太阳能热泵技术研究综述

60 嘉兴学院学报

JournalofJiaxingUniversity 第21卷第6期2009年11月

Vo.l21No.62009.11

太阳能热泵技术研究综述

阳季春,周湘江

(嘉兴学院建筑工程学院,浙江嘉兴314001)

摘 要:对太阳能热泵技术研究现状和发展前景进行了系统综述,分别从间接膨胀式太阳能热泵系统和

直接膨胀式太阳能热泵系统的角度就太阳能热泵系统实验研究、理论分析及系统应用等方面进行阐述分析,为从事太阳能热泵技术的科研工作者掌握国内外研究动态提供便捷的途径.

关键词:太阳能热泵;间接膨胀式;直接膨胀式 中图分类号:TK515

AReviewofResearchesonSolarHeatPumpTechnology

YANGJi-chun,ZHOUXiang-jiang

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001)

Abstract:Thispapersummarizesthestatusquoanddevelopmentprospectsofsolarheatpumptechnology.A

numberofexperimentalresearches,theoreticalanalyses,andsystemapplicationofindirect-expansionsolarheatpumpanddirect-expansionheatpumparepresented.Thepaperaimstoprovideaconvenientwayforthoseresearchersen gagedintheresearchofsolarenergyheatpumptechnologytomastertheresearchtrendinthisarea.

Keywords:solarheatpump;indirect-expansion;direct-expansion

文献标识码:A. 文章编号:1008-6781(2009)06-0060-04

太阳能和热泵技术是节约常规化石型能源的使用最有前途的两种方式,两者有机结合更能达到优势互补的目的.太阳能和热泵技术的组合系统称之为太阳能热泵系统,它有不同的结合方法.根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式不同,太阳能热泵可分为直接膨胀式和间接膨胀式两种.本文拟对太阳能热泵技术工作原理及国内外研究现状进行系统阐述,为从事太阳能热泵技术的科研工作者掌握国内外研究动态提供便捷的途径.

1 间接膨胀式太阳能热泵技术研究现状

太阳能集热器与热泵蒸发器完全分开的太阳能热泵系统,称为间接膨胀式太阳能热泵系统.在间接膨胀式太阳能热泵中,根据太阳能给热泵蒸发器提供热源方式的不同,

可以分为并联式、串联式和混合式3种.

在并联式太阳能热泵系统(结构如图1所

示)中,热泵蒸发器以空气作为热源吸收热量向

室内供暖或加热水,同时太阳能集热器吸收的太

阳能直接供暖或作为洗浴用热水;在串联式太阳

能热泵系统(结构如图2所示)中,太阳能集热

器吸收的太阳能不是直接用来向室内供暖,而是

供给热泵蒸发器,以达到提升蒸发器侧热源温度

收稿日期:2009-01-06.

基金项目:嘉兴学院博士启动基金(7050715).

作者简介:阳季春(1970- ),男,安徽太湖人,嘉兴学院建筑工程学院讲师,博士,研究方向为太阳能热泵系统和建筑节能技术。图1 并联式太阳能热泵原理示意图

阳季春,周湘江:太阳能热泵技术国内外研究综述 61

和提高热泵COP的目的;在混合式太阳能热泵系统(如图3所示)中,太阳能集热器吸收热量储存于储热设备中,要求蒸发器可以根据需要既能从空气中吸收热量,又能从太阳能储热设备中吸收热量.混合式太阳能热泵系统的关键部件是蒸发器

.

SakaiI和TakagiM研究的一种串联式太

阳能热泵系统,为了减小太阳能集热器面积,

这种太阳能热泵系统采取的运行策略是白天使

用空气作为热泵热源,通过热泵给室内供热;

晚上利用白天太阳能加热的热水作为热泵系统

热源给室内供热.研究结果表明,该系统能部

[1]分解决空气源热泵系统结霜问题.

MacarthurJW对串联式太阳能热泵进行

结构优化,并对其投资回收期进行了计算.研

究结果表明,太阳能热泵储热器的容量和太阳

能集热器的面积是太阳能热泵设计要重点考虑

的因素,储热器容量和集热器过大或过小都会

极大降低太阳能热泵的经济性;同时给出了在

2当地条件下,对于90m的供热面积,最理想

太阳能集热器面积和储热器容积分别为30m

和3 5m.3[2]2图2

串联式太阳能热泵原理示意图图3 混合式太阳能热泵原理示意图

FreemanTL等人利用TRSYS软件对并联式、串联式和混合式3种间接膨胀式太阳能热泵系统进行了较全面的模拟研究,研究结果表明,在空气作为热源的情况下,并联式太阳能热泵系统可能是最实用的系统,并且比串联式和混合式系统的热性能更优越,但TLFreeman没有对水源热泵系统的性能进行研究.

AndersonJV等人对并联式太阳能热泵系统的设计方法进行了研究.认为要设计一套高效实用的并联式太阳能热泵系统,首先确定要满足设计负荷太阳能系统能够承担的制热部分负荷和制热水部分负荷各是多少,再确定热泵应该承担的供热或供热水负荷.研究结果表明该方法简单、可靠.[4][3]

KaygusuzK和AyhanT根据当地的气候特点设计出一种间接膨胀式太阳能热泵实验系统,该系统太阳能集热器为平板集热器,储热材料为相变储能材料,并建立该系统的理论模型.实验结果显示,在该地区实验条件下3种方式太阳能热泵系统中混合式太阳能热泵系统的季节性能系数最高,串联式太阳能热泵系统季节性能系数最低;混合式太阳能热泵性能明显优于串联式和并联式系统.从太阳能集热器效率看,串联式系统太阳能集热器效率较高。

文献[6]提出一种将太阳能与多功能热泵技术有机地结合的新型热泵系统,称之为间接膨胀式太阳能多功能热泵系统(IESA-MDHP),重点对研制的IESA-MDHP实验样机的供热性能进行了实验研究.实验结果表明,IESA-MDHP系统的COPhp在3 30~4 71之间变化,而COPsys在2 88~3 96之间变化,明显高于传统的家用空气源热泵系统

GeorgievA建立了一套研究串联式太阳能热泵系统的实验台,并设计出合理的实验方案,通过控制蒸发器、冷凝器侧水平均温度和冷凝器侧水流量对热泵COP和整个系统热效率进行测试,并对测试结果进行拟合,推导出COP和整个系统热效率的实验关联式,为该类太阳能热泵系统的应用提供

[7]理论指导.

在间接膨胀式太阳能热泵的研究中,其他的研究者如MorrisonGL和旷玉辉、ComakliOmer、YumrutasRecep、YamankaradenizR和WangHuajun等都从不同侧面对这一系统进行了研究,并得到[8-13][5]

62 嘉兴学院学报 第21卷第6期2 直接膨胀式太阳能热泵技术研究现状

直接膨胀式太阳能热泵就是太阳能集热器和热泵蒸发器组合成一个部件,称为集热/蒸发器,从热泵膨胀阀出来的制冷剂在集热/蒸发器中直接吸收太阳能而蒸发(如图4所示

).

直接膨胀式太阳能热泵系统设计思想首次被SpornPhilip和

AmbroseER提出以后,得到各国科研人员普遍关注,进行了广

[14]泛而深入的研究.

MorganRG研究了用R11作为工质的高温直接膨胀式太阳能

热泵系统.蒸发器工作温度在15 ~50 ,冷凝侧水的温度最高

能达到90 .研究结果表明,系统COP能达到3 0以上.这种

系统是比较理想的热泵热水器系统,但由于R11是一种已经被淘

汰的制冷剂.不过MorganRG.的研究方法值得我们研究人

[15]图4 直接膨胀式太阳能热泵原理示意图员借鉴.

ChaturvediSushilK等人对一种直接膨胀式太阳能热泵的制热水性能进行了理论和实验研究,结果表明热泵COP在2 0~3 0之间变化,并在文章中指出了直接膨胀式太阳能热泵的缺点及可能的克服方法,但他使用的是热性能较好但现已停止使用的R12作为制冷剂.

ChaturvediSK等人研制了一种直接膨胀式太阳能热泵热水器,并进行了实验研究.该装置用变频控制器来控制压缩机转速,以保证在室外太阳辐照和空气温度变化较大时,能够保持压缩机功率与蒸发/集热器蒸发能力之间有效匹配.实验结果表明,当系统从冬季室外低温条件变成夏季室外高温运行条件时,可以通过降低压缩机转速来提高热泵的性能系数.

ChyngJP等研制了一种整体式直接膨胀式太阳能热泵热水器,并对这种系统进行了全年热性能的理论和实验研究.该系统的理论模型除了热水箱外均按准稳态模型来构造.研究结果表明该系统的平均性能系数均保持在1 7~2 5之间,并且一年中大多数天数的平均性能系数都在2 0以上.

KuangYH等在上海地区对研制的一台直接膨胀式太阳能热泵热水器进行理论和实验研究.该直接膨胀式太阳能热泵热水器使用平板式无玻璃盖板蒸发/集热器,面积为2m,热水箱容量为150L.研究结果表明该系统平均月性能系数为4-6,集热器集热效率为40%~60%.[19]2[18][17][16]

GorozabelChataFB在蒸发/集热器没有玻璃盖板和有一层玻璃盖板两种情况下,利用不同的制冷剂对一种直接膨胀式太阳能热泵系统进行了理论研究.研究结果表明,在纯工质中R12作为工质的热性能最高,其次是R22和R134;在混合工质中,R410A的热性能比R407C和R404A的热性能要高,但是R410A的热性能比纯工质R134的热性能要低低15%~20%.并给出有一层玻璃盖板蒸发/集热器面积与压缩机功率在R134工质下相匹配的曲线图,为系统中压缩机匹配提供指导.

裴刚在他的博士论文中提出了一种新型的直接膨胀式太阳能热泵系统,即光伏!太阳能热泵系统.该太阳能热泵系统将光伏电池和直接膨胀式太阳能热泵系统的蒸发器有机结合在一起,形成PV蒸发器.PV蒸发器接收到的太阳辐照中,部分辐照被光伏电池通过光电转换形成电流输出,其他部分太阳辐照通过光热转换来做为热泵热源.研究结果表明:一方面由于热泵工质的蒸发作用,光伏电池工作在较低的温度范围,得到有效冷却,光电转换效率得以提高;另一方面,太阳辐射通过光热转换来做为热泵热源,提高了热泵循环的蒸发温度和蒸发压力,使得热泵性能得到提高.[21][20]

另外,HuangBJ、ItoS、KuangYH和HawladerMNA等也从不同的角度对直接膨胀式太阳能热

[22-27]泵进行了研究,并得出一些非常有用的结论,对直接膨胀式太阳能热泵的发展做出了贡献.

3 结论与展望,,

阳季春,周湘江:太阳能热泵技术国内外研究综述 63

理论、实验和应用研究正在如火如荼地展开.从各国研究工作者理论和实验研究情况看,太阳能热泵在寒冷天气中用于集中供热和集中供热水等领域已初步显示出其无与伦比的节能优势.由于太阳能热泵技术目前在构件匹配还不完善,并且初期投资较高,因此太阳能热泵技术要在实际生活中得到广泛应用,除了从技术角度进行更深入更广泛研究,优化其系统构件匹配以外,还需要各国从能源政策上加以支持,对使用太阳能热泵这一节能技术给予适当财政补贴,从而推动这一节能技术的广泛应用.

参考文献:

[1]SAKAII,TAKAGIM.Solarspaceheatingandcoolingwithbi-heatsourceheatpumpandhotwatersupplysystem[J].

gy,1976,18(6):525-532.

[2]MACARTHURJW.Performanceanalysisandcostoptimizationofasolar-assistedheatpumpsystem[J].Solarenergy,

(1):1-9.

[3]FREEMANTL,MITCHELLJW,AUDITTE.Performanceofcombinedsolar-heatpumpsystems[J].

(2):125-135.Solarener 1978,21Solarenergy,1979,22

[4]ANDERSONJV,MITCHELLJW,BECKMANWA.Adesignmethodforparallelsolarheatpumpsystems[J].Solarenergy,

1980,25(2):155-163.

[5]KAYGUSUZK,AYHANT.Experimentalandtheoreticalinvestigationofcombinedsolarheatpumpsystemforresidentialheating[J].

Energyconversion&Management,1999,40(13):1377-1396.

[6]阳季春,季杰,裴刚,等.间接膨胀式太阳能多功能热泵供热实验[J].中国科学技术大学学报,

-60.2007,37(1):53

[7]GEORGIEVA.Testingsolarcollectorsasanenergysourceforaheatpump[J].RenewableEnergy,2008,33(4):832-838.

[8]MORRISONGL.Simulationofpackagedsolarheat-pumpwaterheaters[J].SolarEnergy,1994,53(3):249-257

[9]旷玉辉,王如竹,于立强.太阳能热泵供热系统的实验研究[J].太阳能学报,2002,23(4):408-413.

[10]COMAKLIOMER,BAYRAMOGLUMAHMUT,KAYGUSUZKAMIL.Athermodynamicmodelofasolarassistedheatpumpsystem

withenergystorage[J].SolarEnergy,1996,56(6):485-496.

[11]YUMRUTASRECEP,KASKAONDER.Experimentalinvestigationofthermalperformanceofasolarassistedheatpumpsystemwith

anenergystorage[J].Internationaljournalofenergyresearch,2004(28):163-175.

[12]YAMANKARADENIZR,HORUZI.Thetheoreticalandexperimentalinvestigationofthecharacteristicsofsolarassistedheatpump

forcleardays[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,1998,25(6):885-898.

[13]WANGHJ,QICY.Performancestudyofundergroundthermalstorageinasolar-groundcoupledheatpumpsystemforresidential

buildings[J].EnergyandBuildings,2008,40(7):1278-1286.

[14]SPORNPHILIP,AMBROSEER.Theheatpumpandsolarenergy[J].Proceedingsoftheworldsymposiumonappliedsolarener

gy.Arizona:Phoenix,1955:159-170.

[15]MorganRG..Solarassistedheatpump[J].Solarenergy.1982,28(2):129-135.

[16]CHATURVEDISUSHILK,SHENJAMESY.Thermalperformanceofadirectexpansionsolar-assistedheatpump[J].Solarener

gy,1984,33(2):155-162.

[17]CHATURVEDISK,CHENDT,KHEIREDDINEA.Thermalperformanceofavariablecapacitydirectexpansionsolar-assisted

heatpump[J].EnergyConversionandManagement,1998,39(3/4):181-191.

[18]CHYNGJP,LEECP,HUANGBJ.Performanceanalysisofasolar-assistedheatpumpwaterheater[J].SolarEnergy,2003,74

(1):33-44

[19]KUANGYH,SUMATHYK,WANGRZ.Studyonadirect-expansionsolar-assistedheatpumpwaterheatingsystem[J].Inter

nationalJournalofEnergyResearch,2003,27:531-548.

[20]GOROZABELCHATAFB,CHATURVEDISK,AlmogbelA.Analysisofadirectexpansionsolarassistedheatpumpusingdifferent

refrigerants[J].EnergyConversionandManagement,2005,46(15/16):2614-2624

[21]裴刚.光伏太阳能热泵系统及多功能热泵系统的综合性能研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006

[22]HUANGBJ,LEEJP,CHYNGJP.Heatpipeenhancedsolarassistedheatpumpwaterheater[J].SolarEnergy,2005,78(3):

375-381.

[23]HUANGBJ,CHYNGJP.Performancecharacteristicsofintegraltypesolarassistedheatpump[J].SolarEnergy,2001,71(6):

403-414.

[24]ITOS,MIURAN,WANGK.performanceofaheatpumpusingdirectexpansionsolarcollectors[J].SolarEnergy,1999,65

(3):189-196.

[25]KUANGYH,WANGRZ.Performanceofamulti-functionaldirect-expansionsolarassistedheatpumpsystem[J].SolarEner

gy,2006,80(7):795-803.

[26]HAWLADERMNA,JAHANGEERKA.Solarheatpumpdryingandwaterheatinginthetropics[J].Solarenergy,2006,80

(5):492-499.

[27]HAWLADERMNA,RAHMANSMA,JAHANGEERKA.Performanceofevaporator-collectorandaircollectorinsolarassistedheatpumpdryer[J].EnergyConversionandManagement,2008,49(6):1612-1619.(责任编辑 周丽萍)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j3uj.html