太陽能熱泵概述

王飛騰

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710302)

0 引言

環(huán)境和能源是當(dāng)今世界兩大最被關(guān)注的焦點(diǎn)問題。太陽能是源源不斷的可利用潔凈能源。據(jù)估計(jì)，太陽能在21世紀(jì)會(huì)進(jìn)入快速利用發(fā)展階段，并逐漸取代傳統(tǒng)能源和核能。世界觀察研究所的一項(xiàng)報(bào)告指出：太陽能能源將成為全球能源的主流［1］。

1 太陽能熱泵系統(tǒng)工作原理

1.1 工作原理

太陽能系統(tǒng)是熱泵系統(tǒng)耦合太陽能組成的。太陽能熱泵系統(tǒng)主要有集熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、蓄熱器等組成，此系統(tǒng)利用集熱器收集太陽能的低溫?zé)崃?，熱量通過熱泵被提升到所需溫度，如果需要供應(yīng)60℃以上的熱水，可以增加電熱水器進(jìn)行熱量補(bǔ)充。圖1所示太陽能熱泵的工作原理。

圖1 太陽能熱泵工作原理

1.2 集熱器

集熱器是太陽能系統(tǒng)中的主要部件，J.G.Cervantes〔2〕能量分析指出，不可逆損失主要產(chǎn)生在熱泵的蒸發(fā)器處，如果減少蒸發(fā)器的能量損失就可以減少系統(tǒng)的不可逆損失，改善熱力循環(huán)性能。Omer Comakli〔3〕發(fā)現(xiàn)集熱器的數(shù)目從19個(gè)增加到24個(gè)時(shí)，COP最大可增大34%，投資可增大71%，因此集熱器的最佳數(shù)目要通過投資額和系統(tǒng)的性能高綜合考慮。

1.3 蓄熱器

太陽能輻射具有不穩(wěn)定性，受到緯度、晝夜、季節(jié)、氣候的影響較大。太陽能系統(tǒng)要解決太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性的問題，就必須加設(shè)蓄熱器，太陽能熱泵系統(tǒng)的蓄熱器能夠?qū)⒓療崞鳙@得的低品位熱加以儲(chǔ)存。

2 太陽能熱泵在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

當(dāng)今，太陽能熱泵主要在公共建筑上得以應(yīng)用。西部地區(qū)的第一套太陽能熱泵在西安一建筑上應(yīng)用，此系統(tǒng)由368 m2的集熱器和一個(gè)地源熱泵組成，每天可提供30t，55℃的熱水。北京月壇體育中心訓(xùn)練館采用太陽能熱泵提供熱水，此系統(tǒng)主要是提供生活熱水，富余熱量為泳池加熱。此館每天需要50℃的熱水30t。太陽能系統(tǒng)單獨(dú)可提供全年總熱量的73%，其余的熱量由熱泵供應(yīng)。制熱時(shí)，太陽能熱泵只需小號(hào)三分之一的電能，其余熱量來自太陽能［4］。北京建立的天普新能源示范大樓，使用面積1018 m2的集熱器，夏季可提供個(gè)熱水120 m3.夏季使用太陽能占總能量的80%。昆明地區(qū)使用他養(yǎng)能熱泵干燥木材，每月可節(jié)省電費(fèi)1萬元左右，并且相比傳統(tǒng)的干燥方式，具有干燥質(zhì)量好，使用成本低，除投資少等特點(diǎn)［5］。

3 太陽能熱泵的特點(diǎn)

3.1 太陽能熱泵的優(yōu)點(diǎn)

太陽能熱泵將熱泵和太陽能結(jié)合起來使用，彌補(bǔ)了熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的利用系數(shù)。如果熱泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，南方地區(qū)夏季派熱量大，使得土壤溫度過高，北方地區(qū)冬季吸熱量大，使得土壤溫度不斷下降，影響了熱泵的正常使用。熱泵系統(tǒng)加入太陽能系統(tǒng)后，就可以使土壤溫度得到回復(fù)，熱泵的利用系數(shù)提高。太陽能熱泵在冬季使用時(shí)，通過太陽能提供初步熱量可以提高蒸發(fā)級(jí)的蒸發(fā)溫度，還可以防止蒸發(fā)器結(jié)霜，提高了系統(tǒng)的COP值［6］。據(jù)某建筑測(cè)試，在低溫環(huán)境-16℃時(shí)，太陽能熱泵仍然可以正常運(yùn)行，-10℃以上的室外溫度，太陽能熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的風(fēng)冷式熱泵運(yùn)行效率提高30%。

3.2 太陽能熱泵的缺點(diǎn)

現(xiàn)行太陽能熱泵大致具有一下缺點(diǎn)：(1)太陽能熱泵的除投資偏高，這就影響了太陽能熱泵的推廣。(2)運(yùn)行的可靠性。太陽能熱泵正在初步發(fā)展階段，使用還不是很成熟，太陽能熱泵的部件之間匹配要達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，還需要對(duì)太陽能熱泵的更完善設(shè)計(jì)和發(fā)展。

4 結(jié)論

太陽能是21世界最具前景的清潔能源。我國(guó)地域廣闊，每年日照時(shí)超過2000h的區(qū)域大約占我國(guó)面積的2/3。太陽能熱泵兼具了太陽能和熱泵的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了彼此的不足，具有效率高，耗電少等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］安玉彬，劉旭東，田永春1二十一世紀(jì)中國(guó)能源發(fā)展的總趨勢(shì)［J］1 能源工程，1999，(1)：1-41

［2］Cervantes JG，Torres-Reves E.Experiments on a solar assisted heat pump and an energy analysis of the system［J］1Applied Thermal Engineering，2002，22(12)：1289-12971

［3］Comakli Omer，Bayramoglu Mahmut.A thermodynamic model of a solar assisted heat pump systemwith energy storage［J］Solar Energy，1996，56(6)：485-492

［4］周小波.月壇體育中心綜合訓(xùn)練館--太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)［J］.建筑技術(shù)，2005，(3)：49-511

［5］李海燕，劉祖明.太陽能熱泵木材干燥系統(tǒng)［J］.太陽能，2000，(1)：171

［6］李勤，太陽能—地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.世界有色金屬，2012(10)：74-77