[科普中国]-太阳能辅助热泵

发展背景

研究开发和利用新能源，已经成为世界各国能源研究与开发的共同战略目标。20世纪70年代能源危机以来，太阳能作为可利用的新能源，逐步成为国内外研究的重点。最近研究表明：到2050年，核能将占第一位，太阳能占第二位；21世纪末，太阳能将取代核能占第一位。太阳能以其取之不尽、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视。由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。

随着生活水平的提高，热用户对于供热的要求也越来越高，太阳能利用的一些局限性日益显现出来：（1）在太阳辐照时间少的国家和和地区，其应用受到很大限制；（2）白天集热板板面温度的上升会导致集热效率下降；（3）在夜间或阴雨天没有足够的太阳辐射时，无法实现24h的连续供热，如采用辅助加热方式，势必又要消耗大量的其它能源；（4）加热周期较长；（5）传统的太阳集热器与建筑不易结合，在一定程度上影响了建筑的美观；（6）常规的太阳热水器需要在房顶设水箱，在夜间气温较低时，储水箱和集热器向外界散热造成大量的热量损失。

为了克服太阳能利用中的上述问题，人们又提出了采用太阳能加热系统作为蒸汽压缩式热泵系统的热源。蒸汽压缩式热泵在实际应用中最大的问题是当冬天的大气温度很低时，热泵系统的效率比较低。而太阳能热利用系统中的集热器在低温时集热效率较高，而热泵系统在其蒸发温度较高时系统效率较高，那么可以考虑采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源。

这样既克服了太阳能加热系统的问题又解决了热泵系统冬季效率低的问题。太阳能热泵系统由于利用太阳能具有节能环保的作用而得到快速的发展。

型式分类太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。

直膨式直膨式系统系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体。这种系统极具小型化和商品化发展潜力，但是由于太阳能辐射条件受地理纬度、季节转换、昼夜更替及各种复杂气象因素的影响而随时处于变化中，而工况的不稳定必将导致系统性能的波动。

非直膨式非直膨式系统中，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体。

根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式。串联式是指太阳能集热循环与热泵循环通过蒸发器加以串联，蒸发器热源全部来自集热循环所吸收的热量；并联式是指太阳能集热循环与热泵循环彼此独立，后者仅作为前者不能满足供热需求时的辅助热源；双热源式与串联式基本相同，只是热泵循环中包括了两个蒸发器，可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源或二者互为补充。

双热源式太阳能辅助热泵由于采用包括太阳能在内的两种低温热源或二者互为补充，使系统具有更好的稳定性。另外，可以在系统中增加蓄热装置，减小热泵机组额定容量、降低系统运行费，提高太阳能依存率（定义为来自太阳的有效得热占所需热负荷的比例），并且夏季还可进行与太阳能无关的蓄冷运行以满足房间空调的需求。

研究方向由于太阳辐射具有不连续性、波动性大等缺点，而太阳辐射强度的变化必将导致热泵系统性能的波动。因此，如何既能充分利用太阳能又能保证系统的稳定性和可靠性，是太阳能热泵系统走向实际应用必须解决的重要问题。同时，商业分体空调与家用电热水器的广泛应用，使家庭电能的消耗大幅度增加。因此，可以考虑将太阳能热泵与热水供应联合运行，用于替代分体空调与电热水器。由此，可以利用太阳能，满足用户空调与生活热水的要求，降低用户的耗电费用。

太阳能驱动热泵太阳能热利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。太阳能驱动热泵主要是指太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳能辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。

这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，一般对太阳能集热温度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。2