太陽能熱泵系統的類型及分析

摘 要

摘要：介紹了太陽能熱泵系統類型，包括直膨式、非直膨串聯式、非直膨并聯式、非直膨混聯式。比較了這4種太陽能熱泵系統的制熱性能系數及適用范圍，對太陽能熱泵系統的經濟性、環
摘要：介紹了太陽能熱泵系統類型，包括直膨式、非直膨串聯式、非直膨并聯式、非直膨混聯式。比較了這4種太陽能熱泵系統的制熱性能系數及適用范圍，對太陽能熱泵系統的經濟性、環保性進行了分析。
關鍵詞：太陽能熱泵；供暖；制熱性能系數
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
   我國能源需求發展迅速，2006年我國能源消費總量為24.63×108t標準煤，比2005年增加了2.16×108t，增長了9.6%[1]。隨著煤、石油、天然氣等化石能源的日益緊缺和化石能源利用產生的環境問題日益嚴重，開發可再生能源和實現現有生產、生活過程的節能，成為我國實現高速經濟發展的重要保障。太陽能熱泵技術是熱泵技術和太陽能熱利用技術的結合，應用廣泛[2～7]。由于太陽能在利用時幾乎不產生污染，因此太陽能熱泵供暖技術的開發利用受到越來越多的重視。本文對太陽能熱泵系統的類型及經濟性進行分析。
1 太陽能熱泵系統類型
    太陽能熱泵系統根據太陽能集熱器與熱泵的組合形式可以分為直膨式和非直膨式[8、9]。
   ① 直膨式
   直膨式太陽能熱泵系統是將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發器(見圖1)。這種系統中集熱器多采用平板式，結構簡單、性能良好。
 
   ② 非直膨式
   非直膨式太陽能熱泵系統將太陽能熱水系統和熱泵聯合起來，是太陽能集熱器和熱泵的蒸發器相對獨立的熱泵系統。根據太陽能熱水系統與熱泵的連接形式，非直膨式太陽能熱泵系統可以分為串聯式(見圖2)、并聯式(見圖3)、混聯式(見圖4)。
 
    串聯式：在非直膨串聯式太陽能熱泵系統中，經太陽能集熱器加熱的熱水經過太陽能蓄熱器，再流經熱泵的蒸發器。當太陽能輻射不足時，蒸發器中出來的冷水經過太陽能蓄熱器，吸收熱量后再進入蒸發器。
    并聯式：在非直膨并聯式太陽能熱泵系統中，太陽能熱水系統與熱泵系統獨立工作，互為補充。當太陽能輻射不足時，熱泵系統運行，或兩者一起運行。
    混聯式：對于非直膨混聯式太陽能熱泵系統，當太陽能輻射很小時，開啟空氣側蒸發器，即空氣源熱泵運行；當太陽能輻射足夠時，不需要開啟熱泵，直接利用太陽能即可滿足供暖要求；當外界條件位于兩者之間時，熱泵利用蓄熱水箱中的熱水作為熱源進行工作，即水源熱泵運行。
2 太陽能熱泵系統的熱力性能分析
    在以下的假設條件下對不同類型太陽能熱泵系統進行熱力性能分析：低溫環境(傳統太陽能直接供暖系統不開啟)，系統穩定運行[10]；工質壓縮過程為等熵壓縮，膨脹閥前、后工質比熵相等；工質在蒸發和冷凝過程中沒有壓力損失；集熱器溫度高于環境溫度。
    直膨式、非直膨并聯式、非直膨混聯式太陽能熱泵系統的壓力-比焓(p-h)圖見圖5～7。由圖5可知，在直膨式太陽能熱泵系統中，由冷凝器出來的工質經過膨脹閥節流(4-1)后到達太陽能集熱器，吸收太陽能后氣化(1-2)，再進入壓縮機壓縮后變為高溫高壓的氣體(2-3)，最后進入冷凝器放熱(3-4)。
    由圖6可知，在非直膨并聯式太陽能熱泵系統中，由于太陽能直接供暖系統不開啟，只剩下空氣源熱泵，從冷凝器出來的工質分為兩路，主路的工質進入節能器，輔路的工質經膨脹閥節流降壓(4-6)后也進入節能器。這兩部分工質在節能器中換熱后，輔路的工質變為氣體后被壓縮機的輔助進氣口吸入，主路的工質變為過冷液體，經膨脹閥降壓(5-7)后進入蒸發器。在蒸發器中氣化(7-1)后被壓縮機吸氣口吸入。主路和輔路的工質在壓縮機工作腔內混合，再進一步壓縮后排出壓縮機外(1，2-3)，最后進入冷凝器。
    由圖7可知，非直膨混聯式太陽能熱泵系統循環為空氣源熱泵循環(1-2-3-4)與非直膨串聯式太陽能熱泵系統循環(1′-2′-3′-4′)的疊加。
    直膨式太陽能熱泵系統的制熱性能系數ICOP,1的計算式為：
 
式中ICOP,1——直膨式太陽能熱泵系統的制熱性能系數
    h1,3——直膨式太陽能熱泵系統中壓縮機出口工質比焓，kJ/kg
    h1,4——直膨式太陽能熱泵系統中冷凝器出口工質比焓，kJ/kg
    h1,2——直膨式太陽能熱泵系統中太陽能集熱器出口工質比焓，kJ/kg
   非直膨并聯式太陽能熱泵系統的制熱性能系數ICOP,3的計算式為：
 
式中ICOP——非直膨并聯式太陽能熱泵系統的制熱性能系數
    h3,3——非直膨并聯式太陽能熱泵系統中壓縮機出口工質比焓，kJ/kg
    h3,4——非直膨并聯式太陽能熱泵系統中冷凝器出口工質比焓，kJ/kg
    h3,2——非直膨并聯式太陽能熱泵系統中輔路壓縮機入口工質比焓，kJ/kg
    a——輔路工質流量與工質總流量之比
    h3,1——非直膨并聯式太陽能熱泵系統中主路工質膨脹后工質比焓，kJ/kg
   直膨式太陽能集熱器采用板式集熱器，設備簡單，安裝方便，蒸發器和太陽能集熱器結合，從而降低設備造價。但是由于直膨式太陽能熱泵系統易發生工質泄漏，因此該系統的供熱規模較小。非直膨式太陽能熱泵系統具有形式多樣、布置靈活、應用范圍廣等特點，適用于集中供熱系統和供熱水。
3 太陽能熱泵系統的經濟、環保性分析
    太陽能熱泵系統能夠利用可再生能源，但是還要消耗電能，因此太陽能熱泵系統的發展和應用與電價關系密切。以北京能源價格為例，簡單比較燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、太陽能熱泵提供100MJ熱量所需要的燃料費用，計算結果見表1。由表1可知，在目前的能源價格下，太陽能熱泵的經濟性稍弱于燃煤鍋爐。因此，太陽能熱泵系統在現有能源價格下具有較好的經濟性。
表1 不同熱源形式下的燃料費用
熱源形式
燃料價格
燃料費用/元
燃煤鍋爐
0.78元/kg
3.80
燃氣鍋爐
2.05元/m3
19.14
燃油鍋爐
5.67元/kg
16.66
太陽能熱泵
0.6元(kW·h)
4.18
    隨著社會的進步，環境保護越來越受到關注，評價熱源對環境的影響成為衡量熱源優劣的一項重要指標。由于采用了可再生能源，太陽能熱泵系統運行過程中排放的CO2、灰渣、硫化物、氮氧化物等污染物較少，對環境的影響很小。因此，太陽能熱泵系統環境友好，是一種經濟效益、環境效益兼顧的熱源。
4 結論
    太陽能熱泵系統是一種新型熱源方式，在能源利用和環保方面都具有較高的發展潛力。在目前的能源價格下，太陽能熱泵系統的經濟性較優，對環境的影響也較小。
參考文獻：
[1] 中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒(2007年)[M].北京：中國統計出版社，2007.
[2] 韓宗偉，鄭茂余，李忠建，等.太陽能熱泵供暖系統的熱經濟性分析[J].太陽能學報，2008，(10)：1242-1246.
[3] 馬永濤，鄭宗和，葛昕，等.西藏地區太陽能熱泵供暖系統的性能分析[J].煤氣與熱力，2007，27(1)：69-70.
[4] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太陽能輔助地源熱泵供熱運行特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：39-42.
[5] 鄭宗和，高金水，葛昕.太陽能熱泵供暖系統在西藏地區的應用[J].煤氣與熱力，2006，26(12)：52-54.
[6] 黃濤，趙軍.太陽能熱泵供暖系統的實驗研究[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：71-72.
[7] 鐵燕，羅會龍.熱泵輔助太陽能熱水系統在建筑節能的應用[J].煤氣與熱力，2009，29(4)：A17-A19.
[8] 王振輝，崔海亭，郭彥書，等.太陽能熱泵供暖技術綜述[J].化工進展，2007，(2)：185-189.
[9] 李銳，張建國，俞堅，等.太陽能熱泵系統[J].可再生能源，2004，(4)：30-32.
[10] 姜亮亮.新型太陽能制冷和供暖綜合系統的研究(碩士學位論文)[D].北京：華北電力大學，2008.
 
(本文作者：于春龍 北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032)