太阳能热泵系统的类型及分析_工程实践

摘要

摘要：介绍了太阳能热泵系统类型，包括直膨式、非直膨串联式、非直膨并联式、非直膨混联式。比较了这4种太阳能热泵系统的制热性能系数及适用范围，对太阳能热泵系统的经济性、环

摘要：介绍了太阳能热泵系统类型，包括直膨式、非直膨串联式、非直膨并联式、非直膨混联式。比较了这4种太阳能热泵系统的制热性能系数及适用范围，对太阳能热泵系统的经济性、环保性进行了分析。

关键词：太阳能热泵；供暖；制热性能系数

Types and Analysis of Solar Heat Pump Systems

YU Chun-long

Abstract：The types of solar heat pump systems are introduced，including direct expansion type，non-direct expansion and series connection type，non-direct expansion and parallel connection type and non-direct expansion and series-parallel connection type. The heating coefficient of performance and application scope of four kinds of solar heat pump systems are compared. The economic and environmental efficiencies of solar heat pump systems are analyzed.

Key words：solar heat pump；heating；heating coefficient of performance

我国能源需求发展迅速，2006年我国能源消费总量为24.63×10⁸t标准煤，比2005年增加了2.16×10⁸t，增长了9.6%^[1]。随着煤、石油、天然气等化石能源的日益紧缺和化石能源利用产生的环境问题日益严重，开发可再生能源和实现现有生产、生活过程的节能，成为我国实现高速经济发展的重要保障。太阳能热泵技术是热泵技术和太阳能热利用技术的结合，应用广泛^[2～7]。由于太阳能在利用时几乎不产生污染，因此太阳能热泵供暖技术的开发利用受到越来越多的重视。本文对太阳能热泵系统的类型及经济性进行分析。

1 太阳能热泵系统类型

太阳能热泵系统根据太阳能集热器与热泵的组合形式可以分为直膨式和非直膨式^[8、9]。

① 直膨式

直膨式太阳能热泵系统是将太阳能集热器作为热泵的蒸发器(见图1)。这种系统中集热器多采用平板式，结构简单、性能良好。

② 非直膨式

非直膨式太阳能热泵系统将太阳能热水系统和热泵联合起来，是太阳能集热器和热泵的蒸发器相对独立的热泵系统。根据太阳能热水系统与热泵的连接形式，非直膨式太阳能热泵系统可以分为串联式(见图2)、并联式(见图3)、混联式(见图4)。

串联式：在非直膨串联式太阳能热泵系统中，经太阳能集热器加热的热水经过太阳能蓄热器，再流经热泵的蒸发器。当太阳能辐射不足时，蒸发器中出来的冷水经过太阳能蓄热器，吸收热量后再进入蒸发器。

并联式：在非直膨并联式太阳能热泵系统中，太阳能热水系统与热泵系统独立工作，互为补充。当太阳能辐射不足时，热泵系统运行，或两者一起运行。

混联式：对于非直膨混联式太阳能热泵系统，当太阳能辐射很小时，开启空气侧蒸发器，即空气源热泵运行；当太阳能辐射足够时，不需要开启热泵，直接利用太阳能即可满足供暖要求；当外界条件位于两者之间时，热泵利用蓄热水箱中的热水作为热源进行工作，即水源热泵运行。

2 太阳能热泵系统的热力性能分析

在以下的假设条件下对不同类型太阳能热泵系统进行热力性能分析：低温环境(传统太阳能直接供暖系统不开启)，系统稳定运行^[10]；工质压缩过程为等熵压缩，膨胀阀前、后工质比熵相等；工质在蒸发和冷凝过程中没有压力损失；集热器温度高于环境温度。

直膨式、非直膨并联式、非直膨混联式太阳能热泵系统的压力-比焓(p-h)图见图5～7。由图5可知，在直膨式太阳能热泵系统中，由冷凝器出来的工质经过膨胀阀节流(4-1)后到达太阳能集热器，吸收太阳能后气化(1-2)，再进入压缩机压缩后变为高温高压的气体(2-3)，最后进入冷凝器放热(3-4)。

由图6可知，在非直膨并联式太阳能热泵系统中，由于太阳能直接供暖系统不开启，只剩下空气源热泵，从冷凝器出来的工质分为两路，主路的工质进入节能器，辅路的工质经膨胀阀节流降压(4-6)后也进入节能器。这两部分工质在节能器中换热后，辅路的工质变为气体后被压缩机的辅助进气口吸入，主路的工质变为过冷液体，经膨胀阀降压(5-7)后进入蒸发器。在蒸发器中气化(7-1)后被压缩机吸气口吸入。主路和辅路的工质在压缩机工作腔内混合，再进一步压缩后排出压缩机外(1，2-3)，最后进入冷凝器。

由图7可知，非直膨混联式太阳能热泵系统循环为空气源热泵循环(1-2-3-4)与非直膨串联式太阳能热泵系统循环(1′-2′-3′-4′)的叠加。

直膨式太阳能热泵系统的制热性能系数I_COP,1的计算式为：

式中I_COP,1——直膨式太阳能热泵系统的制热性能系数

h_1,3——直膨式太阳能热泵系统中压缩机出口工质比焓，kJ/kg

h_1,4——直膨式太阳能热泵系统中冷凝器出口工质比焓，kJ/kg

h_1,2——直膨式太阳能热泵系统中太阳能集热器出口工质比焓，kJ/kg

非直膨并联式太阳能热泵系统的制热性能系数I_COP,3的计算式为：

式中I_COP——非直膨并联式太阳能热泵系统的制热性能系数

h_3,3——非直膨并联式太阳能热泵系统中压缩机出口工质比焓，kJ/kg

h_3,4——非直膨并联式太阳能热泵系统中冷凝器出口工质比焓，kJ/kg

h_3,2——非直膨并联式太阳能热泵系统中辅路压缩机入口工质比焓，kJ/kg

a——辅路工质流量与工质总流量之比

h_3,1——非直膨并联式太阳能热泵系统中主路工质膨胀后工质比焓，kJ/kg

直膨式太阳能集热器采用板式集热器，设备简单，安装方便，蒸发器和太阳能集热器结合，从而降低设备造价。但是由于直膨式太阳能热泵系统易发生工质泄漏，因此该系统的供热规模较小。非直膨式太阳能热泵系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等特点，适用于集中供热系统和供热水。

3 太阳能热泵系统的经济、环保性分析

太阳能热泵系统能够利用可再生能源，但是还要消耗电能，因此太阳能热泵系统的发展和应用与电价关系密切。以北京能源价格为例，简单比较燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、太阳能热泵提供100MJ热量所需要的燃料费用，计算结果见表1。由表1可知，在目前的能源价格下，太阳能热泵的经济性稍弱于燃煤锅炉。因此，太阳能热泵系统在现有能源价格下具有较好的经济性。

表1 不同热源形式下的燃料费用

热源形式	燃料价格	燃料费用/元
燃煤锅炉	0.78元/kg	3.80
燃气锅炉	2.05元/m³	19.14
燃油锅炉	5.67元/kg	16.66
太阳能热泵	0.6元(kW·h)	4.18

随着社会的进步，环境保护越来越受到关注，评价热源对环境的影响成为衡量热源优劣的一项重要指标。由于采用了可再生能源，太阳能热泵系统运行过程中排放的CO₂、灰渣、硫化物、氮氧化物等污染物较少，对环境的影响很小。因此，太阳能热泵系统环境友好，是一种经济效益、环境效益兼顾的热源。

4 结论

太阳能热泵系统是一种新型热源方式，在能源利用和环保方面都具有较高的发展潜力。在目前的能源价格下，太阳能热泵系统的经济性较优，对环境的影响也较小。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴(2007年)[M].北京：中国统计出版社，2007.

[2] 韩宗伟，郑茂余，李忠建，等.太阳能热泵供暖系统的热经济性分析[J].太阳能学报，2008，(10)：1242-1246.

[3] 马永涛，郑宗和，葛昕，等.西藏地区太阳能热泵供暖系统的性能分析[J].煤气与热力，2007，27(1)：69-70.

[4] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太阳能辅助地源热泵供热运行特性研究[J].煤气与热力，2006，26(9)：39-42.

[5] 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[J].煤气与热力，2006，26(12)：52-54.

[6] 黄涛，赵军.太阳能热泵供暖系统的实验研究[J].煤气与热力，2007，27(8)：71-72.

[7] 铁燕，罗会龙.热泵辅助太阳能热水系统在建筑节能的应用[J].煤气与热力，2009，29(4)：A17-A19.

[8] 王振辉，崔海亭，郭彦书，等.太阳能热泵供暖技术综述[J].化工进展，2007，(2)：185-189.

[9] 李锐，张建国，俞坚，等.太阳能热泵系统[J].可再生能源，2004，(4)：30-32.

[10] 姜亮亮.新型太阳能制冷和供暖综合系统的研究(硕士学位论文)[D].北京：华北电力大学，2008.

(本文作者：于春龙北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032)