太阳能热泵的技术研究

2018-10-28 14:04 作者:公司公告 来源:w66利来国际老牌

  太阳能热泵的技术研究

  跟着经济开展和科技的前进,动力和环境是当今世界杰出的两大社会问题,这促进人们更多地意识到动力对人类的重要性,而愈来愈注重太阳能运用和节能热泵技能。现在我国太阳能的热运用首要会集在被动式太阳房采温暖热水器供给家用热水上,而自动式太阳能供热体系的开发的运用相对落后。选用节能设备——热泵与太阳能集热设备、蓄热组织相联接的体系办法,不只能够有效地战胜太阳能自身所具有的淡薄性和间歇性,并且能够到达节省高位能和削减环境污染的意图,具有很大的开发、运用潜力。热泵技能是一种很好的节能型空调制冷供热技能,是运用少数高档次的电能作为驱动动力,从低温热源高效汲取低档次热能,并将其传输给高温热源,以到达泵热的意图,然后转能质系数低的动力为能质系数高的动力(节省高档次动力),即进步能量档次的技能。跟着人们对获取日子用热水的要求日趋进步,具有间断性特色的太阳能难以满意全天候供热。要处理这一问题,热泵技能与太阳能运用相结合无疑是一种好的挑选办法。

  1、热泵的根本原理及其类型

  热泵是一反向运用的制冷机,与制冷机所不同的仅仅作业的温度规模。热泵体系的作业原理如图1所示[1][2]。蒸腾器吸热后,其工质的高温低压过热气体在紧缩机中经过绝热紧缩变为高温高压的气体后,经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体(放出工质的气化热等,与冷凝水进行热交换,使冷凝水被加热为热水供用户运用),液态工质再经降压阀绝热节省后变为低温低压液体,进入蒸腾器定压吸收热源热量,并蒸腾变为过热蒸气完结一个循环进程。如此循环往复,不断地将热源的热能传递给冷凝水。

  依据热力学第必定律,有:Qg= Qd + A,依据热力学第二定律,紧缩机所耗费的电功A起到补偿作用,使得制冷剂能够不断地从低温环境吸热(Qd),并向高温环境放热(Qg),循环往复地进行循环。因而,紧缩机的能耗是一个重要的技能经济指标,一般用功能系数(coefficient of performance,简称COP)来衡量设备的能量功率,其界说为:

  COP=Qg/A =(Qd+A)/A=1+Qd/A

  显着,热泵COP永久大于1。因而,热泵是一种高效节能设备,也是制冷空调领域内施行修建节能的重要途径,关于节省惯例动力、缓解大气污染和温室效应起到活跃的作用。

  全部型式的热泵都有蒸腾和冷凝两个温度水平,选用膨胀阀或毛细管完成制冷剂的降压节省,仅仅压力添加的不同方式,首要有机械紧缩式、热能紧缩式和蒸气喷发紧缩式。其间,机械紧缩式热泵又称作电动热泵,现在现已广泛运用修建采温暖空调,在热泵市场上占有了主导位置;热能紧缩式热泵包含吸收式和吸附式两种型式,其间水—溴化锂吸收式和氨—水吸收式热水机组现已逐渐走上商业化开展的路途,而吸附式热泵现在尚处于研讨和开发阶段,还必须战胜作业间歇性以及体系功能和冷重比偏低一级问题,才干真实运用于实践。依据热源方式的不同,热泵可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和太阳能热泵等。国外的文献一般将地下水热泵、地表水热泵与土壤源热泵统称为地源热泵。

  2、太阳能热泵技能原理及其特色

  太阳能热泵一般是指运用太阳能作为蒸腾器热源的热泵体系,差异于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。它把热泵技能和太阳能热运用技能有机的结合起来,可一起进步太阳能集热器功率和热泵体系功能。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体系的辅佐热源。因而,它可全天候作业,供给热水或热量。

  2.1太阳能热泵的分类

  依据太阳集热器与热泵蒸腾器的组合方式,可分为直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump,DX-SAHP)和非直膨式。在直膨式体系中,太阳集热器与热泵蒸腾器合二为一,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腾(如图2所示)。在非直膨式体系中,太阳集热器与热泵蒸腾器分立,经过集热介质(一般选用水、空气、防冻溶液)在集热器中吸收太阳能,并在蒸腾器中将热量传递给制冷剂,或许直接经过换热器将热量传递给需求预热的空气或水。依据太阳能集热环路与热泵循环的衔接方式,非直膨式体系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经过蒸腾器加以串联、蒸腾器的热源悉数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互相独立,前者一般用于预热后者的加热目标,或许后者作为前者的辅佐热源(如图4所示);双热源式与串联式根本相同,仅仅蒸腾器可一起运用包含太阳能在内的两种低温热源(如图5所示)[3]。

  2.2太阳能热泵的技能特色

  太阳能热泵将太阳能运用技能与热泵技能有机结合起来,具有以下几个方面的技能特色[4]:

  1)同传统的太阳能直接供热体系比较,太阳能热泵的最大长处是能够选用结构简易的集热器,集热本钱十分低。在直膨式体系中,太阳集热器的作业温度与热泵蒸腾温度保持一致,且与室外温度挨近,而非直膨式体系中,太阳能集热环路往往作为蒸腾器的低温热源,集热介质温度一般为20℃~30℃,因而集热器的散热丢失十分小,集热器功率也相应进步。有研讨标明,在非冰冷区域即便选用结构简略、廉价的一般平板集热器,集热器功率也高达60%~80%,乃至选用无盖板、无保温的裸板集热器也是能够的。

  2)因为太阳能具有低密度、间歇性和不安稳性等缺陷,惯例的太阳能供热体系往往需求选用较大的集热和蓄热设备,并且装备相应的辅佐热源,这不只形成体系初出资较高,并且较大面积的集热器也难于安置。太阳能热泵根据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惯例体系小得多,使得体系结构更紧凑,安置更灵敏。

  3)在太阳辐射条件杰出的情况下,太阳能热泵往往能够获得比空气源热泵更高的蒸腾温度,因而具有更高的供热功能系数(COP可到达4以上),并且供热功能受室外气温下降的影响较小。

  4)因为太阳能无处不在、取之不尽,因而太阳能热泵的运用规模十分广泛,不受当地水源条件和地质条件的约束,并且对天然生存环境几乎不形成影响。

  5)太阳能热泵同其它类型的热泵相同也具有一机多用的长处,即冬天可供暖,夏日可制冷,全年可供给日子热水。因为太阳能热泵体系中设有蓄热设备,因而夏日可运用夜间谷时电力进行蓄冷运转,以供白日供冷之用,不只运转费用廉价,并且有助于电力错峰。

  6)考虑到制冷剂的充注量和走漏问题,直膨式太阳能热泵一般适用于小型供热体系,如户用热水器和供热空调体系。其特色是集热面积小、体系紧凑、集热功率和热泵功能高、适应性好、自动操控程度高级特别是运用于出产热水,具有高效节能、装置便利、全天候等长处,其造价与空气源热泵热水器适当,功能更优越。

  7)非直膨式体系具有方式多样、安置灵敏、运用规模广等长处,适合于会集供热、空谐和供热水体系。易于与修建一体化。

  
3、太阳能热泵热水器的研讨现状

  早在20世纪50年代初,太阳能热运用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性,即可一起进步太阳能集热器功率和热泵体系功能。随后,日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷繁投入了很多的人力、物力对太阳能热泵进行深化的研讨与开发,在各地施行了多项太阳能热泵演示工程,例如宾馆、住所、校园、医院、图书馆以及游泳馆等,取得了必定的经济效益和杰出的社会效益。在动力和环境问题日益严峻的今日,太阳能热泵因其具有显着的节能性和环境友好性,得到了越来越广泛的重视。近年来,土耳其、印度尼西亚等开展中国家也对太阳能热泵进行了很多的研讨[5][6]。在产业化开展方面,美国的Solar King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典范。

  我国对太阳能热泵的研讨起步较晚,有关文献和报导均在十几年内。天津大学、东南大学、青岛修建工程学院、上海交通大学等先后对太阳能热泵进行了实验及理论研讨,取得了必定的作用。天津大学对串联式太阳能热泵供热水体系进行的实验研讨和理论剖析标明,该体系能够一年四季牢靠运转,向用户供给50℃日子热水,COP到达2.64~2.85(冬天),2.61~3.5(夏天)[7]。青岛修建工程学院对串联式太阳能热泵供暖体系进行了实验研讨,该体系具有多功能调理才能,冬天热泵供暖时热泵机组作业安稳,COP平均值到达2.71,具有显着的节能作用[8]。上海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了实验研讨,该热水器可全天候供给45~50℃日子热水150L,每天耗电量约为1kW·h(夏)~2 kW·h(冬),其分体式结构特别适合于高层或多层修建,此外,这种热水器在阴雨天能够照旧作业,其作业方式转变为空气源热泵[9]。

  4、太阳能热泵与修建结合的运用

  近年来,跟着太阳能工作的开展和修建节能的要求,跟着城市的开展和人民日子水平的进步,太阳能与修建一体化和全天候供热已成为我国太阳能热运用的重要议题。太阳能与修建一体化就是把太阳能产品作为修建部件装置,使其有机结合起来,契合修建美学要求,并尽可能地运用太阳能等新动力和可再生动力代替惯例动力以削减修建能耗对惯例动力的依靠,下降修建能耗占我国总能耗的份额,并进步惯例动力运用率。因为太阳能热泵具有集热功率高、供热功能系数高、方式多样、安置灵敏、一机多用、运用规模广等长处,能较好地满意太阳能与修建一体化的要求。因为太阳能具有低密度、间歇性和不安稳性等缺陷,惯例的太阳能供热体系很难满意全天候的要求,为满意全天候的要求,惯例办法是选用电加热或燃气加热为辅佐热源,但简单引发安全问题,且耗费了很多优质动力,而选用太阳能供热体系就能较好地处理全天候的问题。现在,我国太阳能热泵首要应在公共修建物上,例如,北京奥运村和奥运场馆的日子热水和加热的能量都选用太阳能热泵供热体系。

  5、太阳能热泵技能存在的问题

  我国太阳能热泵的开展和运用还存在着一些问题:

  1)出资经济性。动力结构和燃料价格直接影响太阳能热泵的经济性,例如,我国西部区域以煤炭为主的动力结构以及较低的燃料价格必将影响太阳能热泵的市场竞争力。一起,太阳能热泵体系初出资偏高也是影响其经济性的重要因素之一。

  2)功能牢靠性。各种类型的太阳能热泵功能有待进步,要使部件之间的匹配联系到达出资运转最佳效益,要将体系规划与修建规划结合起来,既要考虑体系功能又要考虑修建漂亮,要实施智能化操控,这需求各个专业、各个领域的人共同努力、相互配合。

  3)大众对这一技能缺少满足的了解和知道。现在,在我国限制太阳能热泵运用的首要妨碍是体系初出资较高以及政府、修建规划人员和大众对这一技能缺少满足的了解和知道。经过政府部门、科研组织和工程技能人员的共同努力,学习国外的成功经验,我国太阳能热泵将得到较快的推行和开展。

  6 、结束语

  太阳能是地球上全部能的首要来历,是无穷无尽无公害的洁净动力,也是21世纪人类最有期望的动力。我国地域宽广,年日照时间大于2000h的区域约占全国国土面积的2/3,处于运用太阳能较有利的区域内。太阳能热泵技能是太阳能热运用技能和热泵技能有机的结合,具有集热功率高、供热功能系数高、方式多样、安置灵敏、一机多用、运用规模广等长处,能较好地处理太阳能与修建一体化和全天候的问题。太阳能热泵技能将在太阳能运用中占有重要位置,有着宽广的开展前景。

  
 

  

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