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太陽能熱泵技術研究

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:829时间:2019-11-21

太陽能熱泵技術研究 論文摘要:熱泵技術是一種很好的節能型空調製冷供熱技術,把熱泵技術與太陽能熱利用技術結合可進步太陽能集熱器效率和熱泵係統性能,同時解決全天候供熱題目。是以,研究開發太陽能熱泵正日益受到重視。本文論述了太陽能熱泵的技術道理和特點和在提供熱水方麵的利用和研究現狀等。 0 引言隨著經濟發展和科技的進步,能源和環境是當今世界突出的兩大社會題目,這促使人們更多地意想到能源對人類的首要性,而愈來愈重視太陽能利用和節能熱泵技術。目前我國太陽能的熱利用首要集中在被動式太陽房采熱和熱水器提供家用熱水上 ,而主動式太陽能供熱係統的開發的利用相對落後。采用節能裝配——熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯接的係統方式,不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的淡薄性和間歇性 ,而且可以達到節約高位能和減少環境汙染的目的,具有很大的開發、利用潛力。熱泵技術是一種很好的節能型空調製冷供熱技術,是利用少量高品位的電能作為驅動能源,從低溫熱源高效吸取低品位熱能,並將其傳輸給高溫熱源,以達到泵熱的目的,從而轉能質係數低的能源為能質係數高的能源(節約高品位能源),即進步能量品位的技術。隨著人們對獲取生活用熱水的要求日趨進步 ,具有中斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一題目,熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法 。1 熱泵的基本道理及其類型熱泵是一反向使用的製冷機,與製冷機所不同的隻是工作的溫度範圍。熱泵係統的工作道理如圖1所示[1][2]。蒸發器吸熱後 ,其工質的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經過盡熱壓縮變為高溫高壓的氣體後,經冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體(放出工質的氣化熱等 ,與冷凝水進行熱交換,使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用),液態工質再經降壓閥盡熱節流後變為低溫低壓液體,進進蒸發器定壓吸收熱源熱量,並蒸發變為過熱蒸氣完成一個循環過程。如此循環往複,不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水 。根據熱力學第一定律,有:Qg= Qd + A ,根據熱力學第二定律,壓縮機所消耗的電功A起到補償感化,使得製冷劑能夠不斷地從低溫環境吸熱(Qd),並向高溫環境放熱(Qg),循環往複地進行循環。是以 ,壓縮機的能耗是一個首要的技術經濟指標,一般用性能係數(coefficient of performance,簡稱COP)來衡量裝配的能量效率,其定義為:COP=Qg/A =(Qd+A)/A=1+Qd/A顯然 ,熱泵COP永久大於1。是以,熱泵是一種高效節能裝配,也是製冷空調領域內實施建築節能的首要途徑,對於節約常規能源 、緩解大氣汙染和溫室效應起到積極的感化。所有型式的熱泵都有蒸發和冷凝兩個溫度水平,采用膨脹閥或毛細管實現製冷劑的降壓節流,隻是壓力增加的不同形式,首要有機械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中,機械壓縮式熱泵又稱作電動熱泵,目前已廣泛利用建築采熱和空調,在熱泵市場上占有了主導地位;熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式 ,其中水—溴化鋰吸收式和氨—水吸收式熱水機組已慢慢走上貿易化發展的道路,而吸附式熱泵目前尚處於研究和開發階段,還必須克服運轉間歇性和係統性能和冷重比偏低等題目 ,才能真正利用於實際。根據熱源形式的不同,熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統稱為地源熱泵。2 太陽能熱泵技術道理及其特點太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發器熱源的熱泵係統,區別於以太陽能光電或熱能發電驅動的熱泵機組。它把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機的結合起來,可同時進步太陽能集熱器效率和熱泵係統性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源,在陰雨天,直膨式太陽能熱泵改變為空氣源熱泵,非直膨式太陽能熱泵作為加熱係統的輔助熱源。是以 ,它可全天候工作,提供熱水或熱量。2.1 太陽能熱泵的分類根據太陽集熱器與熱泵蒸發器的組合形式,可分為直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump,DX-SAHP)和非直膨式。在直膨式係統中,太陽集熱器與熱泵蒸發器合二為一,即製冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發(如圖2所示) 。在非直膨式係統中,太陽集熱器與熱泵蒸發器分立,通過集熱介質(一般采用水、空氣、防凍溶液)在集熱器中吸收太陽能,並在蒸發器中將熱量傳遞給製冷劑,或者直接通過換熱器將熱量傳遞給需要預熱的空氣或水。根據太陽能集熱環路與熱泵循環的連接形式,非直膨式係統又可進一步分為串聯式、並聯式和雙熱源式 。串聯式是指集熱環路與熱泵循環通過蒸發器加以串聯 、蒸發器的熱源全部來自於太陽能集熱環路吸收的熱量(如圖3所示);並聯式是指太陽能集熱環路與熱泵循環彼此獨立 ,前者一般用於預熱後者的加熱對象,或者後者作為前者的輔助熱源(如圖4所示);雙熱源式與串聯式基本相同,隻是蒸發器可同時利用包括太陽能在內的兩種低溫熱源(如圖5所示)[3]。2.2 太陽能熱泵的技術特點太陽能熱泵將太陽能利用技術與熱泵技術有機結合起來,具有以下幾個方麵的技術特點[4]:1)同傳統的太陽能直接供熱係統相比 ,太陽能熱泵的最大優點是可以采用結構簡易的集熱器,集熱本錢非常低。在直膨式係統中,太陽集熱器的工作溫度與熱泵蒸發溫度保持一致 ,且與室外溫度接近,而非直膨式係統中,太陽能集熱環路往往作為蒸發器的低溫熱源,集熱介質溫度通常為20℃~30℃,是以集熱器的散熱損失非常小,集熱器效率也相應進步 。有研究表明,在非嚴冷地區即使采用結構簡單、廉價的普通平板集熱器,集熱器效率也高達60%~80% ,甚至采用無蓋板、無保溫的***板集熱器也是可以的。2)由於太陽能具有低密度、間歇性和不穩定性等缺點,常規的太陽能供熱係統往往需要采用較大的集熱和蓄熱裝配 ,並且配備相應的輔助熱源 ,這不僅造成係統初投資較高,而且較大麵積的集熱器也難於布置。太陽能熱泵基於熱泵的節能性和集熱器的高效性,在相同熱負荷條件下,太陽能熱泵所需的集熱器麵積和蓄熱器容積等都要比常規係統小得多,使得係統結構更緊湊,布置更靈活。3)在太陽輻射條件良好的情況下,太陽能熱泵往往可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發溫度,因此具有更高的供熱性能係數(COP可達到4以上),而且供熱性能受室外氣溫下降的影響較小。4)由於太陽能無處不在、取之不盡,是以太陽能熱泵的利用範圍非常廣泛 ,不受當地水源條件和地質條件的限製,而且對自然生存環境幾乎不造成影響 。5)太陽能熱泵同其它類型的熱泵一樣也具有“一機多用”的優點,即冬季可供熱,夏季可製冷,全年可提供生活熱水。由於太陽能熱泵係統中設有蓄熱裝配 ,是以夏季可利用夜間穀時電力進行蓄冷運行,以供白天供冷之用,不僅運行用度便宜,而且有助於電力錯峰。6)考慮到製冷劑的充注量和泄漏題目,直膨式太陽能熱泵一般適用於小型供熱係統,如戶用熱水器和供熱空調係統。其特點是集熱麵積小、係統緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應性好、主動控製程度高等特別是利用於生產熱水 ,具有高效節能、安裝方便、全天候等優點,其造價與空氣源熱泵熱水器相當,性能更優越。7)非直膨式係統具有形式多樣、布置靈活、利用範圍廣等優點,適合於集中供熱、空調和供熱水係統。易於與建築一體化。3 太陽能熱泵熱水器的研究現狀早在20世紀50年代初,太陽能熱利用的先驅者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優越性,即可同時進步太陽能集熱器效率和熱泵係統性能。隨後,日本、美國 、瑞典 、澳大利亞等發達國家紛紛投進了大量的人力、物力對太陽能熱泵進行深進的研究與開發,在各地實施了多項太陽能熱泵示範工程,例如賓館、室第、學校、醫院、圖書館和泅水館等,取得了一定的經濟效益和良好的社會效益。在能源和環境題目日益嚴重的今天,太陽能熱泵因其具有明顯的節能性和環境友愛性,得到了愈來愈廣泛的關注。近年來,土耳其、印度尼西亞等發展中國家也對太陽能熱泵進行了大量的研究[5][6]。在產業化發展方麵,美國的Solar King係列太陽能熱泵供熱設備和澳大利亞的Quantum係列太陽能熱泵熱水器等就是比較典型的產品範例。我國對太陽能熱泵的研究起步較晚,有關文獻和報道均在十幾年內。天津大學、東南大學、青島建築工程學院、上海交通大學等先後對太陽能熱泵進行了實驗及理論研究 ,取得了一定的成果。天津大學對串聯式太陽能熱泵供熱水係統進行的實驗研究和理論分析表明,該係統可以一年四季可靠運行,向用戶提供50℃生活熱水,COP達到2.64~2.85(冬天),2.61~3.5(夏天)[7]。青島建築工程學院對串聯式太陽能熱泵供熱係統進行了實驗研究,該係統具有多功能調節能力,冬季熱泵供熱時熱泵機組工作穩定,COP均勻值達到2.71,具有明顯的節能效果[8]。上海交通大學對直膨式太陽能熱泵熱水器進行了試驗研究,該熱水器可全天候提供45~50℃生活熱水150L,天天耗電量約為1kW·h(夏)~2 kW·h(冬),其分體式結構特別適合於高層或多層建築,此外,這類熱水器在陰雨天可以還是工作 ,其工作形式改變為空氣源熱泵[9]。4 太陽能熱泵與建築結合的利用近年來,隨著太陽能事業的發展和建築節能的要求,隨著城市的發展和人民生活水平的進步,“太陽能與建築一體化”和“全天候供熱”已成為我國太陽能熱利用的首要議題。“太陽能與建築一體化”就是把太陽能產品作為建築部件安裝,使其有機結合起來 ,符合建築美學要求,並盡可能地利用太陽能等新能源和可再生能源替換常規能源以減少建築能耗對常規能源的依靠,降低建築能耗占我國總能耗的比例,並進步常規能源利用率 。由於太陽能熱泵具有集熱效率高、供熱性能係數高、形式多樣、布置靈活、一機多用、利用範圍廣等優點,能較好地滿足“太陽能與建築一體化”的要求。由於太陽能具有低密度、間歇性和不穩定性等缺點,常規的太陽能供熱係統很難滿足“全天候”的要求,為滿<1頁

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