太阳能集热器和空气源热泵联合供暖的研究现状

顾祥红，彭齐鑫

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

本世纪以来，能源短缺和环境污染等问题越来越严重。根据2017年的《世界能源统计年鉴》报告书[1]数据显示，2017年的可再生能源发电量所占的比例较往年增长了14.1 %，其中太阳能贡献了约三分之一的增长。空气源热泵通过消耗电能，从低温环境吸收能量，在高温环境释放能量，完成制热。太阳能和热泵联合运行的概念最早由Jordan在20世纪50年代首次提出[2]。之后，科研学者对此进行研究，设计出不同类型的太阳能热泵系统。太阳能热泵将两者相结合使得优势互补；这样可以提高系统的整体供暖性能。本文主要针对直接膨胀式和间接膨胀式两大类系统，总结国内外的研究进展和成就，并提出个人观点和见解。

1 太阳能资源

我国地域广阔，主要处于温带和亚热带，具有丰富的太阳能资源。分布状况呈现出由西向东递减的特点，这是因为我国西部高原地区海拔高，空气稀薄，太阳辐射强。不同地区的全年太阳辐射总量在3300～8000 MJ/m2之间，平均值达到5900 MJ/m2[3]。尽管太阳能资源具有清洁，环保和可再生的优点，但同时也存在不连续、不稳定的缺点，因此需要辅助能源保障供暖稳定。此外，如果太阳能供暖系统应用在大型建筑中，设备的初投资将会大大提高。为了克服上述问题并提高能源利用率，热泵技术因其高效和环保优点，在众多技术中脱颖而出。目前，结合太阳能和热泵两大技术优点的的太阳能热泵技术得到了广泛应用。

2 太阳能热泵系统分类

太阳能热泵系统利用太阳能集热器吸收太阳辐射能，提高热泵蒸发侧热源温度，从而达到提高热泵系统COP（制热性能系数）的目的[4]。太阳能集热器和热泵蒸发器具有不同的结合方式，因此，将太阳能热泵系统分为直接膨胀式和间接膨胀式两大类。

在太阳能热泵系统这一概念提出之后，国外发达国家就开始对其进行大量研究。目前对太阳能热泵技术的研究主要是，提高太阳能集热器的集热效率和热泵制热性能这两个方面。

2.1 直接膨胀式太阳能热泵系统

直接膨胀式太阳能热泵是利用太阳能集热器取代原有的热泵蒸发器，将集热器和热泵构成一个完整的循环系统，其结构原理如图1所示。太阳能集热器吸收太阳能加热内部的制冷剂，使得系统的蒸发温度比传统空气源热泵要高出很多，可以大大提高热泵系统的制热性能。

当太阳辐射强时，集热器吸收太阳能供暖；当太阳辐射较弱时，集热器吸收周围空气能供暖，这样就能够保证在不同天气条件下，系统都能够正常运行。此系统因为部件少、结构简单等特点，已经成为近年来太阳能热泵研究的热点。

图1 直接膨胀式太阳能热泵系统示意图

Malali等[5]提出一种分析方法用于确定直接膨胀式太阳能热泵的工作性能，这种方法可以用于计算一个单独区域的系统性能，或者用于比较不同区域的系统性能，通过计算得出，纽约市1月份的系统COP的范围是3.6～5.6。Elamin Mohamed等[6]通过改变室外温度和太阳辐射强度，研究其对直接膨胀式太阳能热泵系统供热性能的影响，实验结果显示，太阳辐射强度对系统性能有显著影响，可以有效减少系统内部结霜问题，有利于提高系统运行效率。孔祥强等[7]在不同的环境参数条件下，对太阳能热泵系统的性能系数进行研究，当太阳辐射强度和环境温度升高时，直接膨胀式太阳能热泵的运行性能要明显高于传统的空气源热泵。

陈景等[8]以南京某别墅的太阳能热泵系统为研究对象，对供暖系统的水箱体积和太阳能集热面积比值（VAR）进行研究，实验结果表明，当VAR取值在0.053～0.073之间时，系统的全年费用达到最低，系统的太阳能保证率在53.26 %左右。Sun X L等[9]通过软件模拟和实验测试，研究直接膨胀式太阳能热泵与传统空气源热泵，在冬季的运行性能，结果显示，相比于传统空气源热泵，直接膨胀式系统的COP得到显著提高。魏毅立等[10]设计了一种可发电的太阳能热泵系统，通过控制电子膨胀阀的开度和压缩机的频率，解决太阳能单独供暖存在的不稳定性问题，使得系统的制热系数达到3.47，节能效果明显

2.2 间接膨胀式太阳能热泵系统

间接膨胀式太阳能热泵系统，通过换热器将太阳能集热系统和空气源热泵联合起来；区别于直接膨胀式，间接式的太阳能集热器和热泵蒸发器是相互独立的。间接膨胀式又可细分为串联式、并联式和混合式三类。国外学者对不同的结构形式的太阳能热泵系统性能进行模拟研究，得出结论：并联式系统的性能最高，混合式系统性能次之，串联式系统的性能最差。

2.2.1 串联式太阳能热泵

串联式太阳能热泵系统通过换热器将太阳能集热系统和空气源热泵相连接，其结构原理如图2所示。太阳能集热板吸收太阳能加热循环水，热水在换热器中将热量传递给制冷剂；热泵进行制热循环加热储水箱，制造热水。该系统通过太阳能集热板吸收能量，提高热泵循环中的初始蒸发温度，从而提高系统整体的运行性能。

图2 串联式太阳能热泵系统示意图

张兵等[11]通过串联太阳能集热器和空气源热泵，来解决空气源热泵在寒冷地区存在结霜的问题，实验结果表明，预加热进入热泵蒸发器的冷空气可以显著提高机组的COP，和传统供暖方式相比运行费用减少66.3 %。Izquierdo M等[12]利用太阳能光伏（PV）发电，为空气源热泵提供电能，进行供暖，结果表明，当室内温度保持在18 ～23 ℃之间时，太阳能转换效率约为18.2 %，太阳能热泵的COP平均为2.84。刘凤珍等[13]分别在标准工况和低温条件下对复合热泵机组的热容量和COP等运行参数进行了测试，研究结果表明，在环境温度7 ℃条件下，单位热容量可达到64.5 kW提高了20.1%，COP提高20%，在环境温度-5 ℃条件下，单位热容可提高27.6%，最高可达54.5 kW，COP也提高了45.5%。J.F.Chen等[14]在TRNSYS中开发一种太阳能CO2热泵联合供暖系统，并分析主要组件参数对系统的影响，仿真结果表明，优化后的太阳能比例提高8 %可以达到71.1 %，系统耗电量可节省14.2 %。

2.2.2 并联式太阳能热泵

并联式太阳能热泵系统中的太阳能集热循环系统和空气源热泵系统并联连接，相互独立，其结构原理如图3所示。该系统主要依靠太阳能集热器吸收太阳能，加热循环水，以此保证蓄热水箱的热水供应；当太阳辐射较弱时，集热器单独运行不能满足需求，启动空气源热泵补充加热。该系统利用太阳能集热器在晴天时供暖，较少空气源热泵的运行时间，可以最大程度的节约能源。

图3 并联式太阳能热泵系统示意图

邓杰等[15]将一种幕墙式太阳能集热器和空气源热泵并联，测试系统的制热性能，在室外气温-7.7℃条件下，太阳能热泵系统的有效集热效率可达27.5%，热泵的COP可达1.55，并且系统的热损失占比很小。袁和涛等[16]利用并联式太阳能热泵干燥玫瑰花蕾，实验结果显示，系统的平均供热系数为7.9，由于空气源热泵耗电量很少，两者结合使用比传统的煤炭干燥要节约能源费用成本达60 %。孙先鹏等[17]在西安地区的一座温室内中建立太阳能热泵供热系统，通过对比实验研究太阳能热泵系统在冬季供暖的效果，实验结果显示，热泵单独供热时，系统的COP在2.2到3.5之间，太阳能热泵供热时，系统的COP在2.9到6.0之间，系统的COP得到显著提高。武晓伟等[18]设计了一种太阳能－空气源热泵联合供暖系统，可以在室外温度低于-20℃的条件下进行供暖，对系统优化后使得室内平均温度可以达到19.45 ℃，相比与传统的燃煤锅炉，优化后的供暖系统每天可节省电能5.37 kWh，具有明显的节能效果。

2.2.3 混合式太阳能热泵

混合式太阳能热泵系统同时具有换热器和热泵蒸发器，二者并联连接，其结构原理如图4所示。热泵中的制冷剂从膨胀阀流出后温度降低，其中一部分进入蒸发器吸收空气中的热量，另一部分进入换热器和太阳能集热板制造的热水进行热量交换，之后二者混合进入压缩机共同循环。混合式系统设备部件多，系统控制和运行操作比其他类型更加复杂，实际生活中运用较少。

图4 混合式太阳能热泵系统示意图

3 结语

太阳能热泵系统是太阳能集热器和热泵的结合，具有二者优点的同时，克服了他们单独运行存在的问题，使得这一技术收到了广泛关注。国内外学者对于不同形式的太阳能热泵系统多了许多研究，其研究成果主要体现在以下三个方面：

（1）太阳能热泵系统解决了太阳能集热器单独供暖存在的不稳定性问题。

（2）太阳能热泵系统的COP要明显高于传统的空气源热泵。

（3）太阳能热泵系统与传统的燃油、燃气锅炉相比，具有更好的供暖效果和节能效果。

与此同时，太阳能热泵系统还有一些不完善之处，需要继续研究。例如，在目前的实验当中多是采用定流量系统，循环水泵和热泵机组都是以最大流量运行，造成电能浪费。今后可以在系统变频控制方面加强研究，使得集热系统流量可以根据热负荷实现自动调节。此外，现阶段的太阳能热泵系统多是用来制造热水，在通风供暖方面的应用较少，这也是值得研究的方向。