太阳能热泵技术研究进展

太阳能热泵技术研究进展

赵宏禹1，崔洁1，潘宏刚1，胜兴1，姜鑫1，王强1，邹天舒2

（1.沈阳工程学院能源与动力学院，沈阳110136      2.中电投东北能源科技有限公司，沈阳110179）

摘 要：对太阳能热泵系统进行了概述，并分别从集热器、相变储能、系统低温运行技术等方面对国内外研究进行了综述。指出了使用热管集热器和内插管集热器可以提升系统集热效率，采用相变储能技术匹配最优相变水箱结构能够维持系统运行的稳定性，利用双热源热泵和空气分级耦合技术可以解决寒冷地区太阳能热泵系统制热性能差的问题。分析了限制太阳能热泵发展的因素，并指明了未来发展的方向。

关键词：太阳能热泵系统；集热器；相变储能；太阳能热泵系统优化

中图分类号： TK 文献标识码： A

0引言

随着全球经济的发展，人类正面临着严重的能源问题，可再生能源的利用是我们人类解决这一问题的关键手段。太阳能具有良好的经济和环保效益，热泵技术是目前很受欢迎的高效节能的供热手段。但是太阳能的利用受天气因素影响较大，在太阳辐射照度不足时，很难提供足够的热负荷；热泵技术的使用也会受到天气的影响，尤其在寒冷环境会出现性能低下、结霜等问题。但是将太阳能技术与热泵技术耦合起来可以有效解决这些问题，提高了整体系统的性能，而且还能保证系统热量输出的连续性，具有很高的可研究价值。目前太阳能热泵系统的研究分为两个主要方向：一是对太阳能系统和热泵系统之间的集成方式进行研究;二是对太阳能热泵系统内组件的改造优化和太阳能热泵系统针对现实问题的整体优化。

1太阳能热泵系统

1.1直膨式太阳能热泵系统

直膨式太阳能热泵系统中，传热工质在太阳能集热器中吸收太阳辐射能，膨胀并蒸发成高温低压蒸汽，随后进入到压缩机中通过压缩变成高温高压蒸汽，最后进入到冷凝器中将热量释放出来传递给热用户，其中太阳能集热器充当蒸发器作用。直膨式太阳能热泵系统流程如图1所示。

1蒸发器/集热器  2、7、8节流阀  3压缩机

4冷凝盘管  5水箱  6水泵  9蓄热设备

图1 直膨式太阳能热泵系统

基金项目: 中国博士后科学基金(2019M661125);辽宁省教育厅高校科研基金(JL－2003); 辽宁省科学技术基金（BL2203）

Fund-supported Project: China Postdoctoral Science Foundation( 2019M661125) ;Liaoning Provincial Department of Education University Research Fund(JL－2003);Liaoning Provincial Science and Technology Fund（BL2203）

直膨式太阳能热泵系统具有很高的研究价值，并且根据系统的工作原理有很好的优化方式。目前有一种直膨式太阳能热泵系统优化方式采用R290微通道技术，该技术可以降低系统中制冷剂冲注量[1]。R290丙烷是一种自然制冷剂，它具有很高的环保性能，微通道技术是一种结构轻巧，性能极高的系统结构。所以将二者结合起来并与直膨式太阳能热泵相耦合，可以提高系统的效率。张茂远等人研究了一套以R290为工质的DX-SAHP（直膨式太阳能辅助热泵）系统的热力性能[2]。R290制冷剂在太阳能集热器的微通道管路流程中吸收太阳辐射能和空气环境中的热量并膨胀蒸发成为制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽进入到压缩机中变成高温高压的状态，最近进入到采用微通道的冷凝器中放出热量。由于采用R290制冷剂微通道技术，这套系统的性能表现良好，该系统在春季测试期间实验结果显示，平均集热效率为0.96，系统平均COP为3.43，平均加热时间为426min。在环境温度为13.7℃，辐射强度为658W的工况条件下，系统平均COP可达4.47；而在环境温度9.7℃，辐射强度34W时系统平均COP仍可达2.71。

1.2非直膨式太阳能热泵系统

非直膨式太阳能水源热泵系统是指热泵循环和太阳能集热器相互独立，热泵循环通过间接换热利用太阳能集热器所吸收的热量的热泵形式。按照太阳能集热器和热泵循环不同接入方式，系统划分成串联式、并联式和混联式三大类。

1集热器2、3.三通阀4.蓄热器5水泵6蒸发盘管

7蓄热设备8节流阀9.压缩机10冷凝盘管

图2 非直膨串联式太阳能热泵采暖系统.

1集热器2、7水泵3蒸发器4压缩机5、11、12节流阀

6冷凝盘管9蓄热设备10水箱

图3 非直膨并联式太阳能热泵采暖系统.

串联式太阳能热泵系统通过中间换热器将太阳能集热系统和热泵系统连接起来，太阳能集热器部分只起到吸收热量的作用；并联式太阳能热泵系统中太阳能集热器和热泵可分别作为热源单独运行，

也可以同时作为热源共同运行。混联式太阳能热泵系统相当于将串联式和并联式结合起来，根据不同天气情况和室内负荷要求可以提供更多的模式选择，虽然结构会相对复杂但是具有可靠的供暖稳定性。当混联式太阳能热泵系统吸收的热量满足要求时，多余的热量可以贮存在储热装置中，在天气情况恶劣时，可以作为热源辅助热泵系统供热，具有很高的经济效益。

王岗等人设计了一种太阳能一热泵复合供能系统[3]，如图4所示。该系统有三种运行模式分别为单空气源热泵制热模式、太阳能光伏/热集热器与水源热泵联合制热模式和太阳能光伏/热集热器与双热源热泵联合制热模式。该复合供能系统具有很高的实用价值，可以应对多种天气情况包括太阳能充足、不足、完全没有太阳能。针对冬季运行情况，三种运行模式的COP分别为2.15、2.50、2.61；平均制热量分别为：1600W、1939W、2016W；室内可达平均温度为15.3℃、16.5℃、18.8℃，可达冬季供暖指标。该数据说明太阳能复合热泵双热源系统可以充分发挥各自的优势，提高了系统性能和效率，具有可研究和使用价值。

1 PV/T集热器2水泵3、10流量计4蓄热水箱5水冷蒸发器

6压缩机 7风冷蒸发器8冷凝器9毛细管11风机盘管12水箱

图4 太阳能-热泵复合供能系统示意图

2.太阳能集热器的研究

  集热器是太阳能热利用的关键设备，太阳能集热器的作用是把太阳的辐射能转化为热能。各种集热器的工作原理在传热理论上基本原理都是一致的，目标都是收集太阳的辐射能。太阳能集热器结构上的改变和形式上的改变，都是为了提高收集太阳能的能力。用于建筑供热的集热器仍然以平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器为主，是目前市场上比较常见的两种集热器类型[4]。

平板型太阳能集热器的工作原理为吸热板直接吸收太阳能，并将热量传递给传热工质，作为集热器的热量输出。针对平板型太阳能集热器的研究主要包括两个方面：平板型集热器结构研究和吸热板优化，平板型太阳能集热器结构研究内容如表1所示。

表1 平板型太阳能集热器结构研究

对于太阳能平板集热器的吸热板研究优化主要有两种方式，一是改变吸热板表面粗糙度，二是添加热反应选择性涂料[10][11]。经过国内外学者研究发现改变吸热板表面粗糙度可以有效提高平板集热器的热性能，Nu数可达原来的3.8倍，摩擦阻力系数可达原来的2.2倍；添加热反应选择性涂料可以提高对可见光的吸收率，如通过溶胶-凝胶二氧化钛与铜锰尖晶石的热反应形成的涂层对可见光吸收率大于95%。

真空管集热器包括全玻璃真空管和热管真空管两种类型。全玻璃真空管结构如图5所示，玻璃管之间夹层为真空状态，吸热板吸收太阳的辐射能，并将其转换为热能传递给传热工质。真空夹层可以有效降低散热损失，提高集热管热效率。热管式真空管结构如图6所示，热管式真空管工作原理与全玻璃真空管相似，区别在于金属管具有更好的传热特性，传热效率比全玻璃高出很多。

1.外玻璃管2.内玻璃管3.选择性吸收涂层4真空           1热管冷凝段 2热管蒸发段 3金属散热器 4玻璃管

5弹簧支架6消气剂7保护帽

图5 全玻璃真空管结构示意图                   图6 热管真空管结构示意图

目前还有一种新型内插式真空管集热器，如图7所示，袁颖利等人对此类型集热器的集热特性进行了研究。对于每一单独流道而言，空气通过内插管后由内插管末端进入到真空管和金属管之间的环形流道，加热后空气由真空管出口到达联箱外部通道并聚集在一起，最后从集热器出口流出。内插式真空管具有良好的工作性能，可以适应多种季节工况和安装工况，其平均集热效率可达50%以上。

图7 内插式太阳能真空管

3储能装置的研究

太阳能热泵系统的储能装置一般是指储能水箱（蓄热水箱），储能水箱的作用是将获得的热量储存在储能水箱内部的工质中，当热用户需要热量时，通过将水箱内工质的热量传递出来。国内外学者对太阳能热泵储能装置的研究方向总结有两个方向，一是储能水箱的容积及形状、热损失及保温、分层特性等方面，第二个方向是最重要也是最有研究价值的是相变储能材料的研究。蓄热水箱的设计对蓄热水箱热性能的影响较大，如对蓄热水箱容积及形状的研究。

通过以往的研究蓄热水箱容积与蓄热量之间的关系，可以得出集热器代为面积所需蓄热水箱容积的推荐值为 0.01~0.02 m³/m2。不同研究者对蓄热水箱的高径比进行了研究，当蓄热水箱高径比为1~5 时，随着高径比的增大，蓄热水箱分层效果增强，在 3～4 高径比之间，蓄热水箱可以获得良好的温度分层。在蓄热水箱的容积相同的条件下，蓄热水箱形状可分为三类：尖角形、半球形和平面形。蓄热水箱在静态工况下，只考虑蓄热水箱中温度层之间自然对流的作用，蓄热水箱为尖角形状的热分层效果最好，为水平面形状的热分层效果最差，半球形状的位于这两度之间，球体和筒体的储能能力最好。李永真

[12]通过改善水箱内部结构，增加导流挡板引导来流方向，有效降低由于水流冲击湍流混合引起的能量损失，改变蓄热水箱内部的温度场，可明显改善水箱冷热分层的效果。

蓄热水箱保温损失主要优两个原因，第一原因是蓄热水箱壁面由于传热向环境散热产生的热量损失，第二原因是由于蓄热水箱内部不同区域流体间掺混引起的能量损失。在加热条件下，蓄热水箱内自然对流对和水箱表面传热会造成能量损失。研究者研究发现季节、材料及性能会对蓄热水箱散热造成程度不同影响，壁面的对流换热以及顶部检修口的漏热，是蓄热水箱热损失多、散热大的位置。

   蓄热水箱的分层现象是由于水的密度与与温度成反比的关系（温度＞4℃时），当温度升高，水的密度降低，受到浮升力的作用，高温的水会上浮到蓄热水箱的上部，低温水下沉到蓄热水箱底部，自上而下产生温度分层现象。蓄热水箱的温度分层现象是一个理想状态，蓄热水箱内形成良好的温度分层，降低了蓄热水箱内由于温度混合引起的热量损失，减少辅助能源的消耗，同时使得在蓄热水箱不同高度处温度层的温度不同，可以满足热用户不同负荷类型的用水需求，提高了能源的利用率。

储能装置的另一个研究方向就是相变储能，相变储能的研究主要在于相变材料的研究和相变材料所匹配的封装形式的研究。梁林设计了一种以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构填充石蜡的蓄热装置[13]。该蓄热装置主要由平板微热管阵列-泡沫铜复合结构、蓄热箱体、多孔扁管的载热流体通路和石蜡组成。其中平板微热管阵列是所有传热元件的核心，泡沫铜的作用是强化石蜡相变的换热，多孔扁管可以强化热量的传递。在这种系统结构中，相变材料石蜡具有更好的蓄放热能力，温度分布更加均匀，而且提高载热工质与石蜡之间的温差和介质流量都可以提高系统的蓄放热能力。在实验的条件下该系统的最大蓄放热功率可达1.24kW和1.43kW；最大蓄放热效率和总效率可达92%、94%、87.4%。

方桂花等人对一种相变储能材料三水醋酸钠CH3COONa3H2O进行了研究，三水醋酸钠是一种很有潜力的相变储能材料，它具有很好的熔点（58℃）、溶解热（265kJ/kg）、固/液相比热容（1.97/3.22kJ/kg℃）等参数，但是在相变过程中三水醋酸钠会有出现的过冷和相分层的问题，针对这些问题，方硅花等人总结给出了解决手段[14]。针对过冷问题可以采用外加添加剂、动力成核 胶囊化等方法来解决；针对分层现象的改善方法可以采用添加增稠剂来提高体系粘度，使未熔盐分散均匀；采用超声波振动手段减少晶体的团聚;采用多孔材料吸附的方式可以有效抑制相分层。

4低温环境下太阳能热泵系统优化研究

目前有一种新型太阳能-空气双热源热泵系统，系统如图8所示[15]。该系统主要针对解决的问题就是空气源热泵在寒冷地区冬季时候出现易结霜、制热性能差的问题。田芳等人对该系统在冬季寒冷地区的性能进行了研究。该系统由空气源热泵机组与太阳能热水系统耦合而成，该系统的另一创新点在于储热水箱内部放置换热盘管并与室外换热器通过电动三通阀相连，在冬季室外温度低时，换热盘管可以作为水源蒸发器，吸收储热水箱内低温水的热量对室内进行供热。

1.压缩机2气液分离器3四通换向阀4室内侧换热器5室外侧换热器6蓄热水箱

7、8电加热器9生活水箱10、12太阳能集热器11水泵

图8 太阳能-空气双热源热泵系统原理图

该系统最大特点就是蓄热水箱内部的换热盘管可以作为水源蒸发器，在室外空气温度低时，可以作为水源热泵使用。蓄热水箱内低温热水作为水源热泵的低温热源，在冬季室外温度低下时，系统的空气源模式自动切换为水源模式运行，该模式的切换需要根据系统的HSPF即供热季节性能系数来确定，HSPF最大时对应的室外环境温度为最佳切换温度。这种可以切换模式的系统使机组的运行更加稳定，减小恶劣天气对系统性能的影响，而且当太阳辐射量不足、蓄热水箱温度低下的情况同时发生，还可以启动电加热器来加热水温，使用户需求更加得以保障。

为了解决太阳能热泵在冬季性能低下的问题，目前还有一种可以有效解决该问题的方法，那就是将太阳能与空气源热泵分级耦合。位兴华等人提出了一种新型太阳能与空气分级耦合热泵系统，系统原理如图9所示，该系统在原有的太阳能与空气热泵耦合系统的基础上，将太阳能集热器布置在喷气增焓准两级压缩的中间补气支路上[16]。该系统有多种运行模式，其中太阳能集热器的热量传递给喷气增焓准两级压缩中间支路。通过阀门的调节，中间支路可以与冷凝器进口相连，实现太阳能热泵运行；也可以与蒸发器出口连接，实现太阳能集热器与蒸发器并联；也可以与喷气口连接，实现太阳能与空气分级耦合运行模式。

1、2膨胀阀3经济器4平板集热器5冷凝器6蒸发器7压缩机

图9 太阳能与空气分级耦合热泵原理图

太阳能与空气分级耦合热泵系统中的太阳能集热器的集热温度介于蒸发温度和冷凝温度之间，可以有效解决冬季地区室外温度低的问题。当系统的太阳能集热器与空气源热泵并联的情况下，会出现二者相互影响的现象，当太阳辐射强度升高时，蒸发器会受到影响，换热量下降，而在太阳能与空气分级耦合热泵系统中这种问题不会出现。

新提出的太阳能与空气分级耦合热泵系统有两种运行模式，通过调节运行模式可以使系统保持较高的 COP。在中等太阳辐射强度下，太阳能与空气分级耦合热泵系统可以达到最好的制热性能。在冬季室外温度为-25˚C 时，新型系统的优势更为明显，系统的COP 比现有的太阳能与空气源热泵耦合系统高出 55%。

5.结论

1）近年来，关于太阳能热泵的研究越来越多，但是技术仍不成熟，应加强解决寒冷地区太阳能热泵系统制热性能差的问题，加大对分级热泵和太阳能复合多类型热泵系统的研究，以提升太阳能热泵的适用范围和性能。

2）在太阳能热泵系统太阳能集热器、蓄热水箱、相变材料方面的研究，应根据地域和气象条件选择合适的集热器类型、制冷剂类型；根据不同建筑负荷设计出最优的相变水箱体积和结构，并将实验结果集合到统一系统内以提升太阳能热泵系统的性能，便于供更多热用户选择。

3）太阳能热泵供暖的初投资很高，是限制其发展和使用的重要原因。未来研究应兼顾制热性能和经济性能，尽量降低系统的资金投入，以便大众用户可以接受，这是推动太阳能热泵供暖技术发展的重要因素。

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Research progress in solar heat pump technology

Zhao Hongyu1，Cui Jie1，Pan Honggang1，Sheng Xing1，Jiang Xin1，Wang Qiang1，Zheng Lijun2

（1.Shenyang Institute of Engineering School of energy and power engineering

，Shenyang 110136

2.China Power Investment Northeast Energy Technology Co., LTD，Shenyang 110179）

Abstract： The solar heat pump system is overviewed, and the domestic and foreign research is reviewed from the aspects of collector, phase change energy storage, and system low-temperature operation technology. It is pointed out that the use of heat pipe collector and intubated tube collector can improve the heat collection efficiency of the system, the use of phase change energy storage technology to match the optimal phase change water tank structure can maintain the stability of the system operation, the use of dual heat source heat pump and air classification coupling technology can solve the problem of poor heating performance of solar heat pump system in cold areas. The factors limiting the development of solar heat pumps are analyzed and the direction of future development is indicated.

Keywords： solar heat pump system； Collectors；Phase change energy storage； Solar heat pump system optimization

Medium Figure Class Number： TP273 Document Identification Code： A

作者简介：赵宏禹，男，沈阳工程学院，学生，1999.8.25，学士学位，从事攻读硕士学位工作，研究方向为太阳能-空气源热泵复合系统供热性能测试实验研究。

通讯作者简介：崔洁，女，沈阳工程学院，高级工程师，1986.8.26，硕士学位，从事高校教师工作，研究方向为新能源开发利用技术。