直膨式太陽能熱泵系統供暖研究進展

馬 輝， 楊 帆

(1.國家電投集團南陽熱電有限公司，河南南陽473000;2.河南省豫南燃氣有限公司，河南駐馬店463000)

1 概述

隨著社會經濟的快速發展，全球面臨著許多能源與環境問題，發展可再生能源成為一種趨勢?？稍偕茉赐ǔ０ㄌ柲堋L能、水能、地熱能等能源。目前大規模開發、利用、研究集中在太陽能、風能、水能等領域。其中，太陽能是最豐富的可再生能源，具有相當大的開發潛能。我國陸地每年接收太陽輻射能達1.7×1012t標準煤[1]，是最主要的可再生能源。經過粗略統計，我國大約有2/3的地區太陽能資源豐富，特別是在西藏、新疆、甘肅、內蒙古一帶。根據各地區接收太陽輻射能的量可劃分為多個區域，部分地區單位面積年接收太陽輻射能范圍見表1[2]。

表1 部分地區單位面積年接收太陽輻射能范圍

2 直膨式太陽能熱泵工作原理及應用

2.1 直膨式太陽能熱泵的特點

太陽能作為最豐富的可再生能源，其利用在現階段存在一些局限，例如：太陽能光伏發電效率低，太陽能光伏發電設備成本高，太陽輻射的不穩定性、分散性等。太陽能熱泵技術將太陽能熱利用技術與熱泵技術相結合，可以同時提高熱泵性能和集熱器效率。根據熱泵與太陽能集熱器的組合形式不同，太陽能熱泵分為直膨式太陽能熱泵和非直膨式太陽能熱泵。非直膨式太陽能熱泵僅將太陽能集熱器與熱泵的蒸發器簡單串聯，太陽能集熱器吸收太陽能制取的熱水作為熱泵的熱源[3]。直膨式太陽能熱泵則將熱泵蒸發器與太陽能集熱器合二為一(以下稱為太陽能集熱-蒸發器)，太陽能集熱-蒸發器內流動的介質是制冷劑，由于制冷劑的沸點比水的沸點低得多，制冷劑直接在太陽能集熱-蒸發器內吸熱膨脹蒸發(即直膨)，太陽能和空氣熱能直接作為熱泵的熱源。

與非直膨式太陽能熱泵相比，直膨式太陽能熱泵特點顯著，例如，太陽能集熱-蒸發器直接作為熱泵蒸發器，降低了成本，簡化了系統結構；制冷劑直接在太陽能集熱-蒸發器內吸熱相變蒸發，傳熱系數高；制冷劑作為太陽能集熱-蒸發器的工質，避免了水作為太陽能集熱器工質存在的腐蝕、結冰等問題；制冷劑沸點比水低得多，太陽能集熱-蒸發器表面溫度低，熱損失很小或無熱損失。

本文所研究的直膨式太陽能熱泵供暖系統針對單一熱源供應單一住戶的供暖系統，便于對供暖系統進行控制和管理。

2.2 系統組成及工作原理

直膨式太陽能熱泵供熱系統見圖1。

圖1 直膨式太陽能熱泵供熱系統

直膨式太陽能熱泵系統主要由太陽能集熱-蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥組成。此處以北京地區某氣象條件(環境溫度為13 ℃，太陽輻射照度為690 W/m2，風速為2.5 m/s)、制冷劑工質為R134a為例，說明系統中制冷劑工作流程[4]。3.4 ℃、0.33 MPa飽和液態制冷劑工質在太陽能集熱-蒸發器內吸熱蒸發,變為3.4 ℃、0.33 MPa飽和氣態制冷劑工質，之后氣態制冷劑工質被吸入壓縮機中絕熱壓縮為56 ℃、1.53 MPa飽和氣態制冷劑工質，進入冷凝器，將熱量釋放給熱介質(水或空氣)后冷凝變為50.09 ℃、1.53 MPa的液態制冷劑工質，液態制冷劑工質通過節流閥后成為3.4 ℃、0.33 MPa的液態制冷劑工質，再次進入太陽能集熱-蒸發器，由此完成一個循環。

系統中制冷劑工質在太陽能集熱-蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥進出口的物性參數取決于系統容量、系統設計及氣象條件。為了獲得良好的系統熱力性能，國內外學者建議制冷劑蒸發溫度比環境溫度低5～10 ℃，冷凝溫度不宜超過60 ℃。近年來環保要求日益嚴格，制冷劑通常采用R134a、R410A、R407C、CO2等綠色環保工質。

本系統可根據實際應用的需要，確定系統供熱量、室外和室內設備參數。為了方便管理，一般單一熱源僅保證單一住戶的供熱需求。

2.3 直膨式太陽能熱泵系統應用領域

由于直膨式太陽能熱泵能夠較為高效地制取50～60 ℃的熱水[5]，因此，直膨式太陽能熱泵的應用研究主要集中于家庭的生活熱水供應和供暖領域。國外學者提出將直膨式太陽能熱泵應用于干燥及海水淡化，并開展了相關基礎性研究。為了提高直膨式太陽能熱泵的全年利用率，多功能應用(如夏季供冷、冬季供暖、全年供應熱水)是今后的一個研究熱點。

3 直膨式太陽能熱泵供暖

3.1 常用供暖形式

直膨式太陽能熱泵供暖是將太陽能集熱-蒸發器中制冷劑收集的熱量通過冷凝器傳遞給熱介質，并由熱介質通過供暖末端設備將熱量轉移到房間內。若供暖末端設備為風機盤管，此類直膨式太陽能熱泵供暖形式被稱為空調供暖(下文簡稱空氣系統)；若供暖末端設備為地面輻射盤管，此類直膨式太陽能熱泵供暖形式被稱為熱水供暖(下文簡稱熱水系統)。空氣系統結構簡單，無冬季防凍問題，適用于工業和商業建筑[6]；熱水系統涉及到室內熱水管道的安裝，造價比空氣系統高，但熱舒適性好于空氣系統，主要用于民用建筑的供暖[7]9。

3.1.1 空氣系統

Mohamed等人[6]研究了用于家庭的直膨式太陽能熱泵多功能系統，其流程見圖2。

圖2 直膨式太陽能熱泵多功能系統流程

此多功能系統兼有供暖和提供生活熱水的功能，位于諾丁漢地區，該地區屬于典型的海洋性氣候，氣溫的年較差與日較差都比較小，太陽輻射能較小，最暖月一般出現在8、9月份，日均最高氣溫為23 ℃；最冷月一般出現在2、3月份，日均最低氣溫為-1 ℃。該系統中的轉換閥為電磁調節閥，可以控制供暖和生活熱水兩個支路的啟閉，還可通過控制不同支路閥門的開度來控制各支路制冷劑流量。該系統具有兩種運行模式。在制取生活熱水模式下，制冷劑工質在冷凝器2放熱，加熱生活熱水。制取的生活熱水儲存到生活熱水儲水箱中。生活熱水儲水箱與室內生活熱水終端設備通過管道連接，構成一個循環。在供暖模式下，制冷劑工質在冷凝器1放熱，加熱供暖熱水。供暖熱水在風機盤管處與空氣換熱，由空氣來承擔室內的熱負荷。此供暖方式所需冷凝溫度較低(為40～60 ℃)，并能保證室內溫度達到23 ℃，系統COP可達3～4?？諝庀到y布置相對靈活，與室內裝修融合簡單，不影響裝修效果。若兼作吊頂安裝，還可節約使用面積。

3.1.2 熱水系統

室內熱水供暖形式主要分為散熱器對流換熱供暖和地面輻射供暖兩種。散熱器供暖對熱介質溫度要求較高(70 ℃左右)，地面輻射供暖對熱介質溫度要求較低(45 ℃左右)。而直膨式太陽能熱泵能高效提供40～60 ℃的熱介質，因此，在直膨式太陽能熱泵供暖系統中，廣泛采用地面輻射供暖的形式。與散熱器對流換熱供暖相比，地面輻射供暖熱舒適性更好，腳暖頭涼更符合人體的生理學調節特點。地面輻射供暖中地面兼有蓄熱功能，可緩解太陽輻射間歇性的缺點[7]11-12。

Zhou等人[8]研究的基于微通道蒸發器模塊的直膨式太陽能熱泵供暖系統有很高的利用價值。制冷劑工質在冷凝器處放熱，加熱地面輻射供暖系統中的熱水，進而提供室內供暖所需熱量。該太陽能集熱-蒸發器為光電、光熱一體化的裝置，既能收集熱量加熱制冷劑工質，又可以發電。此系統適用于中國華北地區，該地區為溫帶季風性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，最冷月的日平均氣溫在0 ℃以下，太陽照射充足。在測試期內，此系統的平均光電轉換效率為15.4%，平均光熱轉換效率為56.6%，光能與電能及熱能轉換的平均總效率為69.7%，系統COP可達4.7，月均制熱量為1 363 kW·h。

3.2 供暖系統應對太陽輻射間歇性的方法

太陽輻射具有間歇性的特點，夜間及陰雨天氣均不利于太陽能熱泵供暖系統的運行。針對此問題，直膨式太陽能熱泵供暖系統目前比較常用的解決方法有蓄熱、輔助熱源補充熱量等。

林艷等人[9]研究了帶蓄熱裝置的直膨式太陽能熱泵供暖系統，利用定形石蠟(相變溫度為28.2～30 ℃)作為相變材料，將其置于蓄熱裝置中，蓄熱裝置連接于太陽能集熱-蒸發器與壓縮機之間。以青島地區為例，模擬結果表明，相變裝置可使直膨式太陽能熱泵的蒸發溫度維持在25 ℃左右，當冷凝溫度在60 ℃時，系統COP可達5.3。

3.3 全球直膨式太陽能熱泵供暖研究實例

自直膨式太陽能熱泵的概念提出以來，國內外學者開展了一系列供暖研究。本文通過對比國內外眾多工程應用，發現直膨式太陽能熱泵供暖系統主要集中于中國華北、西北以及歐洲太陽輻射照度高的地區。Huang等人[10]研究了太陽輻射照度對于直膨式太陽能熱泵供暖方面的影響，在一定的環境條件下，隨著太陽輻射照度從0 W/m2增加到300 W/m2，系統供熱量從1 001 W增加到1 500 W，系統COP從1.77增加到2.23?？梢钥闯觯栞椛湔斩仍龃笫瓜到y運行效果提升十分顯著。

Dong等人[11]在太陽能集熱-蒸發器外側噴涂具有良好的太陽能選擇吸收特性的涂層，該涂層對于太陽輻射能的吸收率為94%～96%，同時在太陽能集熱-蒸發器旁加裝風機，增強太陽能集熱-蒸發器周圍的空氣流動，有助于太陽能集熱-蒸發器高效吸收空氣能。該系統與傳統不加裝風機的直膨式太陽能熱泵供暖系統相比，系統COP可從2.41提高到2.55。

Zhou等人[8]采用新型PV-微通道的太陽能集熱-蒸發器，可以同時產生熱能和電能，微通道的設計減小了太陽能集熱-蒸發器管內的截面積，增加了制冷劑工質的流速，使得制冷劑工質的蒸發速率增加，增加了熱能和電能的輸出。該系統在中國北方地區運行的COP可達4.7。

王瑛等人[12]對直膨式太陽能熱泵系統的室內供熱部分進行了設計調整，使制冷劑工質直接進入地面輻射供暖盤管冷凝放熱，將地面輻射供暖盤管作為冷凝器，省去了制冷劑工質與空氣或水換熱的環節。該系統位于蘭州，系統COP可達3.01。

歐洲地區對于直膨式太陽能熱泵系統的研究起步較早，直膨式太陽能熱泵系統的供暖應用比較廣泛，且具有良好效果。Kara等人[13]利用直膨式太陽能熱泵系統為位于土耳其的一棟辦公建筑供暖，辦公建筑室內采用輻射換熱的方式，該系統在長期運行條件下系統COP維持在2～3。

Moreno-Rodriguez等人[14]在西班牙馬德里地區搭建了直膨式太陽能熱泵供暖系統，與Dong等人[11]的供暖系統類似，該系統利用太陽能集熱-蒸發器收集太陽輻射能及空氣能，系統COP為2.7。

3.4 直膨式太陽能熱泵供暖系統的能耗對比

直膨式太陽能熱泵供暖系統不僅比普通的化石燃料供暖、電供暖更加節能，而且與其他的熱泵系統相比，COP也得到顯著提升。本文針對中國北方及歐洲不同氣候條件，對直膨式太陽能熱泵供暖系統與目前應用較廣的空氣源熱泵供暖系統進行比較。

在歐洲地區，Bellos等人[15]對比了歐洲20個城市兩種系統的運行情況，直膨式太陽能熱泵供暖系統的COP可達4，而普通空氣源熱泵供暖系統的COP僅為2.5?？梢?，與空氣源熱泵供暖系統相比，直膨式太陽能熱泵供暖系統更節能，供熱效率更高。

3.5 直膨式太陽能熱泵系統的經濟性

目前直膨式太陽能熱泵供暖的技術還不夠成熟，造價及運行費用方面還不夠經濟。根據高新宇等人[16]的研究，取煤的市場價為0.9 元/kg，煤的低位發熱量為20.934 MJ/kg，熱效率為65%；天然氣的市場價為2.1 元/m3，低熱值為35.17 MJ/m3，熱效率為85%；計算出煤和天然氣供暖的熱價分別為0.066 元/MJ和0.070元/MJ。根據電價0.6元/(kW·h)及系統熱效率90%計算出電供暖的熱價為0.185 元/MJ。從投資回收年限看，以直膨式太陽能熱泵供暖代替電供暖，直膨式太陽能熱泵供暖的投資回收期約為9 a；而對于太陽能供暖替代煤、天然氣等能源供暖的投資回收期要大于系統使用壽命。

Bellos等人[15]以100 m2的建筑為樣本，分析計算了馬德里、那不勒斯、倫敦等20個歐洲城市的直膨式太陽能熱泵供暖系統的投資回收期，較短的例如馬德里為7 a左右，而較長的例如倫敦為27 a，大多數城市例如阿姆斯特丹等的投資回收期為10～15 a。

3.6 存在的問題及研究熱點

近年來直膨式太陽能熱泵供暖技術獲得了很快的發展，但就目前的發展水平而言，直膨式太陽能熱泵供暖在應用方面還面臨一些實際問題，例如造價較高，太陽能集熱-蒸發器與建筑外觀的統一協調性較差。目前直膨式太陽能熱泵供暖主要存在兩個技術方面的問題：①太陽能集熱-蒸發器不能高效吸收太陽能、空氣能，且太陽能集熱-蒸發器的熱損失嚴重。②太陽能集熱-蒸發器與壓縮機匹配不合理[17]。這就突出了未來該領域的研究熱點方向：建立完善的動態仿真模型，優化太陽能集熱-蒸發器結構，改善直膨式太陽能熱泵在供暖領域的蓄熱情況等。

4 結語

作為未來供暖技術的一個重要發展方向，直膨式太陽能熱泵供暖系統利用了太陽能熱利用技術與熱泵技術的優點，具有良好的熱性能。

理論研究和一些實用性工程揭示了直膨式太陽能熱泵供暖系統的優越性和局限性：

① 直膨式太陽能熱泵供暖系統的熱性能受太陽輻射能影響較大，太陽輻射能升高會顯著提升供暖系統運行效果，因此應因地制宜地推廣應用。

② 在中國北方和歐洲地區，直膨式太陽能熱泵供暖系統比普通的空氣源熱泵供暖系統具有更好的運行性能，優勢明顯。

③ 直膨式太陽能熱泵供暖形式不占建筑使用面積，便于與室內裝修融合。

④ 與傳統化石能源供暖方式相比，直膨式太陽能熱泵供暖方式經濟性較差，今后應加大太陽能集熱-蒸發器的研究，進一步提高其集熱效果，降低其造價；同時，應進一步研究直膨式太陽能熱泵與蓄熱技術的耦合，充分利用太陽能，降低直膨式太陽能熱泵供暖系統的運行費用。