太阳能热泵工作原理

1、太阳能热泵工程原理图太阳能空气源相结合太阳能热泵原理及技术分析热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，卫生热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为热源。其中以室外空气为热源的空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在卫生热水供应方面具有不可替代的优势，除了比较大型的空气源热泵 热水系统 外，现在已 有多个品 牌的小型的家用 空气源热泵热水器也 投放市场 。但空气源 热泵的一 个主要缺点 是供热能 力和供热性能系 数随着室外气温的降 低而降低 ，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度-10 c

2、以上的地区。将热泵技 术与太阳 能结合供应 生活热水， 国内外进 行了许多 这方面的研 究，主要有 两 种方 式， 一种 是直接以空 气源热泵 作为太阳能系统 的辅助加热设备，另 一种是利 用太阳 能热 水为低温 热源或将太 阳能集热 器作为热泵的蒸 发器的太阳能热泵系 统。 前者 以太阳 能直 接加热为 主以 空气源 热泵为辅 ，解决太阳能供 热的 连续性问题，但 仍旧无法 摆脱环 境温 度对热泵 制热性能的 影响；后 者完全以太阳能 作为热泵热源， 大大 提高了太 阳能的 利用 效率，但 太阳能资源 不足时仍 需要增加其它辅 助热源， 并且热泵供 热能力受 太阳能 集热 量的 限制 ，规

3、模 一般 比较 小。在大型 的太 阳能 中 央热 水系 统中 ，空 气源热 泵无 疑是 一种 比较理 想的 辅助 加热 设 备， 为了改善 空气源热泵在低 温环境下 制热运行的 性能，扩 大它的 使用 区域，结 合国内 外太 阳能热泵 研究中的先 进经验， 我们研制了一种 适合于低温环境中工 作的 太阳 能热 泵中 央热水系 统。 该系统 采用 一种 新型的采用 低温 太阳能辅助的空气源 热泵机组 和太阳 能集 热系统结 合， 太阳能 和热泵互 为辅助热源，最 大限度的 利用太阳能 ，解决阴 雨天气 及冬 季环境温 度较低太阳 能资源不 足时热水供应保 证率，做到全年、全 天候供应 热水。1太

4、阳能热泵中央热水系统组成1.1 太阳能热泵中 央热水系统基本组成太阳能 热泵中 央热水系统 的主要组 成部分 为太阳能 集热器和太 阳能辅助 加热空 气源 热泵机组 ，其他辅助 设备与常 规的 中央热水系 统相同， 包括太 阳能循环 泵、热水加 热环 泵、 换热 器、 热 水箱 及控 制器 等。1.2 太阳能辅助加热 空气源热泵机组1.2.1 太阳能辅助加 热空气源热泵机组工 作原理为使空 气源热泵 在低温 环境 中高效、稳 定、可 靠的 运行 ，国内外众多 科研单位 和生 产企 业进行了 研发和改进 ，归纳起 来主要有三种方 式。一是 依靠 外界 辅助 热 源来 提高 热泵 低温 制 热性

5、能，比 如通 过电 加热 提高 热泵 制热 出水 温度 、采用燃 烧器辅助加 热室外换 热器、在压缩机 周围敷设相变蓄热材 料以 增加 低温条 件下 制热 运行 出力 等 等； 二是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能，比如采 用双级压缩的空气 源热 泵， 设中 间补 气回路 的空 气源 热泵 等 ；三是采用变频系统，低温工况 下让压缩机高速工作增加工质 循环量，同时向压 缩机工 作腔喷液以防 止其过热， 从而使热泵机组能够正常 运行。太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一种 方式而产生 的，在机组的蒸发器 上增加了- 辅助换热器。热泵在低温环境下制热运 行时，高于环境温度的太阳

6、能 热水流 经该辅助换热 器，与将进 入蒸发器的室外空气进行 热量交换提高其温度，从而使 制冷剂 在相对较高的 环境里蒸发 吸热，提高了蒸发温度， 改善了压缩机的工作状况 。1.2.2 太阳能辅助加热 空气 源热泵机组性能 特点与普通的空气源 热泵相比较，太阳 能辅 助加热空气源热泵 机组在低温 工况下运行具 有如 下几 个明 显的 特 点：(1) COP显著提高在同样的环境温度下，太阳能辅助加热使制冷剂系统的蒸发温度 得以提高，机组的制热性能系 数较普通空气源热泵机组有了明显的提高 ，热泵制 热性能 系数 随蒸 发温 度变 化 情况 如图 所示 。(2) 防止蒸发器结霜，减 少除霜时间 由于

7、辅助 热源的加 热作用，提高 了进 入蒸发 器的 空气温度 ，使其结霜 的可能性降低， 这样就可 以防止蒸发器表面结霜， 使其 保持较 高的 换热效率，同 时，机组的化霜次数和时间也大大减少， 可以节省大量的电能 ， 并保 证热 泵机 组连 续不 间 断的 运行 。改善空调压 缩机工 作环境，延 长机 组使用寿命 在环 境温度 较低时，空 调压 缩 机的 压缩比急剧升高，压缩机的排气温度常常会超过压缩机允许的工作范围，从而导致 压缩机频繁的 启停， 无法正常工作，长此以往，将会损伤压缩机的整体性能，减少空调 设备的使用寿命。通过太 阳能作为辅助热源提高系 统蒸发温度，间接的 改善了压缩机的 工

8、作环境，不 但解决了压 缩机在外界低温环境下不 能正常工作的问题， 并且可以 使整个 热泵机组的使 用寿命有效 延长。1.2.3 太阳能辅助换 热器的设计辅助 换热 器位 于热 泵 蒸发 器的 外侧，作为 热泵 机组 的一 个部 件与热 泵机 组同 步设 计生 产，采用和蒸 发器同样外 型尺寸和材质的翅片管换 热器。辅助换热器的换热面积 、空气 通过温升及其 与热泵蒸发 器的间距应根据太阳能集 热器可以提供的辅助热量、太 阳能水 温、环境温度 及热泵机组 蒸发温度、排风量等参数 进行设计计算。1.3 太阳 能 集热器目前在太 阳能热水 工程中通常 采用的太 阳能集 热器主要有平板型太 阳能集热

9、 器、全玻 璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器 五种。对于全年使用的比较大型的太阳能中央热水系统，要求太阳能集 热器应具有一定 的承压能力， 比较高集热 效率，比较小的管道阻力 ，抗冻能力强，易于维护 。在这几种 太阳能集热器 中，全玻璃 真空管集 热器虽然集热效率高，市场占有率大，但 因其不能承 压运行，容易 冻裂，不适 宜用在大面积的太阳能热 水系统中，绝大部分都被用作 家用太 阳能热水器的 集热部件。 其它四种均为金属吸热体 的太阳能集热器，可以承压运 行，适 用于 在大 型的 太阳 能热水 工程 中应 用。 平板 集热 器是 应用 比较早 的一

10、 种太 阳能 集热装 置，一直以来 也是世界太 阳能市场的主导产品，广 泛应用于各种低温热水加 热领域，但 随着真空管太 阳能集热器 的出现，受其自身结构的 局限，在集热效率上已不具备 优势， 因防冻问题以及集热性能受季节和 环境影响较大，目前主要在南方冬季气温较高的地区 应用，在北 方寒 冷地 区冬 季运 行效 果欠 佳，不推 荐在 大型 热水 工程 中应 用。 U 型管式 真 空管 集热器、 热管式真空 管集热器和直流式真空管 集热器是在全玻璃真 空管集热 器基础 上发展起来产品，三者的共同特点都具有比较高的集热效率，以金属作为吸热体，可以 承压运行，但 从集热效率 、防漏、 防垢、 耐久

11、性、 安全性、 可靠性、安装维护难 度等方 面进行综合评 价，热管式 真空管集 热器是最适宜在中央热水供应系统中采用 的太阳能集 热器类型，U型管式真空管集热器和直流式真空管集热器次之。热管式真空管集热器利 用热 管传热， 干性连接， 管内不走水， 具有热容小、传热快、 耐冰冻、 耐热冲击、 承压 强、保温好、无渗漏、易维护等优点，U型管式真空管集热器和直流式集热器利用真空 管内同心套管 直接对工质加热，除了具有运行温度高、 承压能力强和耐热冲击性能好等 特点 外， 其集 热效率高于 其它形式的集 热器， 并且 可以水平安装， 简化安装支架 ， 减少 安装 场地 面积， 避免 集热 器影 响建

12、 筑外 观，在太 阳能 和建 筑结 合方 面具 有较 强的 适 应性，但其 安装程序 比热管式真 空管集热 器复杂，接口较 多，运行中有漏水隐 患，系统 维护成 本相 对较 高。2太阳能热泵中央热水系统的工作原理太阳能与 太阳能辅 助加热空气 源热泵结 合作为 中央热水系统的热源，其目的在 于取长 补短 ，使二者 互为补充， 互为备用 ，在日照充足时 优先使用太阳能加热 热水，利 用太阳 能集 热器产生 的低温热水 作为太阳 能辅助加热空气 源热泵的辅助热源， 从而改善 热泵的 运行 工况，提 高其制热性 能。 这种组合 形式，使二 者均在相 对比较 稳定高效的条 件下工 作， 保证系统 全年

13、全天候 的卫生热 水供应。空气源 热泵制热过程本质上 是对空气 中蕴藏 的太 阳热能的 提升利用， 根据热泵 的工作特性，在 整个热水系统的运行 过程中， 热泵机 组作 为辅助热 源运行所供 应的热量 中，只有一小部 分来自电能，所以太 阳能 热泵中央 热水 系统大大 提高了太阳 能利用率 ，减少了对一次 能源的消耗。太阳能热泵中央热水 系统的运行主要有以 下四种工况（1）太阳 能加热生 活热水 在大部分 日照良 好的晴天，系 统按此 工况工作 ，此时太 阳能 循环泵的 工作由系统 控制器根 据太阳能集热器 和热水箱 的温度 进行控制 ，源源不断 的利 用集热器 采集的热量 通过中间 换热器输

14、送到热 水箱。（ 2 ） 太阳 能辅 助热 泵机 组加 热生 活热 水 当 阴天 或多 云天 气 ，当 太阳 能集 热温 度 低 于热 水箱水温 不足以直接 加热生活 热水时，热泵机 组启动，利用空气作 为热源加 热热水 箱内 生活热水 。在秋冬季 节，当环 境温度低于热泵 的经济运行温度时， 热泵机组 的制热 效率 下降并且 蒸发器表面 结霜，此 时，热泵辅助加 热循环启动，高于环 境温度的 低温太 阳能 热水进入 热泵机组辅 助换热器 内，预热通过的 空气，使热泵效率提 高，并切 具有防 止蒸 发器结霜 的作用，可 以节约热 泵机组的耗电量 。（ 3 ） 太阳 能和 热泵 机组 同时 加热

15、 生活 热 水 在晴 天日 照良 好 时， 如果 热水 系统 的 耗 热量 大于太阳 能集热系统 的有效供 热量或太阳能集 热器的数量较少，不 能满足热 水系统 的用 热需求， 则太阳能和 热泵机组 同时工作向热水 系统供热。4）热泵 机组直接 加热生活 热水 在连续的 雨雪天气 ，热水系统 所需热量 完全由空 气源热泵机组 提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵 机组单独工作对 热水箱加热3. 太阳能热泵中央热水系统设计3.1 太阳能辅助加热 空气源热泵机组功率的确定太阳能热泵中央热水系统中，太阳能辅 助加热空气源热泵 机组在 晴好天气作为太阳 能集热系统的 辅助热源设 备，在太阳能资源不

16、足时 或阴雨天气作为系统的主要热 源保证 热水的正常供 应，所以其 制热功率应按照整个热水 系统的设计热负荷进行确定。 对于全 日制中央热水 系统，热泵 机组功率按照热水系统设 计小时热负荷确定，对于非全 日制中 央热水系统， 热泵机组的 功率应根据最 大用水量、 热水箱容积、加热时间等参数 进行确 定。热泵机组的 额定制热 功率不小 于中央热水 系统的设 计负荷，在冬季比 较寒冷的 地区， 可适当加大机 组的型号， 使其尽量在一天中气温比 较高的时段内运行，在较短的 时间内 满足 系统 的用 热需 求 。3.2 太阳能 集热 器面积的 确定太阳能热泵中央热水系统中，太阳能 集热器 的面积应以

17、热水系统的设计热 负荷或 根据实际情况 确定的太阳 能供热量作为基本依据， 并分析计算项目所在地单位面 积的太 阳能集热器平 均每日有效 得热量，从而确定太阳能 集热器的安装面积。 热水工程中， 太阳能集热器 一般是固定 角度安装，其单位面积日 有效得热量随季节的变化和每 日内太 阳辐照强度的 变化，并不 是一个固定值。其影响因 素主要有集热器的安装角度、 系统运 行工况、所在 地气象参数 和太阳辐照量等。不同的 集热器类型具有不同的集热效 率，其 有效得热量也 不同，所以 在实际应用中一般根据集 热器生产厂家提供的集热 器集热效率 等性能参数和 太阳辐照资 料进行分析计算，取全年 平均值。3

18、.3 太阳能 集热系统 形式对于太阳能热泵中央热水系统，太阳 能集热系统既作为 热水加 热的主要热源又作 为热泵机组的 辅助热源， 并且应能承受较低的环境 温度，所以应采用闭式系统， 系统循 环工 质采 用防 冻液 溶 液。4 太阳能热泵中央热水系统的实用意义4.1 运 行可 靠性 分析作为太阳 能热泵 中央热水系 统的主要 组成部 分，太阳能 和空气源 热泵都是技术 成熟 的节 能环保产 品。太阳能 在生活热 水系统中的 规模化利 用已有 20余年 的历史，空气源热 泵的 大量应用 也有数十年 的历史， 太阳能热泵中央 热水系统将太阳能与 空气源热 泵技术 有机 结合，在 不影响二者 原有运

19、行 功能的条件下， 使其运行效率显著提 高，从而 能够保 证系 统稳定可 靠运行，节 约热水系 统常规能源消耗 。4.2 节能 效益分析 根据 我国北方 大部分地区 的太阳辐 照资料，按照卫生热 水系统平 均耗 热量和太 阳能集热器 日平均得 热量确定太阳能 热水系统的集热器面 积，太阳 能热 泵中 央热水系 统中，太阳 能直接加 热可满足热水系 统全年 6080%的热量需 求，其余 20 40%热量由太阳能辅助加热空气源热泵机组供应，热泵 平均COP可达3.0，即其所供应 热量 有 65%以上 来自集热 器不能直 接利用的太 阳能 和空 气热 能。在整个 系统运行 中，集 热器 吸收的太 阳能 的利用 率接近 100%， 辅助 加热 的电