太陽能熱泵原理和技術(shù)分析

太陽能熱泵原理和技術(shù)分析太陽能熱泵原理和技術(shù)分析太陽能熱泵原理和技術(shù)分析xxx公司太陽能熱泵原理和技術(shù)分析文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度太陽能熱泵原理及技術(shù)分析

熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，長期以來主要應(yīng)用于建筑物的采暖空調(diào)領(lǐng)域。因熱泵制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來越多的采用熱泵設(shè)備作為熱源。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結(jié)構(gòu)簡單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便，在衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)外，現(xiàn)在已有多個品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場。但空氣源熱泵的一個主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數(shù)隨著室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區(qū)。

將熱泵技術(shù)與太陽能結(jié)合供應(yīng)生活熱水，國內(nèi)外進(jìn)行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽能系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，另一種是利用太陽能熱水為低溫?zé)嵩椿驅(qū)⑻柲芗療崞髯鳛闊岜玫恼舭l(fā)器的太陽能熱泵系統(tǒng)。前者以太陽能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽能供熱的連續(xù)性問題，但仍舊無法擺脫環(huán)境溫度對熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽能作為熱泵熱源，大大提高了太陽能的利用效率，但太陽能資源不足時仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽能集熱量的限制，規(guī)模一般比較小。

在大型的太陽能中央熱水系統(tǒng)中，空氣源熱泵無疑是一種比較理想的輔助加熱設(shè)備，為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行的性能，擴(kuò)大它的使用區(qū)域，結(jié)合國內(nèi)外太陽能熱泵研究中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我們研制了一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新型的采用低溫太陽能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽能和熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽能資源不足時熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。

1太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)組成

太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)基本組成

太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽能集熱器和太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。

太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組

太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組工作原理

為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，國內(nèi)外眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，歸納起來主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來提高熱泵低溫制熱性能，比如通過電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機(jī)周圍敷設(shè)相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運(yùn)行出力等等；二是通過改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級壓縮的空氣源熱泵，設(shè)中間補(bǔ)氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統(tǒng)，低溫工況下讓壓縮機(jī)高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時向壓縮機(jī)工作腔噴液以防止其過熱，從而使熱泵機(jī)組能夠正常運(yùn)行。

太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的，如圖2所示。在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時，高于環(huán)境溫度的太陽能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。2、太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組示意圖

太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組性能特點(diǎn)

與普通的空氣源熱泵相比較，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行具有如下幾個明顯的特點(diǎn)：

(1)COP顯著提高

在同樣的環(huán)境溫度下，太陽能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有了明顯的提高，熱泵制熱性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化情況如圖2所示。

(2)防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時間

由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時，機(jī)組的化霜次數(shù)和時間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷的運(yùn)行。

(3)改善空調(diào)壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長機(jī)組使用壽命

在環(huán)境溫度較低時，空調(diào)壓縮機(jī)的壓縮比急劇升高，壓縮機(jī)的排氣溫度常常會超過壓縮機(jī)允許的工作范圍，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁的啟停，無法正常工作，長此以往，將會損傷壓縮機(jī)的整體性能，減少空調(diào)設(shè)備的使用壽命。通過太陽能作為輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機(jī)的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機(jī)在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問題，并且可以使整個熱泵機(jī)組的使用壽命有效延長。

太陽能輔助換熱器的設(shè)計(jì)

輔助換熱器位于熱泵蒸發(fā)器的外側(cè)，作為熱泵機(jī)組的一個部件與熱泵機(jī)組同步設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用和蒸發(fā)器同樣外型尺寸和材質(zhì)的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過溫升及其與熱泵蒸發(fā)器的間距應(yīng)根據(jù)太陽能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽能水溫、環(huán)境溫度及熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度、排風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

太陽能集熱器

目前在太陽能熱水工程中通常采用的太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種[8]。對于全年使用的比較大型的太陽能中央熱水系統(tǒng)，要求太陽能集熱器應(yīng)具有一定的承壓能力，比較高集熱效率，比較小的管道阻力，抗凍能力強(qiáng)，易于維護(hù)。在這幾種太陽能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高，市場占有率大，但因其不能承壓運(yùn)行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽能熱水系統(tǒng)中，絕大部分都被用作家用太陽能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽能集熱器，可以承壓運(yùn)行，適用于在大型的太陽能熱水工程中應(yīng)用。

平板集熱器是應(yīng)用比較早的一種太陽能集熱裝置，一直以來也是世界太陽能市