太阳能热泵

未堋蓬． 一⋯～SoL^R￡～￡RGY TAIYANGNENGREBENG 旷玉辉王如竹 一热泵原理 在我们周围的环境中存在着无穷无尽的低品 位热源，如空气、水、土壤、太阳能、工业废热 等。由于它们的温度往往比较低，达不到人们对 用热(如建筑供暖、生活热水等)的温度要求而 不能直接加以利用。所谓热泵，就是靠位能拖动 迫使热量从低温热源流向高温热源的装置。热泵 的工作原理与制冷机相同，都是按逆卡诺循环工 作，只是工作温度的范围不同，如图1所示。 图2为最简单的蒸汽压缩式热泵的工作原理 图，它由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成。 其中，压缩机起着压缩和输送制冷剂的作用，是 热泵系统的心脏；冷凝器是热量输出设备，它将 蒸发器吸收的热量连同压缩机所消耗的电功一起 输送给供热对象；膨胀阀对制冷剂起到节流降压 和调节循环流量的作用；蒸发器是热量输入设备， 在此制冷剂通过吸收低温热源的热量而蒸发。 供热温良n 环境温度n 制玲温度t 图1逆卡诺循环 根据热力学第一定律，有：仉=Q。+毗(热 泵)，p。=p。+Ⅳ。(常0冷机) 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的电功 形。起到补偿作用，使得制冷剂能够不断地从低温 环境吸热(Q。。)，并向高温环境放热(Q，，)，周而 复始地进行循环。因此，压缩机的能耗是一个重 要的技术经济指标，一般用性能系数(coemcient “perfomance，简称c0P)来衡量装置的能量效 跚B 图2蒸汽压缩式热泵原理图 率，其定义为： 呱=鲁=旦苗墨=1+鲁(热泵)， coP，、-菩乒(制冷机) W C 显然，热泵c0R永远大于1。因此，热泵是一 种高效节能装置，也是制冷空调领域内实施建筑节 能的重要途径，对于节约常规能源、缓解大气污染 和温室效应起到积极的作用。 二热泵类型及其应用现状 所有型式的热泵都有蒸发和冷凝两个温度水 平，采用膨胀阀或毛细管实现制冷剂的降压节流， 只是压力的增加有不同的形式，主要有机械压缩 式、热能压缩式和蒸汽喷射压缩式。其中，机械压 缩式热泵又称作电动热泵，目前已经广泛应用于建 筑采暖和空调，在热泵市场上占据了主导地位；热 能压缩式热泵包括吸收和吸附式两种型式，其中 水一溴化锂吸收式和氨-水吸收式热水机组已经逐步 走上商业化发展的道路，而吸附式热泵目前尚处于 研究和开发阶段，还必须克服运转间歇性以及系统 性能和冷重比偏低等问题，才能真正应用于实际。 根据热源形式的不同，热泵可分为空气源热 泵、水源热泵、土壤源热泵和太阳能热泵等。国外 一 万方数据 ⋯⋯—撼骶嘉醯 的文献通常将地下水热泵、地水热泵与土壤源热 泵通称为地源热泵。为了弥补单一热源热泵存在的 局限性和充分利用低位能量，发展了各种复合热 泵，如太阳一空气源热泵、土壤一水源热泵、太阳．水 源热泵、太阳．土壤源热泵等。 l空气源(风冷)热泵 空气源热泵以室外空气作为热源，具有系统简 单、年运行时间长、初投资较低、技术比较成熟等 优点，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下 游地区，已得到相当厂泛的应用。空气源热泵的主 要缺点在于其制热量的变化与建筑热负荷的需求趋 势正好相反，而且在夏季高温和冬季寒冷天气时热 泵效率会大大降低，甚至无法工作。由于除霜技术 尚不完善，在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的 结霜问题可成为较大的技术障碍。此外，热泵机组 的噪声舄对周围环境产生一定的影响，近几年上海 蔷地发生热泵噪声扰民的事件增多，已成为近期城 市中类带有普遍性的固定源噪声污染问题。 目前，空气源热泵的主要产品有家用热泵空调 器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。据最 新统计，我国空调年产量已超过1340万台，其中热泵空 调器所占份额约为80～90％，年销售量超过1000万台。 热泵冷热水机组自20世纪90年代初开始，在夏热冬冷 ⋯一 地区得至4了厂泛应用，据不完全统计，该地区船分城市 图4地源热泵系统 中央窀调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到20～ 泵也不是十全十美，它也要受到可利用的水源条件、 30％，而且应用范围有继续扩大的趋势。近年来，空气 水层的地质结构、水资源使用政策以及能源结构和 源热泵热水器开始在我国热水市场上崭露头角，其工 价格等因素的限制。例如，应用地下水热泵需要有丰 作原理与空气源热泵空调器相同，只是将全部冷凝热 富和稳定的地下水资源作为先决条件，因此在应用 排八热水箱中以生产热水。同常规电热水器和燃气热 之前必须做详细的水文地质调查和技术经济性能分 水器相比，它具有节约一次能源(热泵c0P可达到3左析。另外，为了必须避免地下水的严重流失，较大的 右)，热水生产量大，适用于集中户式供热水方式(如图 应用项目通常要求采用地下水回灌技术，同时保证 3所示)等优点，因而具有较好的市场开发潜力。 地下水不受污染(通常采用闭式循环系统加以解 2水源热泵 决)。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用 水源热泵以水为载体，可高效地利用量大面厂 地表水热泵是值得考虑的一种空调热泵型式，但也 的地F水、地表水、电厂冷却循环水及工业废水、污 受到自然条件的限制，一定的地表水体能够承担的 水等作为低位热源，热泵coP一般可达到4～5，节能冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需 效果十分明嗣。由于水体温度年四季相对稳定，其 要根据具体情况进行计算。此外，热泵的换热对水体 波动范围远小于空气温度的变化，因而水源热泵不 中生态环境的影响有日口也需要预先加以考虑。 仪性能稳定、工作可靠、运行费用1氏，而且可以实现 北美、中欧和北欧各国对水源热泵进行了大量 机多用，满足供暖、空调及生活热水的需要。据美 的应用研究和工程实践，广泛应用于住宅、办公 国环保署-：PA估计，设计安装良好的水源热泵平均 楼、商场及公共建筑物中，获得了良好的经济效益和 可节约30～40％的供热空调运行费用。但是，水源热 社会效益。近年来，我国的水源热泵事业已开始起 —忑丽霹■耍irJ21 万方数据 j圆毂——⋯⋯一 soLAR￡N￡RGy 步，而且有较好的发展势头，越来越多的中国用户开 始熟悉热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。中国建 筑科学研究院空凋所对大连电力大厦采用发电厂循 环水作为热源的水源热泵系统进行了技术经济性能 分析，得出水源热泵供热的coP为4，每平方米采暖 面积可节约年运行费5万元，节约标煤5公斤。清华大 学江亿教授指出采用。一户一机，深井回灌”的水源 热泵方式很适合我国目前同时需要供热和空调的住 宅小区，并介绍了这种方式的基本原理，深井、水系 统和末端的解决以及投资与运行费用分析与比 较。天津大学对采用地热尾水(4J0—45屯)作为热源的 中高温水源热泵进行了深入研究，并筛选出了合适 的低环境危害非共沸混合工质。此外，清华大学、天 津大学分别与有关企业结成“产学研”联合体，开发 出中国品牌的水源热泵系统，并建成数个示范工程。 国内的水源热泵制造厂商中，清华同方人工环境设 备公司、山东海阳富尔达是比较早的水源热泵制造 厂家，但目前也有相当多的制冷空调厂家将其普通 的水冷机组改造为水源热泵。中国的水源热泵的研 究和应用才刚刚起步，与国外相比在热泵机组的优 化设计和工程应用上还存在较大差距。 3土壤源热泵 土壤源热泵是利用地下岩土中储存的太阳能和 地热能作为热源的闭路循环地源热泵系统(closed— 100pgroundsourceheatpump)，即通过循环液(水或 以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流 动，实现系统与大地之间的传热。冬季热泵从岩土中 取热用于建筑供暖，同时蓄存热量以备夏用；夏季热 泵逆向运行，将建筑物内的热量转移到地下对建筑进 行降温，同时蓄存热量以备冬用。因此，土壤源热泵既 保持了地源热泵高效、稳定运行及维护费用低等优 点，又可利用岩土的天然蓄热能力，且对周围环境影 响较小，是一种可持续发展的建筑节能新技术。根据 国外经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资 可在3—7年内收回，地热热泵系统在整个服务周期内 的平均费用将低于传统的空调系统。但是，研究表明， 土壤源热泵的系统性能将随着运行时间的增加而逐 渐下降，其经济性取决于多种因素，受到不同地区、不 同地质条件、不同能源结构和价格的直接影响。发展 和推广土壤源热泵的关键问题是要根据不同气候条 件下及土壤的蓄、放热能力，选择热泵系统的合理容 量及土壤中放热量的最1圭间距和深度，从而确定出最 佳安装方案以便得到最大的经济和环境效益。 欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的 历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运 行方面的资料和数据。迄今为止，美国全国安装的地 源热泵已超过40万台，而且每年以10％的速度稳步 增长，1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空 调总保有量的19％，其中在新建筑中占30％，并成立 了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多 地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，主要从事 地源热泵的开发、研究和推广工作。瑞典、瑞士、奥地 利、德国等国家的地源热泵主要利用浅层地热资源 (土壤埋管深度通常小于400米)，据1999年的统计， 地源热泵在家用供热装置中所占的比例瑞士为 96％、奥地利为38％、丹麦为27％。我国的地源热泵技 术尚处于研发阶段，青岛建筑工程学院、重庆建筑大 学、天津商学院等单位均对土壤源热泵进行了大星 的研究，其中包括水平埋管及垂盲埋管(u型管和地 下套管)土壤源热泵、太阳一土壤源复合热泵、土壤 及黄砂混合物导热系数等。目前，我国已有少数几家 企业引进美国地源热泵技术，推出了一系列商用和 家用地源热泵机组，如广州信利达热泵科技有限公 司、上海美意中央空调设备有限公司等。但是，由于 地下埋管初投资较高，加上用户对地源热泵技术缺 乏了解，我国地源热泵在空调市场上所占份额很小， 规模化应用尚有困难。 三太阳能热泵的分类及其技术特点 太阳能热泵～般是指利用太阳能作为蒸发器热 源的热泵系统，区别于以太阳能光电或热能发电驱 动的热泵机组。根据太阳集热器与热泵蒸发器的组 合形式，可分为真膨式(direct一“pansionsolaras- sistedhemPump，Dx—sAHP)和非直膨式。在直 膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为～， 即制冷工质直接在太阳集热器中吸收太阳辐射能而 得到蒸发(如图5所示)。在非直膨式系统中，太阳 集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介质(一般采 胃水、空气、防冻溶液)在集热器中吸收太阳能， 并在蒸发器中将热量传递给制冷剂，或者直接通过 换热器将热量传递给需要预热的空气或水。根据太 阳能集热环路与热泵循环的连接形式，非直嘭式系 统又可进一步分为串联式、并联式和双热源式。串 联式是指集热环路与热泵循环通过蒸发器加以串 联、蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收 一 万方数据 的热量(如图6所示)；并联式是指太阳能集热环路 与热泵循环彼此独立，前者一般用于预热后者的加 热对象，或者后者作为前者的辅助热源；双热源式 与串联式基本相同，只是蒸发器可同时利用包括太 阳能在内的两种低温热源。 太阳能热泵将太阳能热利用技术与热泵技术有 机结合起来，具有以下几个方面的技术特点： 1．同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热 泵的最大优点是可以采用廉价的低温集热器，集热成 本非常低。在直膨式系统中，太阳集热器的工作温度 与热泵蒸发温度保持一致，且与室外温度接近，而在 非直膨式系统中，太阳能集热环路往往作为蒸发器的 低温热源，集热介质温度通常为20一3∽，因此集热器 的散热损失非常小，集热器效率也相应提高。研究表 明，在非寒冷地区即使采用结构蔺单、廉价的普通平 板型集热器，集热器效率也高达砷～80％，甚至采用无 盖板、无保温的裸板集热器也是可以的。 圈5直膨式太阳能热泵热水器 曙6非直嘭式(串联式)太阳能热泵供热系统 2．由于太阳能具有低密匿、间歇性和不稳定性 等缺点，常规的太阳能供热系统往往需要采用较大 的集热和蓄热装置，并且配备相应的辅助热源，这 不仅造成系统初投资较高，而且较大面积的集热器 也难于布置。太阳能热泵基于热泵供热的节能性和 集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太阳能热 泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系 统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。 3．在太阳辐射条件良好的情况下，太阳能热泵 往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，因而 具有更高的供热性能系数(cOP可达到4以上)，而 且供热性能受室外气温下降的影响较小。 4．由于太阳能无处不在、取之不尽，因此太阳能 热泵的应用范围非常广泛，不受当地水源条件和地质 条件的限制，而且对自然生存环境几乎不造成影响。 5．太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有 4一机多用”的优点，即冬季可供暖，夏季可制冷， 全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有 蓄热装置，因此夏季可利用夜间谷肘电力进行蓄冷 运行，以供白天供冷之用，不仅运行费便宜，而且 有助于电力错峰。 6专虑到制冷剂的充注量和泄漏问题，直膨式 太阳能热泵一般适用于／J＼型供热系统，如户用热水 器和供热空调系统。其特点是集热面积小、系统紧 凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制 程度高等，尤其是应用于生产热水，具有高效节 能、安装方便、全天候等优点，其造价与空气源热 泵热水器相当，性能却更优越。 7．非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应 用范围广等优点，适合于集中供暖、空调和供热水 系统。如果能够将系统整体设计与建筑设计有机结 合起来，并提高智能化自动控制水平，将使该系统 获得臻于完美的效果。 四太阳能热泵的研究和应用现状 早在20世纪50年代初，太阳能热利用的先驱者 Jodan和nerkeld就指出了太阳能热泵的优越性，即 可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。随 后，日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷纷 投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的 研究与开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范工 程，例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游 泳馆等，取得了一定的经济效益和良好的社会效 —面藏茬1禹ir f23 万方数据 燃——⋯⋯⋯ ∞L^R￡N￡RGr 益。在能源和环境问题日益严峻的今天，太阳能热 泵因其具有显著的节能性和环境友好性，得到了越 来越广泛的关注。近年来，土耳其、印度尼西亚等 发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究。在 产业化发展方面，美国的solarKing系列太阳能热 泵供热设备以及澳大利亚的Quanlum系列太阳能热 泵热水器等就是比较典型的产品范例。 我国对太阳能热泵的研究起步较晚，所查得的 相关文献及报道均在近十年内。天津大学、东南大 学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太 阳能热泵进行了实验及理论研究，取得了一定的成 果。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统(采用 真空管集热器)进行了实验研究和理论分析，结果表 明，该系统可以一年四季可靠运行，向用户提_；共50℃ 生活热水，c0P达到2．64～2．85(冬)，2．6l一3．5(夏)。天 津商学院对太阳一土壤源热泵交替供暖运行进行了 买验研究，测得其总体平均热泵cOP为2．78。青岛 建筑工程学院对串联式太阳能热泵供暖系统(采用 单层盖板的平板集热器)进行了实验研究，在整个 供暖测试期间，尽管室外温度在一10—4℃之间变化， 室内温度能够保持在16～22℃之间(平均为 1932℃)，热泵平均cOP达到2．55。上海交通大学对 直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究，该热水 器可全天候提供45～50℃生活热水150升，每天耗电 量约为lkw】1(夏)～2kwh(冬)，其分体式结构尤其适 合于高层或多层建筑，此外，这种热水器在阴雨天可 以照样工作，其工作形式转变为空气源热泵。 我国具有利用太阳能热泵技术的有利条件： (】)能源政策和环境保护政策是促进太阳能热利用 和空调热泵技术迅速发展的主要原因。自改革开放 以来，我国先后出台了一系列节约能源、保护环境 的政策和法规，如《中华人民共和国节约能源法》 和《中国21世纪议程》等，并确立了实现可持续发 展和全国建设小康社会的战略目标。 (2)太阳能 热利用和空调热泵技术的迅猛发展为太阳能热泵技 术的发展提供了技术保证。目前我国有上千家太阳 能热水器企业，约有30多家年产量超过5万m2，并 被国际上公认为太阳能热水器产量最多、市场最大 的国家。2001年我国空调年产量超过1340万台，其 中家用空涧器总量的60％为热泵型，广泛应用于我 国长江流域。(3)太阳能资源比较丰富，全国约三分 之二的地区年日照B寸数超过2000h，尤其是大西北地 区具有利用太阳能的良好条件。(4)建筑市场巨大， 1995～2000年．每年全国城市新建住宅建筑面积约 2．4亿m2，其中上海每年新建约1500万m2，北京约 1000m2，天津约600万m2，大连约260万m2。20()o～2010 年，每年新建住宅建筑面积约3．4亿m2。 但是，我国太阳能热泵的发展和应用还存在几 个方面的问题： (1)投资经济性。能源结构和燃 料价格直接影响太阳能热泵的经济性，例如，我国 西部地区以煤炭为主的能源结构以及较低的燃料价 格必将影响太阳能热泵的市场竞争力。同时，太BB 能热泵供热／空调系统初投资偏高也是影响其经济 性的重要因素之一。(2)性能可靠性。为了解决 好太阳能利用的间歇性和不可靠性，常用的方法是 设置适当的蓄热装置(蓄热水槽、岩石床等)或辅助 热源(燃气、燃油锅炉或电加热器等)，并且合理确定 部件之间的匹配关系以达到投资运行最佳效益。(3) 整体化设计。例如，必须将系统设计与建筑设计结合 起来，既要考虑系统性能又要考虑建筑美观。这需要 各个专业、各个领域的人共同努力、相互配合。(4)智 能化控制。为了实现太阳能热泵的多种功能，充分发 挥其节能优势，需要采用适当的系统控制方案，并不 断提高控制水平，实现智能化自动控制。(5)标准化 生产。太阳能热泵系统的产业化发展和规模化应用， 需要逐步实现系统部件化、部件标准化，从而大幅度 降低生产成本，增强其市场竞争力。 五结语 在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提 高一次能源利用率。减少温室效应气体c0：和其它 污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技 术。在本文所讨论的几种主要的热泵系统中，空气 源热泵的初投资最少，但效率较低，且应用条件受一 定的限铷，仍将在部分冬季气候温和的地区得到较 多的应用。地下水热泵和地表水热泵系统受水资源 条件的制约，应用范围受到限制。土壤源热泵适用范 围广，运行费用低，节能和环保效益显著，在北美和 欧洲的许多国家已得到广泛的应用，是一种成熟的 技术；但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。目 前，在我国制约太阳能热泵应用的主要障碍是系统 初投资较高以及政府、建筑设计人员和公众对这一 技术缺乏足够的了解和认识。通过政府部门、科研机 构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经 验，我国太阳能热泵将得到较快的推广和发展。 一 万方数据 太阳能热泵 作者： 旷玉辉， 王如竹 作者单位： 刊名： 太阳能 英文刊名： SOLAR ENERGY 年，卷(期)： 2003，(2) 引用次数： 21次 引证文献(26条) 1.魏兆凯.刘凯.王晓洲 太阳能热泵开发的理论与实践[期刊论文]-农机化研究 2009(3) 2.李智.刘骥.虞维平 双热源型太阳能热泵夏、冬两季的节能运行分析[期刊论文]-制冷空调与电力机械 2008(03) 3.任淇.崔铭俊 浅议太阳能的建筑应用[期刊论文]-黑龙江科技信息 2008(18) 4.赵宏伟.胡明辅.李勇 太阳能热泵技术及其研究进展[期刊论文]-能源与环境 2008(02) 5.王强.魏林滨.张从菊 蓄热太阳能风冷热泵技术的应用[期刊论文]-科学咨询 2008(01) 6.李智.刘骥.虞维平 双热源型太阳能热泵夏冬两季节能运行分析[期刊论文]-建筑节能 2008(03) 7.矫洪涛.王学生.魏国 太阳能热泵技术研究进展[期刊论文]-能源技术 2007(05) 8.王恒彪.刘志军.刘智 木材除湿干燥研究进展[期刊论文]-中国木材 2007(03) 9.胡连营 热泵技术与可再生能源的开发利用[期刊论文]-可再生能源 2007(01) 10.王振辉.崔海亭.郭彦书.彭培英 太阳能热泵供暖技术综述[期刊论文]-化工进展 2007(02) 11.王巧丽 双热源空调热水器一体机的设计及实验研究[学位论文]硕士 2007 12.韩继成 太阳能在节约与环境友好型社会建设中的作用[期刊论文]-资源节约与环保 2006(05) 13.于胜水 对太阳能建筑一体化技术的思考[期刊论文]-中国科技信息 2006(11) 14.郑宗和.高金水.葛昕 太阳能热泵供暖系统在西藏地区的应用[期刊论文]-煤气与热力 2006(12) 15.周恩泽.董华.涂爱民.彭冬根 太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究[期刊论文]-流体机械 2006(04) 16.吕东彦.龚光彩 太阳能与热泵技术应用在暖通空调中的进展[期刊论文]-节能技术 2006(06) 17.孙志林.杨柳.屈宗长 太阳能热泵系统及其供热系数比较[期刊论文]-制冷空调与电力机械 2005(06) 18.褚建.党建国 浅谈太阳能热泵技术应用[期刊论文]-青海科技 2005(02) 19.王建辉.刘自强.彭国辉.刘伟 热泵--太阳能热水系统的研究[期刊论文]-河北省科学院学报 2005(02) 20.杨惠 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