随着世界能源消费量的大幅度增长，人们把能源利用的重点转移到可再生能源的开发和利用上来。太阳能以其取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视，光热、光电、光化学等太阳能利用技术已迅速地发展起来。
由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。随着生活水平的提高，热用户对于供热的要求也越来越高，太阳能利用的一些局限性日益显现出来：
1.在太阳辐照时间少的国家和地区，其应用受到很大限制；2.白天集热板板面温度的上升会导致集热效率下降；3.在夜间或阴雨天没有足够的太阳辐射时，无法实现24小时的连续供热，如采用辅助加热方式，势必又要消耗大量的其它能源；4.加热周期较长；5.传统的太阳集热器与建筑不易结合，在一定程度上影响了建筑的美观；6.常规的太阳热水器需要在房顶设水箱，在夜间气温较低时，储水箱和集热器向外界散热造成大量的热量损失。
这种太阳能与热泵联合运行的思想，最早是由Jordan和Threlkeld在20世纪50年代的研究中提出。在此之后，世界各地有众多的研究者相继进行了相关的研究，并开发出多种形式的太阳能热泵系统。
早期的太阳能热泵系统多是集中向公共设施或民用建筑供热的大型系统，比如,20世纪60年代初期，Yanagimachi在日本的Tokyo，Bliss在美国的Arizona都曾利用无盖板的平板集热器与热泵系统结合，设计了可以向建筑供热和供冷的系统，但是由于效率较低、初投资较大等原因没有推广开来。后来，出现了向用户供应热水的太阳能热泵系统，特别是近些年来，供应中温热水的系统引起了人们广泛的兴趣，相继有众多的研究者都对此进行了深入的研究。
二、太阳能热泵系统的理论分析
（一）、太阳能热泵的分类及概述
按照太阳能和热泵系统的连接方式，太阳能热泵系统分为串连系统、并联系统和混合连接系统，其中串连系统又可分为传统串连式系统和直接膨胀式系统。传统串连式系统如图2所示。在该系统中，太阳能集热器和热泵蒸发器是两个独立的部件，它们通过储热器实现换热，储热器用于存储被太阳能加热的工质（如水或空气），热泵系统的蒸发器与其换热使制冷剂蒸发，通过冷凝将热量传递给热用户。这是最基本的太阳能热泵的连接方式。
下面对直接膨胀式太阳能热泵系统进行详细的理论分析。
（二）、直接膨胀式太阳能热泵系统的理论分析
1、直接膨胀式太阳能热泵的基本工作原理
过热蒸气（状态点1）在压缩机中经过绝热压缩（消耗功W）变为高温高压的气体（状态点2），然后经冷凝器定压冷凝变为高温高压的液体（状态点3），冷凝过程中放出热量Qk，过程2′～2′、3′～3′放出显热，过程2′～3′放出潜热。高温高压液体再经膨胀阀绝热膨胀变为低温低压的气液混合物（状态点4），最后回到蒸发器里定压蒸发，吸收热量Q0，过程4～1′，吸收潜热，过程1′～1吸收显热。根据热力学第一定律Qk＝Q0＋W，热泵的性能系数COP＝Qk/W＝1＋Q0/W。
2、直接膨胀式太阳能热泵系统的理论分析
（1）理论循环的热力分析
理论循环是建立在以下假设的基础上：压缩过程和膨胀节流过程为绝热过程，压缩过程不存在不可逆损失，为等熵过程；工质在管道内流动时，没有流动阻力损失。
按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：
Δq＝dh－ΔW
对上式积分可以得到整个过程的表达式
q＝Δh－W
①蒸发过程ΔW＝0
因而Δq＝dh，q0＝h1－h4。
q0称为单位制冷量，在压焓图上用线段4～1表示。
②压缩过程Δq＝0
因而ΔW＝dh，W＝h2－h1
W称为单位理论功，在压焓图上以横坐标轴上的线段1″一2″的长度来表示。
③冷凝过程ΔW＝0
因而Δq＝dh，qk＝h2－h3
qk称为单位冷凝热，也就是热泵的单位供热量，在压焓图上用线段2～3的长度来表示。
④节流膨胀过程
节流过程为一不可逆过程，不能用微分符号表示，但对整个节流过程前后可用积分式表示，即W＝0，q＝0。
因而Δh＝0，h3＝h4。
（2）系统能量平衡分析
假设系统处于稳定状态，忽略工质在连接管道中流动摩擦的能量损失，对系统各部分分别进行能量平衡分析。
①太阳能蒸发集热器
从节流装置流出的工质，在太阳能蒸发集热器里吸收太阳能或环境空气中的热量进行定压蒸发，吸收的热量可用下式表示：
Q0＝AFR[（τα）It－UL（Tf，i－Ta）]＝MR(h1－h2) 式中：A为太阳能蒸发集热器吸热面积，m2；FR为热转换因子；τα为有效透过率和吸收率的乘积；It为投射到太阳能蒸发集热器上的太阳能辐射，W/m2；UL为吸热面的总热损系数，W/m2•℃ ；Tfi为蒸发器流体进口温度，℃；Ta为外界大气温度，℃；MR为制冷剂质量流量，kg/s；
h1，h4为图中1，4状态点的焓，J/kg。
②压缩机
从蒸发器里出来的低温低压过热蒸气经压缩机压缩变为高温高压的蒸气，压缩机的理论耗功率W，可用下式表示：
W＝MR（h2－h1）＝Weηmηiηa
式中：MR为制冷剂质量流量，kg/s；h2，h1为图中2、1状态点的焓， J/kg；We为实际耗功率，W；ηm为机械效率；ηi为内效率；ηa为电机效率。
③带有冷凝器的冷凝水箱
从压缩机出来的高温高压蒸气流经冷凝水箱时，被定压冷却为高温高压的液体，放出热量Qk，可由下式表示：
QK＝cG（Te－Ts）＝MR（h2－h3）
式中：c为水的比热，J/ks•°C ；Cw为单位时间内被加热的水量，kg/s；Te，Ts。为被加热水的终温和初温，℃；h2，h3为图中2，3状态点的焓，J/kg。
④系统的供热系数COP
COP＝QK/We＝（h2－h3）ηmηiηa（h2－h1）
从上式可知，要提高系统的COP，除改善压缩机的各部件效率外，还可降低压缩机进出口的比焓差值（h2－h1），即提高蒸发温度T0或降低冷凝温度Tk。由于降低冷凝温度Tk对冷凝水箱换热不利，因此通常通过提高蒸发温度T0来提高系统的供热系数COP。研究表明，太阳能辐射和环境温度越高，蒸发集热器里的蒸发温度T0越高，系统的供热系数COP越大。
系统平衡分析（用E来表示）是以环境状态（P0，T0）作为基准来衡量能量的作功能力。稳定流动系统通常可表示为
E＝（H－H0）T0（S－S0）
其中，H0和S0为环境下的焓和熵。
由于实际过程都是不可逆过程，所以不可避免地要产生不可逆的可用能损失。如何尽量减少这种损失，寻求改善循环的方法，娴分析是有效的手段。下面对系统各部分进行娴平衡分析。
①太阳能蒸发集热器
平衡式：E1，1＝AIt（1～Ta/Td ～MR（e1－e4）
式中：E1，1为太阳能蒸发集热器的炯损失，W；td为太阳辐射温度，K；e4，e1，为蒸发器中工质进出口比火用，即图2中状态点4，1的比，J/kg。
效率方程式：ηE1＝MR（e1－e4）/[（AIT（1－ta/tS））?
②压缩机
平衡式：E1，2＝We－MR（e2－e1）式中：E1，2为压缩机的火用损失，W；e1，e2为压缩机中工质进出口比火用，即图2中状态点1，2的比火用，J/kg。
效率方程式：ηE2＝MR（e2－e4）/We
③冷凝水箱
娴平衡式：E1，3＝MR（e2－e3）－GW（ee－es）
式中：E1，3为压缩机的娴损失，W；e2，e3为冷凝器中工质进出口比火用，即图2中状态点2，3的比，J/kg；ee，es为水箱中水的初时比娴和终时比娴，J/kg。
效率方程式：
ηE１＝GW（ee－es）/[MR（e2－e3）]
④热力膨胀阀
平衡式：E1，2＝MR（e3－e4）
式中：E1，4为膨胀阀的损失，W；e3，e4为膨胀阀中工质进出口比，即图2中状态点3，4的比，J/kg。
效率方程式：ηE4＝e4e3
要提高整个系统的火用效率ηE，必须减少系统各部件的火用损失，降低各部件的不可逆程度。对于集热器、冷凝器应尽量减小其换热温差，对于压缩机尽量减少内部摩擦损失，提高压缩机效率，对于膨胀阀应尽量降低进口的压力和提高出口的压力。
共0条 [查看全部] 网友评论