太阳能热泵热水系统特性研究及其进展
近年来，太阳能热水系统因其节能环保的优势在我国得到了迅猛的发展，但是常规的太阳能热水系统加热周期长，无法全天候供热水，在冬季和阴雨天气下需要辅助热源加热，依然消耗较多的高品位能源，并且存在安装地点受限制、影响城市美观等诸多问题。目前在很多西方国家，热水器的主流产品也都是耗电多、耗能大的电热水器和燃气热水器，节能已经成为新一代热水器发展的主题 。将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合起来，发展型式各异的太阳能热泵系统，既克服了太阳能低密度、不稳定的缺陷，又弥补了空气源热泵寒冷季节效率较低的不足，这对降低热水能耗，实现建筑节能、环保具有重要意义。因此有必要对太阳能热泵热水系统的一些相关特性进行深入的分析和研究。
一基本原理
太阳能热泵( SAHP) 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。根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合型式，可分为直膨式和非直膨式。在非直膨式系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器分立，通过集热介质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。在直膨式系统中，是一种基于逆卡诺循环的系统，将太阳能集热器与热泵蒸发器结合成一体，节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间的换热设备。晴天，经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太阳能集热/ 蒸发器中，通过吸收太阳辐射而蒸发后的制冷剂在压缩机内形成高温高压气体，然后被排入冷凝器中，制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝同时水得热而升温，冷凝后的制冷剂经膨胀阀又重新流入太阳能集热/ 蒸发器中，由此构成一次循环;阴天或夜间，太阳能集热/ 蒸发器也可以通过吸收大气中的显热和潜热来维持全天候地生产热水。
二SAHP 系统相关特性的研究
国外对太阳能热泵热水系统的研究开展得比较早，最早是由Jodan 和Therkeld 在20 世纪50 年代初的研究中提出。随后，许多发达国家纷纷投入大量的人力、物力对各种型式的太阳能热泵系统进行深入研究。基于该领域目前的发展现状，国内对该方面的研究仍然处于初级阶段，在这方面的研究不多，研究的内容还不够丰富，我国天津大学、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热水系统进行了初步实验和理论研究，并取得相关成果。在市场应用方面，美国的SolarKing 系列以及澳大利亚的Quantum 系列走在了产业化的前端。
2. 1 系统结构型式的研究
太阳能热泵的结构型式多种多样，不同结构型式的系统具有不同的性能特性。美国Wisconsin2Madison 大学的Freeman 和Mitchell 对SAHP 系统进行了模拟分析，并比较了各种SAHP 系统的性能。加拿大的Chandrashekar 等人根据加拿大七个代表性城市的天气资料，对多种不同结构型式的SAHP 系统进行了室内供暖及供热水的性能模拟。Lu Aye 等[6 ]对传统太阳能热水系统、空气源热泵系统、太阳能热泵系统三种不同类型的系统在澳大利亚不同城市进行了性能比较及经济性分析，指出是否采用太阳能热泵热水系统很大程度上取决于当地的环境。
系统的结构型式决定了该系统的总体特点。美国的Chaturvedi 等在早期对太阳能热泵热水系统进行理论分析后，提出系统的蒸发温度取决于太阳辐射和环境温度，蒸发温度可能低于也可能高于环境温度，取决于系统设计及运行工况，这正体现了系统结构型式在系统设计时的重要性。台湾的Huang B. J . 和Chyng J . P. 等在1999年首先提出整体式太阳能热泵热水系统概念，把热泵和太阳能集热器及冷凝水箱合并成一个单元。该系统最大的特点是:在实验中保持压缩机吸入口接近饱和状态，通过对系统中制冷循环的有效设计，使得蒸发温度低于环境温度，集热器不仅可以吸收太阳辐射，同时可以吸收环境中的热量，即获得了双热源。随后，他们又对系统进行了模拟研究，把除水箱之外的其余所有组成过程都设为准静态过程，模拟结果和实验结果非常吻合。对一年内系统的日平均性能模拟研究得出，在台湾省的气象条件下，系统性能系数( COP) 为1. 7～2. 5 ，系统在每天运行4～8 小时的大多数情况下，日平均COP 值在2. 0 以上。由以上分析可见，该型式的系统虽然全年运行COP 值有所降低，但就整体来看，系统性能的稳定性有了很大的提高。
Xu G. Y. 等设计了一种适合于家庭使用的新型太阳能- 空气复合热源热泵热水系统。该装置通过一个螺旋翅片蒸发管的平板型集热/ 蒸发器，来实现系统同时或交替地使用太阳能、空气两热源。在不同的天气情况下，以不同的热源模式(太阳能热源、太阳能和空气双热源、空气源) 运行，充分利用太阳能提高了热泵COP ，并提 高了系统稳定性。笔者根据当地的气象资料，模拟了全年逐月的平均性能参数，全年各月平均COP 在3. 98～4. 32 之间，平均每升水耗电量0. 007～0. 015 kW·h 。
Saad Odeh 等研究了一种采用类似套管式冷凝器的蒸发器的非直膨式太阳能热泵系统，其中水箱热水从内管通过，制冷剂从环形空隙流过，不仅吸收了热水的热量还有空气的潜热。设置的蓄热水箱使得系统可以在没有太阳辐射时运行，研究表明在当地工况下该系统的热效率明显高于其他类似系统。
于立强等对串联式(非直膨式) 太阳能热泵供暖系统进行了实验研究，采用单层盖板的平板集热器。由蒸发器和集热器的得热量曲线可以看出，只靠集热器保证不了蒸发器连续得热，必须还得依靠蓄热水箱和室外管道从室外空气取得热量，不保温的室内管道和联箱从室内获得更多热量，蓄热器的作用就是保证均衡不断地向热泵供热。在整个供暖测试期间，尽管室外温度在- 4～1 ℃之间变化，室内温度能够保持在20 ℃左右，热泵平均COP 达到2. 07 。
赵军等对采用真空管集热器的串联式太阳能热泵热水系统进行了理论分析和实验研究，管路中装有管道加热器，用来模拟太阳能。结果表明该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供50 ℃左右的生活热水，制热系数达到2. 64～2. 85 (冬) 、2. 6l～3. 5 (春) 。
李舒宏等研制了将热泵与太阳能热水器结合的多功能热泵空调热水器装置，并对此一体化装置在热泵制热水模式下的运行工况进行了实验研究，能效比最大可达到3. 85 ，平均在3. 0 以上，并在此基础上作出了耗能分析，从节能和节约费用角度看，这种装置大大优于其他的热水装置。
2. 2 系统运行参数的研究
李舒宏等的研究中分析讨论了室内空气源温度变化对出水温度、系统制热水能效比的影响情况。实验结果显示，出水温度随着室内温度的升高而升高，室内空气源温度在29. 5～30. 5 ℃之间变化时，对该系统的能效比影响最大。同时还研究了出水温度对系统制热水能效比、压缩机吸排气压力的影响情况。综合文中分析，为了提高此装置的能效比可以从全方位考虑，降低冷凝器中的压力损失，以降低压缩机的排气压力;使用适合系统运行工况的新型制冷剂;对系统做相关模拟从而改善系统的容量匹配。系统运行参数的相关研究在赵军等的实验中也有涉及，平均冷凝温度是影响其实验系统性能的主要参数。太阳辐射的变化趋势及冷凝温度和蒸发温度的上升规律影响太阳能集热量，从而引起蒸发吸热量和冷凝放热量的变化。压缩比的变化受冷凝温度与蒸发温度变化速度的影响，而制热系数的变化受压缩比的直接影响。
2. 3 系统容量匹配的研究
国内外许多学者都对系统容量匹配问题进行了分析研究。Hawlader 等建立了太阳能热泵热水系统实验台，在新加坡气候条件下对系统循环进行性能测试，利用获得的实验数据为系统匹配和控制优化服务。对于当地的气候条件，当水箱水温为30～50 ℃时，集热器效率大约为40 %～75 % ，系统COP 值为4～9 。在此基础上建立了该系统的数学模型，模拟结果得出该系统的性能主要受集热器面积、太阳辐射以及压缩机转速等因素的影响。对于当地气候下的该系统，研究得出对于100L/ m2 的水箱容积匹配能够获得最优化的性能。此外还进行了经济性分析，结果表明系统热性能较为稳定，且具有明显的节能效果，最短投资回收期约为2 年。
Kuang Y. H. 等模拟分析了太阳辐射、环境温度、集热面积及水箱容积等因素对直膨式太阳能热泵热水系统性能的影响。为减小系统不匹配导致系统性能下降，提出采用变频压缩机和电子膨胀阀，模拟结果显示即使在冬天环境温度较低和太阳辐射较弱的情况下， COP 值仍在2. 5 以上。研究还表明，系统单位集热面积所匹配的水箱容积约为75 ～125 L 。Chaturvedi 等在其研究的变流量太阳能热泵热水系统中，采用无盖板集热器和变频压缩机，对系统进行实验与模拟研究得出:在环境温度由冬季向夏季过渡时，通过降低压缩机的转速，可以明显地提高系统性能系数;当系统频率调节在40～70 Hz 范围内时，由实验所测得的COP 值和水侧的热容量系数与理论预测值比较一致。
日本的Ito 等也介绍了一系列SAHP 仿真实验研究，得出了系统匹配相关方面的一些结论:集热器的面积要与热泵系统匹配，集热平板厚度的适当减小、平板后的制冷剂管道间距的合理增大等措施不会给系统的COP 值带来太大影响，但可以降低设备成本。这几点应值得在系统设备选型时加以考虑。
2. 4 系统循环工质的研究
对太阳能热泵的研究已有相当长的一段时间，但所采用的制冷剂大多数是R12 或R22 。近年来，太阳能热泵热水系统新型工质的适用性研究引起了广泛的 关注。Gorozabel 等分析了在不同工质条件下太阳能热泵热水系统的性能表现，工质包括R12 ，R22 ，R134a ，R404A ，R407C ，R410A。结果发现，在使用R12 的条件下能获得最高的COP值，随后是R22 和R134a 。对于混合工质，R410A的效果比R404A 和R407C 都好，但比R134a 稍差一点，R410A 条件下获得的COP 比R134a 条件下获得的COP 大约低15 %～20 %。Abou2Ziyan H. Z. 等介绍了R22 ，R134a 及R404A 在空气源热泵系统、常规太阳能热水系统、太阳能热泵系统及传统电加热系统四种系统下的性能比较。研究结果表明，SAHP 系统性能明显优于其他系统，在SAHP 系统中，R134a 是R22 的良好替代工质。
赵军等对R134a 应用于直膨式太阳能热泵系统的适用性方面作了相关理论分析，结果表明在较宽的环境温度、冷凝温度和太阳辐射强度范围内，采用R134a 作为工质，热泵系统的性能系数可达到4. 0～6. 5 ，热泵性能系数比R12 的略低6 % ，但压缩机的排气温度较R12 的要低，这将有利于压缩机的冷却和良好运行。
三 系统性能参数的相关结论
综合以上一些文献的研究，可以分析出时间参数、环境参数和结构参数等一系列系统参数对太阳能热泵热水系统性能的影响趋势，主要有以下几点:随着运行时间的增加，热水温度与冷凝温度之间的温差缩小使得热水升温速率减慢，热水平均加热功率减小，与此同时压缩机耗电量随冷凝温度的升高而略有增加，因而平均供热性能随之降低。随着太阳辐射强度的加强，在直膨式SAHP系统中，由于集热器中的集热温度与制冷剂蒸发温度始终保持一致，系统获得一个较高的蒸发温度，COP 值就相应提高，而此时环境温度却对系统COP 影响较小。
随着集热面积的增加，散热损失随之加大，所以集热器性能降低，而热泵性能却随蒸发温度增加而有所改善;随着水箱容积的增大，刚开始集热效率和COP 值迅速增加，之后趋于平缓;随着压缩机转速的增加，集热器蒸发温度降低，导致集热器对环境散热减少，而集热器性能迅速提高，而此时由于制冷剂流量的提高使得系统COP 降低。
四系统优化与控制改进的措施
由Chaturvedi ，Hawlader 和Ito 等学者的实验与模拟研究可以发现，系统设计的优化和运行控制的改进能有效提高太阳能热泵系统的COP 值。为获得SAHP 系统最优化的性能，应取一个与单位集热面积比较匹配的水箱容积，也存在一个使得集热性能和COP 均较为合理的最佳压缩机容量，由此可以考虑采用变频压缩机以及适合系统工况的新型制冷剂。在满足负荷要求的前提下，还需注意适当降低负荷的终温以及原材料的损耗，同时采取有效措施合理提高集热器温度。如何充分而有效地利用取之不尽的太阳能资源，是需要一直密切关注的问题。
一般来说，为获得较合理的系统设计和较完善的智能控制，都需要对整个循环过程进行相关模拟工作，然后才能对提高系统性能采取相应的措施。Morrison 等人已经做了大量的相关工作，得出了一些行之有效的模拟研究方法。参考一些相关经验公式，可以尝试编制太阳能热泵热水系统的仿真程序，对于系统的热力性能、结构型式、循环工质、控制方案等的研究有重要意义。
五有待进一步解决的问题
目前，虽然我国太阳能热泵的发展和应用非常迅速，但仍然存在以下几个方面的问题有待于进一步解决:在经济投资方面，这是首先需要克服的一个关键问题。太阳能热泵热水系统初投资偏高必将影响其市场竞争力，国内的能源结构和燃料市场直接影响太阳能热泵的普及性。如果系统部件能够实现标准化生产必将加快此技术的产业化发展与应用的步伐。
在性能稳定方面，对于任何一种推向市场的产品都必须具备相当可靠的性能。结构型式与循环工质的改善是解决太阳能热利用间歇性和不可靠性问题的重要途径，同时兼顾整体化设计，将系统设计与建筑设计结合起来。在控制完善方面，系统控制方案的合理设计对于充分发挥该技术节能优势有着至关重要的作用。实现紧凑的系统结构和简单安全的自动化操作，这样才能符合许多家庭用户使用的实际需要。在市场推广方面，政策的制定对太阳能热泵技术发展初期是十分必要的。在市场培育阶段，需要更多的关注和投入使之成为一个真正意义上的划时代产品。目前制约太阳能热泵应用的主要障碍，除系统初投资较高以外，公众对这一技术缺乏足够的了解和认识也是一个不可忽视的因素。
六 结束语
从国内外的相关研究成果来看，太阳能热泵热水系统将太阳能热利用技术与热泵技术有机地结合起来，相对于传统的太阳能直接供热系统具有突出的优越性。因此基于以上这些突出优势考虑，开发一种性能良好的太阳能热泵热水系统便成为社会与技术发展的一 种必然趋势。相信通过政府机构、科研部门及市场推广人员的共同努力，借鉴国外相关成功经验，我国太阳能热泵技术将会有更广阔的发展空间。
