太陽能-空氣源熱泵熱水系統研究

呂萍秋

（甘肅省科學院自然能源研究所，蘭州 730046）

0 引言

合理地將太陽能集熱器與空氣源熱泵在結構與功能上結合起來，充分發揮太陽能集熱器與空氣源熱泵的優勢，既可克服太陽能的不穩定性問題；又可有效提高太陽能熱利用效率及熱泵系統運行性能。

1 直膨式太陽能-空氣源熱泵系統

直膨式太陽能熱泵熱水系統是把太陽能集熱器與熱泵系統的蒸發器合二為一，即：太陽能的集熱器就是熱泵系統的蒸發器，使系統中的工質在太陽能集熱器（蒸發器）中吸熱蒸發（相變），晴天，工質直接吸收太陽能而被蒸發；陰雨天或夜間，系統相當于空氣源熱泵，工質在蒸發器中吸收空氣中的熱量。這種系統節省換熱設備，結構緊湊。如圖1所示。

圖1直膨式太陽能熱泵熱水系統

2 數學模型

2.1 平板太陽能集熱器數學模型

本文分析的熱泵系統工質流經集熱板后的壓降一般不超過50 kPa，采用簡單模型加以分析。1）平板太陽能集熱器有效得熱量。太陽能集熱板的有效得熱量為：

式中：Qcl——集中熱器有效得熱量（W）；

Acoll——集熱面積（m2）；

F'——集熱板集熱效率因子；

S——集熱板吸收、反射輻射之差（W/m2）；

ULc——集熱板總熱損系數（W/（m2·K））；

Trm——制冷劑平均溫度（K）；

T0——室外環境溫度（K）。

式中：F——集熱板肋效率；

D——集熱管內徑（m）；

W——集熱管間距（m）；

Ub——無量綱數；

λp——集熱板導熱系數（W/m·K）；

δp——集熱板厚度（m）。

式中：α——集熱板吸收率；

Iθ——垂直投射到集熱板表面的太陽輻射強度（W/m2）；

ε——集熱板發射率；

q0——環境溫度下單位面積黑體輻射與天空輻射之差（W/m2）；

σ——黑體輻射常數，5.67×10-8W/（m2·K4）；

q∞——天空輻射（W/m2）；

Tsky——有效天空溫度（K）。……