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太陽(yáng)能熱泵原理及技術(shù)分析

2012-8-29 中國(guó)冷鏈物流網(wǎng)www.jsslwood.com

　　熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)主要應(yīng)用于建筑物的采暖空調(diào)領(lǐng)域。因熱泵制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來(lái)越多的采用熱泵設(shè)備作為熱源[2]。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)用機(jī)房，安裝使用方便，在衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)外，現(xiàn)在已有多個(gè)品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場(chǎng)。但空氣源熱泵的一個(gè)主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數(shù)隨著室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區(qū)[3]。
　　將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能結(jié)合供應(yīng)生活熱水，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽(yáng)能系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，另一種是利用太陽(yáng)能熱水為低溫?zé)嵩椿驅(qū)⑻?yáng)能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。前者以太陽(yáng)能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽(yáng)能供熱的連續(xù)性問(wèn)題，但仍舊無(wú)法擺脫環(huán)境溫度對(duì)熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽(yáng)能作為熱泵熱源，大大提高了太陽(yáng)能的利用效率，但太陽(yáng)能資源不足時(shí)仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽(yáng)能集熱量的限制，規(guī)模一般比較小。
　　在大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)中，空氣源熱泵無(wú)疑是一種比較理想的輔助加熱設(shè)備，為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行的性能，擴(kuò)大它的使用區(qū)域，結(jié)合國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱泵研究中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我們研制了一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新型的采用低溫太陽(yáng)能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽(yáng)能和熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽(yáng)能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽(yáng)能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。
　　1太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)組成
　　1.1太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)基本組成
　　太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽(yáng)能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。
　　1.2太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組
　　1.2.1太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組工作原理
　　為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，歸納起來(lái)主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來(lái)提高熱泵低溫制熱性能，比如通過(guò)電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機(jī)周?chē)笤O(shè)相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運(yùn)行出力等等；二是通過(guò)改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來(lái)提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級(jí)壓縮的空氣源熱泵，設(shè)中間補(bǔ)氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統(tǒng)，低溫工況下讓壓縮機(jī)高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時(shí)向壓縮機(jī)工作腔噴液以防止其過(guò)熱，從而使熱泵機(jī)組能夠正常運(yùn)行。
　　太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的，如圖2所示。在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽(yáng)能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對(duì)較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。
　　2、太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組示意圖
　　1.2.2太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組性能特點(diǎn)[7]
　　與普通的空氣源熱泵相比較，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：
　?。?）COP顯著提高
　　在同樣的環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有了明顯的提高，熱泵制熱性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化情況如圖2所示。
　?。?）防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時(shí)間
　　由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機(jī)組的化霜次數(shù)和時(shí)間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷的運(yùn)行。
　　（3）改善空調(diào)壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命
　　在環(huán)境溫度較低時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的壓縮比急劇升高，壓縮機(jī)的排氣溫度常常會(huì)超過(guò)壓縮機(jī)允許的工作范圍，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁的啟停，無(wú)法正常工作，長(zhǎng)此以往，將會(huì)損傷壓縮機(jī)的整體性能，減少空調(diào)設(shè)備的使用壽命。通過(guò)太陽(yáng)能作為輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機(jī)的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機(jī)在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問(wèn)題，并且可以使整個(gè)熱泵機(jī)組的使用壽命有效延長(zhǎng)。
　　1.2.3太陽(yáng)能輔助換熱器的設(shè)計(jì)
　　輔助換熱器位于熱泵蒸發(fā)器的外側(cè)，作為熱泵機(jī)組的一個(gè)部件與熱泵機(jī)組同步設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用和蒸發(fā)器同樣外型尺寸和材質(zhì)的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過(guò)溫升及其與熱泵蒸發(fā)器的間距應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽(yáng)能水溫、環(huán)境溫度及熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度、排風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
　　1.3太陽(yáng)能集熱器
　　目前在太陽(yáng)能熱水工程中通常采用的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種[8]。對(duì)于全年使用的比較大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)，要求太陽(yáng)能集熱器應(yīng)具有一定的承壓能力，比較高集熱效率，比較小的管道阻力，抗凍能力強(qiáng)，易于維護(hù)。在這幾種太陽(yáng)能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高，市場(chǎng)占有率大，但因其不能承壓運(yùn)行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，絕大部分都被用作家用太陽(yáng)能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽(yáng)能集熱器，可以承壓運(yùn)行，適用于在大型的太陽(yáng)能熱水工程中應(yīng)用。
　　平板集熱器是應(yīng)用比較早的一種太陽(yáng)能集熱裝置，一直以來(lái)也是世界太陽(yáng)能市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種低溫?zé)崴訜犷I(lǐng)域，但隨著真空管太陽(yáng)能集熱器的出現(xiàn)，受其自身結(jié)構(gòu)的局限，在集熱效率上已不具備優(yōu)勢(shì)，因防凍問(wèn)題以及集熱性能受季節(jié)和環(huán)境影響較大，目前主要在南方冬季氣溫較高的地區(qū)應(yīng)用，在北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行效果欠佳，不推薦在大型熱水工程中應(yīng)用。

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