太陽能熱泵系統(tǒng)的類型及分析

摘 要

摘要：介紹了太陽能熱泵系統(tǒng)類型，包括直膨式、非直膨串聯(lián)式、非直膨并聯(lián)式、非直膨混聯(lián)式。比較了這4種太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)及適用范圍，對太陽能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)
摘要：介紹了太陽能熱泵系統(tǒng)類型，包括直膨式、非直膨串聯(lián)式、非直膨并聯(lián)式、非直膨混聯(lián)式。比較了這4種太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)及適用范圍，對太陽能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：太陽能熱泵；供暖；制熱性能系數(shù)
Types and Analysis of Solar Heat Pump Systems
YU Chun-long
Abstract：The types of solar heat pump systems are introduced，including direct expansion type，non-direct expansion and series connection type，non-direct expansion and parallel connection type and non-direct expansion and series-parallel connection type. The heating coefficient of performance and application scope of four kinds of solar heat pump systems are compared. The economic and environmental efficiencies of solar heat pump systems are analyzed.
Key words：solar heat pump；heating；heating coefficient of performance
   我國能源需求發(fā)展迅速，2006年我國能源消費(fèi)總量為24.63×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，比2005年增加了2.16×108t，增長了9.6%[1]。隨著煤、石油、天然氣等化石能源的日益緊缺和化石能源利用產(chǎn)生的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，開發(fā)可再生能源和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有生產(chǎn)、生活過程的節(jié)能，成為我國實(shí)現(xiàn)高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。太陽能熱泵技術(shù)是熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)的結(jié)合，應(yīng)用廣泛[2～7]。由于太陽能在利用時幾乎不產(chǎn)生污染，因此太陽能熱泵供暖技術(shù)的開發(fā)利用受到越來越多的重視。本文對太陽能熱泵系統(tǒng)的類型及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。
1 太陽能熱泵系統(tǒng)類型
    太陽能熱泵系統(tǒng)根據(jù)太陽能集熱器與熱泵的組合形式可以分為直膨式和非直膨式[8、9]。
   ① 直膨式
   直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)是將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器(見圖1)。這種系統(tǒng)中集熱器多采用平板式，結(jié)構(gòu)簡單、性能良好。
 
   ② 非直膨式
   非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)將太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵聯(lián)合起來，是太陽能集熱器和熱泵的蒸發(fā)器相對獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)。根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵的連接形式，非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)可以分為串聯(lián)式(見圖2)、并聯(lián)式(見圖3)、混聯(lián)式(見圖4)。
 
    串聯(lián)式：在非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中，經(jīng)太陽能集熱器加熱的熱水經(jīng)過太陽能蓄熱器，再流經(jīng)熱泵的蒸發(fā)器。當(dāng)太陽能輻射不足時，蒸發(fā)器中出來的冷水經(jīng)過太陽能蓄熱器，吸收熱量后再進(jìn)入蒸發(fā)器。
    并聯(lián)式：在非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中，太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)獨(dú)立工作，互為補(bǔ)充。當(dāng)太陽能輻射不足時，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，或兩者一起運(yùn)行。
    混聯(lián)式：對于非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)，當(dāng)太陽能輻射很小時，開啟空氣側(cè)蒸發(fā)器，即空氣源熱泵運(yùn)行；當(dāng)太陽能輻射足夠時，不需要開啟熱泵，直接利用太陽能即可滿足供暖要求；當(dāng)外界條件位于兩者之間時，熱泵利用蓄熱水箱中的熱水作為熱源進(jìn)行工作，即水源熱泵運(yùn)行。
2 太陽能熱泵系統(tǒng)的熱力性能分析
    在以下的假設(shè)條件下對不同類型太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能分析：低溫環(huán)境(傳統(tǒng)太陽能直接供暖系統(tǒng)不開啟)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[10]；工質(zhì)壓縮過程為等熵壓縮，膨脹閥前、后工質(zhì)比熵相等；工質(zhì)在蒸發(fā)和冷凝過程中沒有壓力損失；集熱器溫度高于環(huán)境溫度。
    直膨式、非直膨并聯(lián)式、非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的壓力-比焓(p-h)圖見圖5～7。由圖5可知，在直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中，由冷凝器出來的工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥節(jié)流(4-1)后到達(dá)太陽能集熱器，吸收太陽能后氣化(1-2)，再進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w(2-3)，最后進(jìn)入冷凝器放熱(3-4)。
    由圖6可知，在非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中，由于太陽能直接供暖系統(tǒng)不開啟，只剩下空氣源熱泵，從冷凝器出來的工質(zhì)分為兩路，主路的工質(zhì)進(jìn)入節(jié)能器，輔路的工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓(4-6)后也進(jìn)入節(jié)能器。這兩部分工質(zhì)在節(jié)能器中換熱后，輔路的工質(zhì)變?yōu)闅怏w后被壓縮機(jī)的輔助進(jìn)氣口吸入，主路的工質(zhì)變?yōu)檫^冷液體，經(jīng)膨脹閥降壓(5-7)后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中氣化(7-1)后被壓縮機(jī)吸氣口吸入。主路和輔路的工質(zhì)在壓縮機(jī)工作腔內(nèi)混合，再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī)外(1，2-3)，最后進(jìn)入冷凝器。
    由圖7可知，非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)循環(huán)為空氣源熱泵循環(huán)(1-2-3-4)與非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)循環(huán)(1′-2′-3′-4′)的疊加。
    直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)ICOP,1的計算式為：
 
式中ICOP,1——直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)
    h1,3——直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)出口工質(zhì)比焓，kJ/kg
    h1,4——直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中冷凝器出口工質(zhì)比焓，kJ/kg
    h1,2——直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)中太陽能集熱器出口工質(zhì)比焓，kJ/kg
   非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)ICOP,3的計算式為：
 
式中ICOP——非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)
    h3,3——非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)出口工質(zhì)比焓，kJ/kg
    h3,4——非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中冷凝器出口工質(zhì)比焓，kJ/kg
    h3,2——非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中輔路壓縮機(jī)入口工質(zhì)比焓，kJ/kg
    a——輔路工質(zhì)流量與工質(zhì)總流量之比
    h3,1——非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)中主路工質(zhì)膨脹后工質(zhì)比焓，kJ/kg
   直膨式太陽能集熱器采用板式集熱器，設(shè)備簡單，安裝方便，蒸發(fā)器和太陽能集熱器結(jié)合，從而降低設(shè)備造價。但是由于直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)易發(fā)生工質(zhì)泄漏，因此該系統(tǒng)的供熱規(guī)模較小。非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，適用于集中供熱系統(tǒng)和供熱水。
3 太陽能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性分析
    太陽能熱泵系統(tǒng)能夠利用可再生能源，但是還要消耗電能，因此太陽能熱泵系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用與電價關(guān)系密切。以北京能源價格為例，簡單比較燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、太陽能熱泵提供100MJ熱量所需要的燃料費(fèi)用，計算結(jié)果見表1。由表1可知，在目前的能源價格下，太陽能熱泵的經(jīng)濟(jì)性稍弱于燃煤鍋爐。因此，太陽能熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)有能源價格下具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
表1 不同熱源形式下的燃料費(fèi)用
熱源形式
燃料價格
燃料費(fèi)用/元
燃煤鍋爐
0.78元/kg
3.80
燃?xì)忮仩t
2.05元/m3
19.14
燃油鍋爐
5.67元/kg
16.66
太陽能熱泵
0.6元(kW·h)
4.18
    隨著社會的進(jìn)步，環(huán)境保護(hù)越來越受到關(guān)注，評價熱源對環(huán)境的影響成為衡量熱源優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于采用了可再生能源，太陽能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中排放的CO2、灰渣、硫化物、氮氧化物等污染物較少，對環(huán)境的影響很小。因此，太陽能熱泵系統(tǒng)環(huán)境友好，是一種經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益兼顧的熱源。
4 結(jié)論
    太陽能熱泵系統(tǒng)是一種新型熱源方式，在能源利用和環(huán)保方面都具有較高的發(fā)展?jié)摿?。在目前的能源價格下，太陽能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，對環(huán)境的影響也較小。
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(本文作者：于春龍 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司 北京 100032)