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什么是太阳能热泵?如皋太阳能热泵技术原理及其特点介绍

所属分类:公司头条    发布时间: 2019-11-07    作者:江苏逸佳冷暖
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太阳能热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统,包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主,涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域,对太阳能集热温度要求不高,而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。

太阳能热泵技术原理及其特点

如皋太阳能热泵

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。

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。

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;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;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。

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:

1)同传统的太阳能直接供热系统相比,太阳能热泵的.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。

总结

相对于现有其他供热节能产品,如空气源热泵、土壤源热泵和太阳能集热系统,太阳能热泵有着其无法比拟的优点。

①太阳能热利用率远较太阳能集热系统高

A、将平板太阳能集热板中的集热板芯与热泵蒸发器制成一体形成管翼式蒸发器,蒸发换热均匀充分,整个集热板芯表面温度均匀,大大降低了表面热迁移损失。同时,汽液相变换热是对流换热的几十倍,相对太阳能集热系统效率极高。

B、太阳能集热蒸发器的工作温度远较太阳能集热系统工作温度低,太阳能光热效率高达75%以上,较常规太阳能集热器40%-45%的光热效率大大提高。

②能效比(COP值)远较一般空气源热泵和土壤源热泵高

在太阳能热泵工况下,制冷剂蒸发温度一般在10-25℃,而空气能热泵蒸发温度较环境温度低5-10℃(北方环境温度一般在0℃以下),土壤源热泵蒸发温度较土壤温度低6-10℃(北方冬季土壤温度在8-13℃之间)。

③运行零能耗

采用太阳能光伏发电作为热泵的电力供应,太阳能热泵运行实现了零能耗。

④系统稳定、安全

A、采用制冷剂(R134a等)作为热泵工作液,R134a的冰点温度为-101.3℃,彻底解决了平板太阳能集热系统的防冻问题。

B、采用制冷剂作为工作介质,运行可控。

由于太阳能是间歇性能源,受天气、入射角度等因素的影响,供热不稳定。因此,根据不同场合,需要和土壤源热泵、空气源热泵以及相变储能热库有机结合,才能形成稳定高效的供热。我们把和土壤源热泵的结合称为土壤源太阳能热泵,和空气源热泵的结合称为空气源太阳能热泵,和相变储能热库相结合称为相变储热型太阳能热泵。

在环境温度低于-15℃的寒冷地区,只能使用土壤源太阳能热泵和相变储热型太阳能热泵。

太阳能热泵热水器的研究现状

早在20世纪50年代初,太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性,即可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。随后,日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的研究与开发,在各地实施了多项太阳能热泵示范工程,例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游泳馆等,取得了一定的经济效益和良好的社会效益。更多资讯请搜索微信公众号:李晓锋,在能源和环境问题日益严峻的今天,太阳能热泵因其具有显著的节能性和环境友好性,得到了越来越广泛的关注。近年来,土耳其、印度尼西亚等发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究。在产业化发展方面,美国的SolarKing系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等就是比较典型的产品范例。

我国对太阳能热泵的研究起步较晚,有关文献和报道均在十几年内。天津大学、东南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太阳能热泵进行了实验及理论研究,取得了一定的成果。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行的实验研究和理论分析表明,该系统可以一年四季可靠运行,向用户提供50℃生活热水,COP达到2.64~2.85(冬天),2.61~3.5(夏天)。青岛建筑工程学院对串联式太阳能热泵供暖系统进行了实验研究,该系统具有多功能调节能力,冬季热泵供暖时热泵机组工作稳定,COP平均值达到2.71,具有明显的节能效果。上海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究,该热水器可全天候提供45~50℃生活热水150L,每天耗电量约为1kW·h(夏)~2kW·h(冬),其分体式结构尤其适合于高层或多层建筑,此外,这种热水器在阴雨天可以照常工作,其工作形式转变为空气源热泵。