太阳能热泵热水系统特性研究及其进展

　近年来，太阳能热水系统因其节能环保的优势在我国得到了迅猛的发展，但是常规的太阳能热水系统加热周期长，无法全天候供热水，在冬季和阴雨天气下需要辅助热源加热，依然消耗较多的高品位能源，并且存在安装地点受限制、影响城市美观等诸多问题。目前在很多西方国家，热水器的主流产品也都是耗电多、耗能大的电热水器和燃气热水器，节能已经成为新一代热水器发展的主题 。将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，发展型式各异的太阳能热泵系统，既克服了太阳能低密度、不稳定的缺陷，又弥补了空气源热泵寒冷季节效率较低的不足，这对降低热水能耗，实现建筑节能、环保具有重要意义。因此有必要对太阳能热泵热水系统的一些相关特性进行深入的分析和研究。
　　一　基本原理
　　太阳能热泵( SAHP) 一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合型式，可分为直膨式和非直膨式。在非直膨式系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介质在集热器中吸收太阳能，并在蒸发器中将热量传递给制冷剂，或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或水。在直膨式系统中，是一种基于逆卡诺循环的系统，将太阳能集热器与热泵蒸发器结合成一体，节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间的换热设备。晴天，经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太阳能集热/ 蒸发器中，通过吸收太阳辐射而蒸发后的制冷剂在压缩机内形成高温高压气体，然后被排入冷凝器中，制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝同时水得热而升温，冷凝后的制冷剂经膨胀阀又重新流入太阳能集热/ 蒸发器中，由此构成一次循环;阴天或夜间，太阳能集热/ 蒸发器也可以通过吸收大气中的显热和潜热来维持全天候地生产热水。
　　二　SAHP 系统相关特性的研究
　　国外对太阳能热泵热水系统的研究开展得比较早，最早是由Jodan 和Therkeld 在20 世纪50 年代初的研究中提出。随后，许多发达国家纷纷投入大量的人力、物力对各种型式的太阳能热泵系统进行深入研究。基于该领域目前的发展现状，国内对该方面的研究仍然处于初级阶段，在这方面的研究不多，研究的内容还不够丰富，我国天津大学、东南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太阳能热泵热水系统进行了初步实验和理论研究，并取得相关成果。在市场应用方面，美国的SolarKing 系列以及澳大利亚的Quantum 系列走在了产业化的前端。
　　2. 1 　系统结构型式的研究
　　太阳能热泵的结构型式多种多样，不同结构型式的系统具有不同的性能特性。美国Wisconsin2Madison 大学的Freeman 和Mitchell 对SAHP 系统进行了模拟分析，并比较了各种SAHP 系统的性能。加拿大的Chandrashekar 等人根据加拿大七个代表性城市的天气资料，对多种不同结构型式的SAHP 系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。Lu Aye 等[6 ]对传统太阳能热水系统、空气源热泵系统、太阳能热泵系统三种不同类型的系统在澳大利亚不同城市进行了性能比较及经济性分析，指出是否采用太阳能热泵热水系统很大程度上取决于当地的环境。
　　系统的结构型式决定了该系统的总体特点。美国的Chaturvedi 等在早期对太阳能热泵热水系统进行理论分析后，提出系统的蒸发温度取决于太阳辐射和环境温度，蒸发温度可能低于也可能高于环境温度，取决于系统设计及运行工况，这正体现了系统结构型式在系统设计时的重要性。台湾的Huang B. J . 和Chyng J . P. 等在1999年首先提出整体式太阳能热泵热水系统概念，把热泵和太阳能集热器及冷凝水箱合并成一个单元。该系统最大的特点是:在实验中保持压缩机吸入口接近饱和状态，通过对系统中制冷循环的有效设计，使得蒸发温度低于环境温度，集热器不仅可以吸收太阳辐射，同时可以吸收环境中的热量，即获得了双热源。随后，他们又对系统进行了模拟研究，把除水箱之外的其余所有组成过程都设为准静态过程，模拟结果和实验结果非常吻合。对一年内系统的日平均性能模拟研究得出，在台湾省的气象条件下，系统性能系数( COP) 为1. 7～2. 5 ，系统在每天运行4～8 小时的大多数情况下，日平均COP 值在2. 0 以上。由以上分析可见，该型式的系统虽然全年运行COP 值有所降低，但就整体来看，系统性能的稳定性有了很大的提高。
　　Xu G. Y. 等设计了一种适合于家庭使用的新型太阳能- 空气复合热源热泵热水系统。该装置通过一个螺旋翅片蒸发管的平板型集热/ 蒸发器，来实现系统同时或交替地使用太阳能、空气两热源。在不同的天气情况下，以不同的热源模式(太阳能热源、太阳能和空气双热源、空气源) 运行，充分利用太阳能提高了热泵COP