太阳能热泵技术在国内的研究与发展

・３２８・化工进展ＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＰＲＯＧＲＥＳＳ２００９年第２８卷增刊

太阳能热泵技术在国内的研究与发展

刘鹏，关欣，穆志君，马虎根

（上海理工大学热工程研究所，上海２０００９３）

摘要：随着太阳能光热技术的不断成熟，，Ｋｄｆｌ开始将其与传统的热泵行业相结合，本文总结了近些年国内相关学者对于太阳能热泵方面的研究工作，介绍了直膨式与非直膨式太阳能热泵的研究进展，以及光伏热泵的相关研

究动向。基于前人研究成果，提出了双热源热电冷联供热泵系统的设想，以期对研究工作有一定的启发作用。

关键词：太阳能热泵；国内研究；双热源热泵；热电冷三联供

太阳对于人类来说，是一个硕大的能量宝库。

其辐射到达地球表面的能量高达４×１０１５ＭＷ，相当

于每年３．６×１０’亿ｔｃｅ（ｔｏｎｏｆｓｔａｎｄａｒｄｃｏａｌ

ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ，１吨标准煤当量），约为全球能耗的２０００倍…。而在能源日益枯竭的今天，太阳能无疑

将是一笔巨大的财富。美国的马奇蒂博士１２Ｊ，对世

界一次能源替代趋势的研究结果表明，太阳能将在

２ｌ世纪初进入一个快速发展阶段，并在２０５０年左

右达到３０％的比例，次于核能居第二位，２１世纪

末太阳能将取代核能居第一位。早在２０世纪５０

年代初，太阳能热利用的先驱者Ｊｏｄａｎ和Ｔｈｅｒｋｅｌｄ

就指出了太阳能热泵的优越性，即可同时获得太阳

能集热器效率和热泵系统性能的提高。在２０世纪

７０年代，美国学者Ｔ．Ｌ．Ｆｒｅｅｍａｎ和Ｒ．Ｃ．Ｂｏｓｉｏ较早

的提出太阳能热泵系统（ＳｏｌａｒＡｓｓｉｓｔｅｄＨｅａｔＰｕｍｐ，ＳＡＨＰ）。认为直接用太阳能作热泉热源，可以提高

热泵的蒸发压力和蒸发温度，进而使得热泉系统的

性能系数ＣＯＰ与常规热泵相比有显著提高。Ｈｕａｎｇ

和Ｍｏｒｒｉｓｏｎ分别开发了接近于商业应用的一体化

ＳＡＨＰ系统，并分别在我国台湾和澳大利Ⅱ进行了长期的试验研究【¨Ｊ。本文将对国内关于太阳能热

泵的研究工作进行综述，并提出一种新型的太阳能热电冷三联供热泵系统。

１直膨式太阳能热泵

直膨式太阳能热泵以太阳能集热板为低温热

源，充当热泵系统的蒸发器，使制冷工质在太阳能

集热板中商接吸收太阳辐射。其主要包括太阳能蒸

发集热器，压缩机，膨胀阀，冷凝器等部件。其原

理如图ｌ［５１。

直膨式太阳能辅助热泵热水器（ＤＸ．ｓＡＨＰｗＨ）

的制冷剂工质在流经太阳能集热器／蒸发器时，可以

同时吸收太阳能和周围环境的热量，用于制取生活太阳辐射２

画，机－Ｔ３漩肾

甘滞牯詈冷凝器１主隧节流装置．Ｌ－１—一７

图ｌ直膨式太阳能热泵系统．浸入式原理图

热水睁¨。由于这种热泵技术是将太阳能热利用与空

气源热泵技术有机地结合，综合了太阳能热利用与

空气源热泵的优点，所以整个系统的经济性有显著

提高。与常规空气源热泵热水器相比，年能效比可提高２７．７％ｔａＪ。

国内关于太阳能热泵发面的研究起步较晚，但

是在短短的十几年时间内上海交通大学，天津大学，

青岛理工大学，上海水产大学等在此方面的研究取

得了丰收的成果（见表１）。天津大学的赵军等一】对

串联式太阳能热泵供热水系统分别进行了实验研究

和理论分析，结果表明，其所建立的实验系统一年

四季均能可靠运行，能够稳定的向用户提供５０℃生

活热水，ＣＯＰ达到２．６４－－－－２．８５（冬天），２．６１～３．５

（夏天）。同时赵军还利用平衡均相理论建立了太阳

能集热器两相流数学模型。计算结果表明，在较宽

的环境温度、冷凝温度和太阳能辐射强度范内，热

泵系统性能系数可达到４．０，－一６．５，虽比Ｒ１２的略低

６％左右，但Ｊ玉缩机排气温度也较Ｒ１２的要低，这

将有利于压缩机的冷却和良好运行，且太阳能集热

器的集热效率在７０％～７８％ｒｉｏＪ。

青岛建筑工程学院设计开发了单层盖板的平板

集热器并进行了实验研究，在整个供暖测试期间，

尽管窀外温度在一１０＂４℃变化，室内温度仍能够

保持在１６～２２℃，平均为１９。３２℃，热泵制热性增刊刘鹏等：太阳能热泵技术在国内的研究与发展・３２９・

能系数按式（１）计算：８哪＝Ｑｋ｛妒ｌＩｐ＋ｗｐ＋ｗｒ）（１）其中，级为热泵机组的供热功率，％为压缩

机功率，％为循环水泵功率，昕为风机盘管功率。ＣＯＰ

平均可以达到２．５５。采用集热效率计算公式，如式（２）。一｜｜ｏ…仉＝包／见＝Ｑ／［４ｌ１Ａｔ）ｄｒ】“’

”其中，Ｑ为太阳能集热器日间８ｈ（８：００～１６：ｏｏ）

集热量，ｋＪ；Ｈｚ为日间太阳辐射总量，ｋＪ；也按８ｈ（８：

００～１６：００）计算；Ａ。为太阳能集热器的集热面积，ｍ２；厶为太阳辐射强度，ｋＷ／ｍ；经过计算得到，平

均集热效率高达６７．２％【ｌｌ】。

上海交通大学建立了直膨式太阳能热泵供热

水系统实验台，结果表明该系统在各种天气情况下均能可靠地生产５０℃的生活热水（热水平均温升

达３０℃以上，日均耗电量为１．６８ｋＷ・ｈ，平均ＣＯＰ

达到３．１），说明其热性能较为稳定，且具有明显

的节能效果【ｌ引。同时做出了直膨式太阳能热泵热

水器实验样机，在室内模拟光源Ｏ～１０００Ｗ／ｍ２下，

可得出热水平均加热功率为１．０４ｋｗ，热泵平均

ＣＯＰ为４．１８［１３】。

２００６年上海交通大学李郁武等针对自行设计、

建造的“直膨式太阳能热泵热水器”实验样机进行了春季运行工况的实验研究，结果表明，在环境温

度均值２０．６℃、太阳辐射强度均值在９５４．５９Ｗ／ｍ２的室外气象条件下，将１５０Ｌ水从１３．４℃加热到

５０．５℃只需９４ｍｉｎ，热泵供热性能系数达到

６．６１［１４１。

哈尔滨工业大学的余延顺等，针对太阳能热泵

系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动

态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况

分别提高２３．１％和２２．７％的结论【ｌ驯。上海水产大学自行设计、建立了直接膨胀式太

阳能热泵系统实验装置。并进行了春季运行工况下

的实验研究。结果表明，在空气温度为２２～２４℃，

太阳能辐照度为７００＂１０００Ｗ／ｍ２的室外环境下，该

系统的热泵性能系数ＣｏＰ达到了２．５０－－－３．３５。根据

典型实验数据，讨论了太阳能辐照度、环境温度、・，

冷凝温度等各参数对系统的热泵性能系数和集热效

率的影响Ｉｌ们。并利用平衡均相理论建立了太阳能集

热器的数学模型。根据测定的环境参数对该系统进

行了模拟计算。结果显示，裸板式太阳能集热器所在系统的ＣＯＰ可达５．０～５．８；认为若要改善此直膨

式太阳能热泵系统的ＣＯＰ，可采用加装透明盖板和

背面设保温结构的太阳能集热器及太阳能集热器多

组并联的型式ｕＨ。

表ｌ国内直膨式太阳能热泵主要研究进展

２间接式太阳能热泵

间接式系统即非直膨式太阳能热泵系统，是指

太阳能集热器与热泵蒸发器分开作为两个独立的换

热器。在太阳能集热板一侧的工质吸收了太阳能而

升温，将这部分工质用作蒸发器内热泵循环工质的

热源。这种系统的优点在于夏季，或者太阳辐射充足的情况下，可以直接利用太阳能集热循环进行采

暖或供热水，无需开启热泵，进而减小系统的运行

成本；在太阳辐射条件较差的情况下，启用热泵循

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ｆｊｌ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【ｌ圳，・３３０・化工进展２００９年第２８卷

水出

水进

图２串联武太阳能热泵热水系纠１９】

ｌ一太阳能集热器；２—储热水箱；３～压缩机；４一膨胀阀；

５一集热水箱；６一循环水泵

图３并联式太阳能热水热泵系统［１９】

１一太阳能集热器：２一集热水箱；３一压缩机；４一膨胀阀；５一蒸发器；

６－循环水泵

这些都限制了它的应用与推广。非直膨式太阳能热

泵分为串联式，并联式，其原理如图所示如图２、

图３。

国内相关研究的进展也取得了许多成果。吉林

建筑工程学院在青岛地区建市了一套非直膨太阳能

热泵性能实验台，主要测试了小｜一Ｊ热负荷情况下热

泵蒸发器和冷凝器进、出口工质的日平均温度、温

差的变化。进『面分析非直膨式热泵的热性能。实验

结果表明，蒸发器的平均吸热量为３．ＯｌｋＷ，冷凝

器的平均供热蕈为４．９９ｋＷ，压缩机的平均耗电量

为１．９６ｋＷ。供热系数平均值达到２．７ｌ，可以在冬

季满足窀内供热负荷的需要【２０Ｊ。

青岛建筑工程学院旷玉辉，张开黎等，对串联

非直膨式太阳能热泵供暖系统进行了能量分析和

‘‘大用”分析及实验研究，分别从太阳能集热器，蓄

热器，热泵系统，用热设备等四个方面建立了啾用”

平衡方程，给出了评价太阳能热泵系统性能的效率

表达式【２ｌ】如式（３）～式（８）。系统供热性能系数ｃｏＰｋ＝瓯／ｗｅ（３）

系统热效率ｒ］ｓｙｓ．ｒ＝鳊／（ｗｅ＋，，４）（４）系统“火用”效率‰，ｄ＝ｍ咖（ｅｋ，。一ｅｔ，，，）／（Ｗｅ＋，，４）（５）

热泉供热性能系数ｒ／ｈｐ＝绕／Ｗｅ（６）

热泵效率ｒ／，ｈｐ。７’＝Ｑ，，／［Ｗｅ＋％忆。ｆ—ｈｏ，。月（７）热泵“炯”效率ｒｌｈｐ，Ｐ＝ｍｈｙ恢，Ｄ—ｅｋ，ｊ）／ｔＷｅ＋，押ｃ忆，ｆ一％，。＿ｎ（８）其中，‰为用热设备热负荷，包括室内采暖负

荷和热水负荷；眈为压缩机输入有效功；４。为集热

面积，ｍ２；厶倾斜表面单位面积上的太阳辐射强度，ｋｗ／ｍ２；ｅｋ∥ｅｋ．ｆ为冷凝器冷却水进、出口比‘娴”，

ｋＪ／ｋｇ；ｈ“，ｈ叩为蒸发器中冷冻水进、出口比焓，

ｋＪ／ｋｇ。西安交通大学孙志林等经过热泵系统的热力

学分析对比直膨式与非直膨式太阳能热泵的制热性能系数的差别（见图４），结果认为直膨式与非

直膨式太阳能热泉两者的工作原理及运行过程足

一样的。同时对比分析了空气源热泵（如图５）与

双热源热泵（如图６）的制热性能系数。各种热泵

循环的Ｐ．ｈ图如下。

结果显示带回热器的卒气源热泵系统在低温环

境下供热系数ＣＯＰ低于太阳能辅助的双热源型热

泵机组【２２】。其中制热性能系数ＣＯＰ的计算方法如

图４太阳能热泵

ｈ图５带回热器的空气源热泵

ｈ

图６太阳能．空气源双热源热泵