒温带的各种气候条件下，并具有较好的系统性能（集热器效率均大于40%，热泵COP均大于2.0）。但是，迄今为止绝大多数样机均为供热水装置，对于建筑采暖及空调系统的研究甚少。这一方面是由于建筑采暖及空调对整个系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求以保证人工环境的舒适性，另一方面系统控制方案的复杂程度以及经济性能的优劣也是制约其应用性研究和产品化发展前景的重要因素。近年来，土耳其、罗马尼亚等发展中国家也对太
14、阳能热泵进行了大量研究18,19。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等就是比较典型的产品范例。表1 国外实验样机的研究状况研究人员制冷工质集热器面积冷凝器形式压缩机容量系统性能集热器效率COP1Morgan(马来西亚)R111 m2 (裸板式)水冷 (15L)140W/ 3000rpm (全封闭)5070%2.53.5 (平均值)2Krakow等(加拿大)R126.88 m2 (平板)空冷+水冷746W/675rpm (开启式)5798%4.56.53Chaturved等(美国)R123.39m2 (平板)水冷 (
15、壳管式)373W (开启式)4070%2.03.0(Tk: 4050)4Shinobu等(日本)R226m2 (裸板式)水冷 (套管式)750W (变频旋转式)1.03.13.7 (年平均值)5Morrison(澳大利亚)R22(裸板式)水箱 (400L)500W2.53.4 (月平均值)6Axaopoulos等(希腊)R122m2 (裸板式)水冷-沉浸式 (158L)350W (全封闭)3.42 (平均值)7Torres-Reyes等(墨西哥)R224.5m2空冷 (翅片管式)(全封闭式)2.564.36(Tk: 4350)8黄秉钧等(台湾地区)R134a1.86m2(裸板式)热虹吸式 (1
16、05L)250W (全封闭)1.02.53.7(水温:2561)9Ito等(日本)R123.24m2(平板式)水冷350W (旋转式)28(水温:3060)10Hawlader等(新加坡)R134a3m2 (平板式)水冷-沉浸式 (250L)开启式, 变频4075%49(水温:3050)尽管国外的样机研究取得了一定的成果，但我国内地关于直膨式太阳能辅助热泵的样机开发和性能研究却很少。近年来，上海交通大学制冷与低温工程研究所王如竹等对直膨式太阳能辅助热泵技术进行了研究，并拥有两项这方面的发明专利：“直膨式太阳能热泵热水器”和“直膨式太阳能热泵空调及热水系统”。经实验研究表明，直膨式太阳能热泵热水
17、器在上海地区的各种气候条件下，该热水器均能够稳定、可靠地供应40-60的生活热水，且具有较为明显的节能效果；东南大学张小松等申请了发明专利“多功能热泵型空调热水器”，既可以实现制冷和供暖功能，又可以在制冷的同时供热水或单独供热水，还可以与太阳能热水器联合使用的装置。系统中采用的是非直膨式太阳能辅助热泵技术，结构较为复杂，太阳能集热效率较低。上述技术产品还只是处于实验室研究阶段；作者所在课题组对直膨式太阳能热泵空调及热水系统进行了研究，拥有一项实用新型专利。系统实现了冬季采暖、夏季空调及全年生活热水供应等多种功能，课题组设计并建造了系统实验样机，获得了系统在各种工况下的实际运行性能，并对直膨式太
18、阳能辅助热泵系统中四大部件的匹配问题以及系统的运行控制方面进行深入地研究，结果表明系统具有良好的节能经济性能20。4 展望随着我国经济的发展和整体技术水平的提高，在建筑物发展太阳能热利用技术的条件和时机已趋于成熟。在未来的工作中，应当从以下几个方面来推动太阳能辅助热泵技术的发展和在建筑物中的推广应用：（1）在全社会范围内，加强对建筑节能和太阳能利用知识的宣传教育，由主管部门负责组织实施，科研机构提供技术支持，使越来越多的人关注太阳能热利用技术及其发展，并投身到该领域中来。（2）太阳能热水器的成功经验告诉我们，太阳能辅助热泵技术的发展应当走产业化的道路才会有广阔的应用前景。（3）在逐步走向产业化
19、道路的进程中，政府部门应当制定和推行一定的优惠政策，并提供减免税收，价格补贴，低息贷款等一系列经济措施，鼓励企业和用户对各种太阳能装置和技术的投入。同时，对从事太阳能研究的科研机构应予以经济上的资助。（4）科研工作者应对系统样机研制、理论分析、运行控制和实际应用等方面深入研究。大力研制、开发出经济性好、适应性强、性能优越的太阳能辅助热泵装置，以吸引企业和房地产开发商参加技术合作，从而使一些具有实用性的科研成果真正投入到工程实践中去；同时关注国内外高新技术发展动向，积极开展行业内的科技创新和科研攻关，加速该项技术在我国的发展和进步。参考文献1. Freeman T L, Mitchell J W
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