太陽能熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

太陽能熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

太陽能熱是一種特殊的熱熱效應(yīng)，可以產(chǎn)生熱量。在太陽能熱泵中,太陽能技術(shù)和熱泵技術(shù)相結(jié)合,彌補(bǔ)了兩種系統(tǒng)各自的缺點(diǎn),并以其節(jié)能、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)引起了人們的注意。從20世紀(jì)50年代初,日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家就開始對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行研究與開發(fā),實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國對(duì)太陽能熱泵的研究雖然起步較晚,但這幾年所進(jìn)行的理論與實(shí)驗(yàn)研究,都取得了一定成果,為今后商業(yè)化發(fā)展提供了一定基礎(chǔ)。1太陽能熱泵循環(huán)過程太陽能熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示:工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪哼^熱蒸汽,在壓縮機(jī)中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w,再經(jīng)冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體,放出工質(zhì)的氣化熱,與冷凝水進(jìn)行熱交換,使冷凝水被加熱為熱水,供用戶使用;液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)過膨脹閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嗷旌衔?并回到蒸發(fā)器定壓吸收低溫?zé)嵩礋崃?蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸汽;如此形成一個(gè)完整的循環(huán)過程。整個(gè)系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、蓄熱器等組成。根據(jù)太陽能集熱器與熱泵的組合形式,太陽能熱泵可分為直膨式和非直膨式;根據(jù)太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)的連接形式,非直膨式又可以進(jìn)一步分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種形式。太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、循環(huán)工質(zhì)的選擇、壓縮機(jī)選擇、集熱器和蓄熱器的設(shè)計(jì)等,本文下面對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展情況進(jìn)行介紹。1.1太陽能熱裝置的結(jié)構(gòu)形式(1)太陽能熱泵系統(tǒng)直接膨脹式太陽能系統(tǒng)將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一,循環(huán)工質(zhì)在太陽能集熱/蒸發(fā)器中直接吸熱蒸發(fā),節(jié)省了非直膨式系統(tǒng)中集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)之間的換熱設(shè)備,不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而且可以有效提高集熱器性能和熱泵供熱性能。直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是太陽能集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)及其與系統(tǒng)的匹配、循環(huán)工質(zhì)的選擇等。天津大學(xué)的趙軍研究了以R134a作為工質(zhì)的直膨式太陽能熱泵系統(tǒng),太陽能集熱器效率在70%%～80%范圍內(nèi),熱泵的性能系數(shù)可達(dá)到4.0～5.6;雖然性能系數(shù)比以R12作為工質(zhì)的太陽能熱泵系統(tǒng)略低6%左右,但壓縮機(jī)的排氣溫度較R12的要低,這將有利于壓縮機(jī)的冷卻和良好運(yùn)行。劉立平、趙軍等人設(shè)計(jì)了一種直接膨脹式太陽能熱泵,在該裝置中,裸露平板太陽能集熱器同時(shí)也用作熱泵蒸發(fā)器;該系統(tǒng)在夏季環(huán)境溫度為25～27.5℃之間的晴天,集熱/蒸發(fā)溫度范圍為15℃～25℃,冷凝溫度為35～55℃的工況下,熱泵的性能系數(shù)達(dá)到了2.55～3.35,太陽能集熱器效率在50%～70%之間。曠玉輝建立了直膨式太陽能熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)樣機(jī),同樣采用裸露平板太陽能集熱器作為蒸發(fā)器,在模擬光源(0～1000W/m2)的照射下,熱水器性能測試結(jié)果熱水平均加熱功率為1.04kW,熱泵平均COP為4.18,得到了熱水溫度、集熱/蒸發(fā)板溫度、熱水加熱功率及熱泵COP隨太陽輻射強(qiáng)度及運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律,提出了熱泵COP的改善措施。(2)太陽能熱泵冬季供暖工況在非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中,太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立,通過集熱介質(zhì)在集熱器中吸收太陽能,并在蒸發(fā)器中與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱。非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)研究的關(guān)鍵是提高系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性。曠玉輝搭建了太陽能熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),著重研究了太陽能熱泵冬季供暖工況;在整個(gè)供暖測試期內(nèi),室外平均溫度為-1.56℃,平均太陽輻射強(qiáng)度為327.8W/m2,熱泵機(jī)組平均供熱系數(shù)為2.55,整個(gè)系統(tǒng)平均供熱系數(shù)為2.19,系統(tǒng)未使用輔助熱源。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)的平板型太陽能集熱器具有良好的集熱性能,平均集熱效率高達(dá)67.2%,在青島地區(qū)的氣候條件下系統(tǒng)冬季晴天可提供約1100L/d(溫升40℃)的熱水,夏季晴天可提供約800L/d(溫升30℃)的熱水。張喜明介紹了在青島建筑工程學(xué)院熱泵實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備及管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造的太陽能熱泵供熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)供熱系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差分析,指出太陽能熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠,為太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。(3)太陽能熱泵系統(tǒng)集熱器表面溫度直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)中工質(zhì)直接在集熱器/蒸發(fā)器內(nèi)膨脹吸熱,既可以吸收太陽輻射能也可以吸收周圍空氣中的熱能,大大提高了系統(tǒng)在不同工況下連續(xù)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)太陽能系統(tǒng)來說集熱器表面溫度越低,越有利于提高太陽能集熱器的效率;相反,對(duì)熱泵系統(tǒng)來說蒸發(fā)器表面溫度越高,越有利于提高熱泵循環(huán)的效率和減少結(jié)霜現(xiàn)象。由于直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)集熱器管道中流動(dòng)的是制冷劑而非水,可有效避免冬季的凍管問題。應(yīng)該注意到,直膨式太陽能熱泵在應(yīng)用中存在系統(tǒng)優(yōu)化配比、與建筑一體化、投資經(jīng)濟(jì)性等一系列問題。非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣、適于集中,但其結(jié)構(gòu)形式較直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)復(fù)雜。因此,選擇太陽能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)該綜合考慮工況、系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性等因素合理地進(jìn)行選擇。1.2中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)目前,供熱溫度在50℃以下的常溫蒸氣壓縮式熱泵技術(shù)已基本成熟并市場化;為了滿足工業(yè)過程對(duì)更高供熱溫度需求,中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究近年來取得了不少成果。中高溫?zé)岜幂o助太陽能系統(tǒng)可以借鑒這些成果,特別是環(huán)境特性和循環(huán)性能俱優(yōu)的中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的選用。天津大學(xué)的馬利敏提出一種臭氧破壞勢ODP為0,溫室效應(yīng)勢GWP較低的非共沸混合工質(zhì)M1。在冷凝溫度為70～100℃的中高溫?zé)岜霉ぷ鳒囟确秶鷥?nèi),與傳統(tǒng)工質(zhì)CFC114相比,M1的理論循環(huán)和COP均高于CFC114;與之前文獻(xiàn)篩選得到的純工質(zhì)HFC143、CF3I相比,M1的壓力水平低于CF3I,高于HFC143,COP低于HFC143,高于CF3I。M1在兩器內(nèi)有5～8℃的相變溫度滑移,與外部載熱流體的溫度變化相匹配,有利于減小兩器的溫差傳熱不可逆損失。該工質(zhì)具有作為中高溫太陽能熱泵工質(zhì)的潛力。趙軍在中高溫?zé)岜幂o助太陽能空調(diào)系統(tǒng)的可行性研究中,提出分別用R152a和R600a做工質(zhì)制取熱水驅(qū)動(dòng)雙級(jí)溴化鋰制冷機(jī)兩種方案,通過對(duì)中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)循環(huán)性能的分析表明,R134a和R152a因冷凝壓力高不適合制取80℃以上的熱水,R600a性質(zhì)較好可以用來制取高溫水。此外,天津大學(xué)的馬一太,清華大學(xué)熱能工程系都開發(fā)出了新的中高溫?zé)岜霉べ|(zhì),這些工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)中都表現(xiàn)出良好的性質(zhì)。應(yīng)該注意的是,優(yōu)選工質(zhì)時(shí)應(yīng)綜合考慮壓比、工質(zhì)熱物性、工質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、系統(tǒng)性能要求、與壓縮機(jī)的匹配、環(huán)保性等多方面因素進(jìn)行優(yōu)化篩選。1.3壓縮機(jī)的性能對(duì)比太陽能熱泵系統(tǒng)所選擇的壓縮機(jī)種類會(huì)對(duì)熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。通?；钊麎嚎s機(jī)能夠更好地適應(yīng)高壓差和低環(huán)境溫度,而回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)(如渦旋壓縮機(jī))低溫工作時(shí)通常無法滿足系統(tǒng)的制熱要求,因此系統(tǒng)中需要設(shè)置電加熱器,設(shè)置電加熱器看似會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜,不如直接采用能耐受惡劣工況的活塞壓縮機(jī);但通?；钊麎嚎s機(jī)的性能系數(shù)比渦旋壓縮機(jī)低,而且其價(jià)格也較高,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增加。西安交通大學(xué)的胡偉選用兩種方案進(jìn)行分析研究,方案1使用MT60活塞壓縮機(jī),而方案2采用ZR61渦旋壓縮機(jī),在方案2中保留電加熱,建立合適的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)2005年西安地區(qū)氣象數(shù)據(jù),對(duì)壓縮機(jī)安全運(yùn)行和性能曲線進(jìn)行了模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明,ZR61系統(tǒng)具有更好的節(jié)能效果,但是其結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜,同時(shí)需要更大的配電能力。趙力研究了壓縮機(jī)頻率和熱泵主要參數(shù)之間的關(guān)聯(lián),對(duì)熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)頻率和壓縮機(jī)功耗、COP等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了各參數(shù)和頻率之間的關(guān)系。所以,除了按照基本的熱泵壓縮機(jī)選型方法外,還應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)工況和成本要求選擇壓縮機(jī)。1.4太陽能集熱器集熱器是太陽能熱泵系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,其性能與成本對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有重要影響。J.G.Cervantes能量分析結(jié)果指出,不可逆損失主要在熱泵的蒸發(fā)器中,減少集熱蒸發(fā)器的能量損失可改善相應(yīng)的熱力學(xué)循環(huán)性能。而OmerComakli研究發(fā)現(xiàn)集熱器數(shù)目從19增加到24時(shí),COP最大值增加了34%,而投資增加了71%,故集熱器最佳數(shù)目及最佳設(shè)計(jì)應(yīng)通過投資量及系統(tǒng)的日均性能的優(yōu)化過程計(jì)算。目前國內(nèi)的太陽能集熱器主要有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和U形管式真空管集熱器等。在太陽能集熱器的選型上,要合理確定供熱工況,以取得投資運(yùn)行的最佳效益。在太陽能熱泵系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱器的目的是儲(chǔ)存從集熱器獲得的低位熱量,以彌補(bǔ)太陽能間歇、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。常用的有蓄熱水槽、巖石蓄熱器、方形聚乙烯盤管蓄熱器、圓柱形螺旋盤管蓄熱器和雙效相變蓄熱器等。文獻(xiàn)提出了一種新型的相變蓄熱熱泵供熱系統(tǒng),利用夜間用電低谷時(shí)的電能蓄熱將蓄存的熱量在白天加以利用;蓄熱裝置為保溫的蓄熱容器,其內(nèi)部為圓柱形或球形密封裝置(為了避免相變材料與循環(huán)水直接接觸,相變材料按一定方式密封放置在其中)。設(shè)置蓄熱器可使熱泵機(jī)組的容量減小,節(jié)省設(shè)備投資,還可以增大熱泵的開、停時(shí)間間隔,保證機(jī)組的運(yùn)行效率。2太陽能熱泵層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法利用熱力學(xué)第一定律和第二定律對(duì)太陽能熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行能量平衡分析和分析,是目前太陽能熱泵系統(tǒng)性能及節(jié)能效果的基本分析、評(píng)價(jià)方法,這種方法可以為太陽能熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)工作提供理論依據(jù)。曠玉輝和張小松都給出了太陽能熱泵系統(tǒng)各主要設(shè)備的能量平衡和平衡方程,分析了系統(tǒng)性能及其節(jié)能效果,這些能量方程和平衡方程可以用于太陽能熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。楊前明對(duì)新型太陽能熱泵多功能復(fù)合機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的熱力學(xué)分析,分析結(jié)果可用于優(yōu)化系統(tǒng)配置,使系統(tǒng)具有更佳的性能系數(shù)。一般的太陽能熱泵評(píng)價(jià)方法只從效率、提供的能量大小以及安裝情況來對(duì)比分析不同的太陽能熱泵系統(tǒng),很難給出全面的評(píng)價(jià)結(jié)果。層次分析法(AHP法)是美國運(yùn)籌學(xué)家沙旦于1979年提出的,一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策方法,適用于多層次的綜合評(píng)價(jià)問題。文獻(xiàn)引入層次分析法對(duì)不同類型的太陽能熱泵系統(tǒng)的熱性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及實(shí)用性等多項(xiàng)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),確定了評(píng)價(jià)指標(biāo),并建立了太陽能熱泵層次結(jié)構(gòu)模型;借助計(jì)算程序,給出各指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值,利用線性加權(quán)法,計(jì)算各種太陽能熱泵系統(tǒng)的綜合評(píng)分,從而得出全面、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)于太陽能熱泵系統(tǒng),綜合評(píng)價(jià)的總分為SUM:SUM=ΣI=120WiGiSUΜ=ΣΙ=120WiGi式中Wi——相應(yīng)于第項(xiàng)的權(quán)重;Gi——某被評(píng)價(jià)問題對(duì)應(yīng)于指標(biāo)的評(píng)分值。對(duì)直膨式、串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式太陽能熱泵系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果表明,在太陽能熱泵的熱性能和經(jīng)濟(jì)性能較高的情況下,直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)最優(yōu),串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)次之,第三為并聯(lián)系統(tǒng),最后是雙熱源系統(tǒng)。串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)具有較好的熱泵性能,但因其單位面積成本高,而該項(xiàng)的權(quán)重值為0.2120,從而影響了它的名次。雙熱源式太陽能熱泵系統(tǒng)的使用壽命較長,但因其熱泵性能差而位居最末。這種分析方法能夠較全面、客觀地綜合評(píng)價(jià)不同類型的太陽能熱泵系統(tǒng),值得推薦。3關(guān)于太陽能加熱的應(yīng)用研究3.1太陽能熱泵供熱產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益太陽能熱泵系統(tǒng)集熱成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、能耗比高、應(yīng)用范圍廣,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究和推廣工作。近年來,日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程,將太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用于賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等,都取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。一些公司在太陽能熱泵產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面取得了成功,例如美國的SolarKing系列太陽能熱泵供熱設(shè)備以及澳大利亞的Quantum系列太陽能熱泵熱水器等就是比較典型的產(chǎn)品范例。我國學(xué)者也在多個(gè)領(lǐng)域?qū)μ柲軣岜眉夹g(shù)的應(yīng)用展開研究。李舒宏、張雪梅、張喜明等人對(duì)太陽能熱泵熱水裝置進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用分析,鄭宗和對(duì)太陽能熱泵供暖系統(tǒng)應(yīng)用于西藏地區(qū)進(jìn)行了研究,張喜明設(shè)計(jì)了太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng),周恩澤進(jìn)行了太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,崔俊奎、趙軍等人對(duì)中高溫?zé)岜幂o助太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。這些研究成果充實(shí)了太陽能熱泵理論,為太陽能熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了有益的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。3.2太陽能-熱泵中央熱水系統(tǒng)月壇體育中心綜合訓(xùn)練館是北京市西城區(qū)體育局投資建設(shè)的一所多功能體育訓(xùn)練館,也是北京市西城區(qū)可持續(xù)發(fā)展示范項(xiàng)目。訓(xùn)練館采用太陽能-熱泵中央熱水系統(tǒng)供應(yīng)運(yùn)動(dòng)員洗浴用衛(wèi)生用水,并輔助市政熱力為游泳池加熱。該館每日50℃熱水最大用量為30m3。該項(xiàng)目安裝的太陽能-熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)日供熱能力為2500kWh,全年總供熱量為91.25萬kWh;直流式真空管太陽能集熱器的平均集熱效率在55%以上,根據(jù)北京地區(qū)的太陽輻照資料,太陽能集熱器年有效得熱量將大于832kWh/m2。800m2太陽能集熱器年總有效得熱量為66.56萬kWh,可滿足系統(tǒng)年總供熱量的73%,其余27%即24.69萬kWh來自熱泵機(jī)組的貢獻(xiàn)。項(xiàng)目所采用的太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組平均制熱性能系數(shù)可達(dá)3.0,太陽能-熱泵中央熱水系統(tǒng)每年消耗常規(guī)能源8.23萬kWh,只占系統(tǒng)年總耗能的9%,年綜合節(jié)能率可達(dá)90%以上。系統(tǒng)于2005年1月投入運(yùn)行后,設(shè)備運(yùn)行正常,系統(tǒng)性能穩(wěn)定。4太陽能熱泵技術(shù)的發(fā)展前景我國在發(fā)展太陽能熱泵技術(shù)方面也存在一系列有利條件:能源和環(huán)境保護(hù)政策在一定程度上促進(jìn)了太陽能熱