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太阳能热泵技术研究(二)

2008-01-18 11:38
路过的码农
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2 太阳能热泵技术原理及其特点

    太阳能热泵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。它把热泵技术和太阳能热利用技术有机的结合起来,可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。集热器吸收的热量作为热泵的低温热源,在阴雨天,直膨式太阳能热泵转变为空气源热泵,非直膨式太阳能热泵作为加热系统的辅助热源。因此,它可全天候工作,提供热水或热量。

  2.1 太阳能热泵的分类

       根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式,可分为直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump,DX-SAHP)和非直膨式。

        在直膨式系统中,太阳集热器与热泵蒸发器合二为一,即制冷工质直接在太阳集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发(如图2所示)。在非直膨式系统中,太阳集热器与热泵蒸发器分立,通过集热介质(一般采用水、空气、防冻溶液)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。根据太阳能集热环路与热泵循环的连接形式,非直膨式系统又可进一步分为串联式、并联式和双热源式。串联式是指集热环路与热泵循环通过蒸发器加以串联、蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收的热量(如图3所示);并联式是指太阳能集热环路与热泵循环彼此独立,前者一般用于预热后者的加热对象,或者后者作为前者的辅助热源(如图4所示);双热源式与串联式基本相同,只是蒸发器可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源(如图5所示)[3]。

  2.2 太阳能热泵的技术特点

       太阳能热泵将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来,具有以下几个方面的技术特点[4]:

  1)同传统的太阳能直接供热系统相比,太阳能热泵的最大优点是可以采用结构简易的集热器,集热成本非常低。在直膨式系统中,太阳集热器的工作温度与热泵蒸发温度保持一致,且与室外温度接近,而非直膨式系统中,太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源,集热介质温度通常为20℃~30℃,因此集热器的散热损失非常小,集热器效率也相应提高。有研究表明,在非寒冷地区即使采用结构简单、廉价的普通平板集热器,集热器效率也高达60%~80%,甚至采用无盖板、无保温的裸板集热器也是可以的。

  2)由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点,常规的太阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置,并且配备相应的辅助热源,这不仅造成系统初投资较高,而且较大面积的集热器也难于布置。
    太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性,在相同热负荷条件下,太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多,使得系统结构更紧凑,布置更灵活。

  3)在太阳辐射条件良好的情况下,太阳能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度,因而具有更高的供热性能系数(COP可达到4以上),而且供热性能受室外气温下降的影响较小。
  4)由于太阳能无处不在、取之不尽,因此太阳能热泵的应用范围非常广泛,不受当地水源条件和地质条件的限制,而且对自然生存环境几乎不造成影响。
  5)太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点,即冬季可供暖,夏季可制冷,全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置,因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运行,以供白天供冷之用,不仅运行费用便宜,而且有助于电力错峰。

  6)考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题,直膨式太阳能热泵一般适用于小型供热系统,如户用热水器和供热空调系统。其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤其是应用于生产热水,具有高效节能、安装方便、全天候等优点,其造价与空气源热泵热水器相当,性能更优越。

  7)非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等优点,适合于集中供热、空调和供热水系统。易于与建筑一体化。

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