隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源和環(huán)境是當(dāng)今世界突出的兩大社會(huì)問題，這促使人們更多地意識(shí)到能源對(duì)人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節(jié)能熱泵技術(shù)。目前我國太陽能的熱利用主要集中在被動(dòng)式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動(dòng)式太陽能供熱系統(tǒng)的開發(fā)的利用相對(duì)落后。采用節(jié)能裝置——熱泵與太陽能集熱設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達(dá)到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用潛力。熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能型空調(diào)制冷供熱技術(shù)，是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮埽⑵鋫鬏斀o高溫?zé)嵩�，以達(dá)到泵熱的目的，從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源(節(jié)約高品位能源)，即提高能量品位的技術(shù)。隨著人們對(duì)獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點(diǎn)的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術(shù)與太陽能利用相結(jié)合無疑是一種好的選擇方法。

1熱泵的基本原理及其類型

熱泵是一反向使用的制冷機(jī)，與制冷機(jī)所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1][2]。蒸發(fā)器吸熱后，其工質(zhì)的高溫低壓過熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w后，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體(放出工質(zhì)的氣化熱等，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)降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，進(jìn)入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸氣完成一個(gè)循環(huán)過程。如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：Qg=Qd+A，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的電功A起到補(bǔ)償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸熱(Qd)，并向高溫環(huán)境放熱(Qg)，周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。因此，壓縮機(jī)的能耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般用性能系數(shù)(coefficientofperformance，簡(jiǎn)稱COP)來衡量裝置的能量效率，其定義為：

COP=Qg/A=(Qd+A)/A=1+Qd/A

顯然，熱泵COP永遠(yuǎn)大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，也是制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)施建筑節(jié)能的重要途徑，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用。

所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個(gè)溫度水平，采用膨脹閥或毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流，只是壓力增加的不同形式，主要有機(jī)械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機(jī)械壓縮式熱泵又稱作電動(dòng)熱泵，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用建筑采暖和空調(diào)，在熱泵市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位;熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式，其中水—溴化鋰吸收式和氨—水吸收式熱水機(jī)組已經(jīng)逐步走上商業(yè)化發(fā)展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段，還必須克服運(yùn)轉(zhuǎn)間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問題，才能真正應(yīng)用于實(shí)際。

根據(jù)熱源形式的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻(xiàn)通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵。

2太陽能熱泵技術(shù)原理及其特點(diǎn)

太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，區(qū)別于以太陽能光電或熱能發(fā)電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組。它把熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫?zé)嵩矗陉幱晏�，直膨式太陽能熱泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜�，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。3太陽能熱泵熱水器的研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代初，太陽能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優(yōu)越性，即可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。隨后，日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家紛紛投入了大量的人力、物力對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行深入的研究與開發(fā)，在各地實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程，例如賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，太陽能熱泵因其具有顯著的節(jié)能性和環(huán)境友好性，得到了越來越廣泛的關(guān)注。近年來，土耳其、印度尼西亞等發(fā)展中國家也對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行了大量的研究[5][6]。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，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。

我國對(duì)太陽能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi)。天津大學(xué)、東南大學(xué)、青島建筑工程學(xué)院、上海交通大學(xué)等先后對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究，取得了一定的成果。天津大學(xué)對(duì)串聯(lián)式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明，該系統(tǒng)可以一年四季可*運(yùn)行，向用戶提供50℃生活熱水，COP達(dá)到2.64～2.85(冬天)，2.61～3.5(夏天)[7]。青島建筑工程學(xué)院對(duì)串聯(lián)式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)具有多功能調(diào)節(jié)能力，冬季熱泵供暖時(shí)熱泵機(jī)組工作穩(wěn)定，COP平均值達(dá)到2.71，具有明顯的節(jié)能效果[8]。上海交通大學(xué)對(duì)直膨式太陽能熱泵熱水器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該熱水器可全天候提供45～50℃生活熱水150L，每天耗電量約為1kW·h(夏)～2kW·h(冬)，其分體式結(jié)構(gòu)尤其適合于高層或多層建筑，此外，這種熱水器在陰雨天可以照常工作，其工作形式轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜肹9]。

3太陽能熱泵熱水器的研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代初，太陽能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優(yōu)越性，即可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。隨后，日本、美國、瑞典、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家紛紛投入了大量的人力、物力對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行深入的研究與開發(fā)，在各地實(shí)施了多項(xiàng)太陽能熱泵示范工程，例如賓館、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、圖書館以及游泳館等，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，太陽能熱泵因其具有顯著的節(jié)能性和環(huán)境友好性，得到了越來越廣泛的關(guān)注。近年來，土耳其、印度尼西亞等發(fā)展中國家也對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行了大量的研究[5][6]。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，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。

我國對(duì)太陽能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi)。天津大學(xué)、東南大學(xué)、青島建筑工程學(xué)院、上海交通大學(xué)等先后對(duì)太陽能熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究，取得了一定的成果。天津大學(xué)對(duì)串聯(lián)式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明，該系統(tǒng)可以一年四季可*運(yùn)行，向用戶提供50℃生活熱水，COP達(dá)到2.64～2.85(冬天)，2.61～3.5(夏天)[7]。青島建筑工程學(xué)院對(duì)串聯(lián)式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)具有多功能調(diào)節(jié)能力，冬季熱泵供暖時(shí)熱泵機(jī)組工作穩(wěn)定，COP平均值達(dá)到2.71，具有明顯的節(jié)能效果[8]。上海交通大學(xué)對(duì)直膨式太陽能熱泵熱水器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該熱水器可全天候提供45～50℃生活熱水150L，每天耗電量約為1kW·h(夏)～2kW·h(冬)，其分體式結(jié)構(gòu)尤其適合于高層或多層建筑，此外，這種熱水器在陰雨天可以照常工作，其工作形式轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜肹9]。

4太陽能熱泵與建筑結(jié)合的應(yīng)用

近年來，隨著太陽能事業(yè)的發(fā)展和建筑節(jié)能的要求，隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，“太陽能與建筑一體化”和“全天候供熱”已成為我國太陽能熱利用的重要議題。“太陽能與建筑一體化”就是把太陽能產(chǎn)品作為建筑部件安裝，使其有機(jī)結(jié)合起來，符合建筑美學(xué)要求，并盡可能地利用太陽能等新能源和可再生能源替代常規(guī)能源以減少建筑能耗對(duì)常規(guī)能源的依賴，降低建筑能耗占我國總能耗的比例，并提高常規(guī)能源利用率。由于太陽能熱泵具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足“太陽能與建筑一體化”的要求。由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)很難滿足“全天候”的要求，為滿足“全天候”的要求，常規(guī)方法是采用電加熱或燃?xì)饧訜釣檩o助熱源，但容易引發(fā)安全問題，且消耗了大量?jī)?yōu)質(zhì)能源，而采用太陽能供熱系統(tǒng)就能較好地解決“全天候”的問題。目前，我國太陽能熱泵主要應(yīng)在公共建筑物上，例如，北京奧運(yùn)村和奧運(yùn)場(chǎng)館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽能熱泵供熱系統(tǒng)。

5太陽能熱泵技術(shù)存在的問題

我國太陽能熱泵的發(fā)展和應(yīng)用還存在著一些問題：

1)投資經(jīng)濟(jì)性。能源結(jié)構(gòu)和燃料價(jià)格直接影響太陽能熱泵的經(jīng)濟(jì)性，例如，我國西部地區(qū)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)以及較低的燃料價(jià)格必將影響太陽能熱泵的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，太陽能熱泵系統(tǒng)初投資偏高也是影響其經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。

2)性能可*性。各種類型的太陽能熱泵性能有待提高，要使部件之間的匹配關(guān)系達(dá)到投資運(yùn)行最佳效益，要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合起來，既要考慮系統(tǒng)性能又要考慮建筑美觀，要實(shí)行智能化控制，這需要各個(gè)專業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的人共同努力、相互配合。

3)公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和認(rèn)識(shí)。目前，在我國制約太陽能熱泵應(yīng)用的主要障礙是系統(tǒng)初投資較高以及政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏足夠的了解和認(rèn)識(shí)。通過政府部門、科研機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的共同努力，借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn)，我國太陽能熱泵將得到較快的推廣和發(fā)展。

6結(jié)束語

太陽能是地球上一切能的主要來源，是無窮無盡無公害的潔凈能源，也是21世紀(jì)人類最有希望的能源。我國地域遼闊，年日照時(shí)間大于2000h的地區(qū)約占全國國土面積的2/3，處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)。太陽能熱泵技術(shù)是太陽能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽能與建筑一體化”和“全天候”的問題。太陽能熱泵技術(shù)將在太陽能利用中占有重要地位，有著廣闊的發(fā)展前景。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”