太陽能熱泵系統淺議

劉永成

（盤錦市產業技術創新和研發基地建設工程中心，遼寧 盤錦 124010）

1 關于太陽輻照能

太陽輻射的能流密度低，在不同的季節變化也很大。在山東、山西南部、吉林、遼寧、陜西北部、甘肅東南部等地。全年日照時數為2200 ～3000h，輻射量在502 ～586×104kJ/cm2·a，其熱值相當于每年每平方米170 ～200kg 標準煤燃燒所發出的熱量（表1）。

太陽能是一種輻射能，具有時效性，須要即時轉換成其它形式能量，才能利用和貯存。為了獲得足夠的能量，或者為了提高溫度，利用太陽能時須要采用技術和裝置（集熱系統），對太陽能進行采集。集熱器按是否聚光，可以劃分為聚光集熱器和非聚光集熱器兩大類。聚光類聚光集熱器能將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。非聚光集熱器有平板集熱器、真空管集熱器、陽光溫室等。非聚光集熱器能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低。

將太陽能轉換成不同形式的能量需要不同的能量轉換器，集熱器通過吸收面可以將太陽能轉換成熱能。一般來講，太陽能可以直接或間接轉換成任何形式的能量，但轉換次數越多，最終太陽能轉換的效率也會越低。黑色吸收面吸收太陽輻射，可以將太陽能轉換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面不是理想的太陽能吸收面。選擇性吸收面具有很高的太陽吸收比和低的發射比，吸收太陽輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理想的太陽能吸收面。我國自20 世紀70 年代開始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。節能型日光溫室是一種高性價比太陽能集熱器，其透光率一般在60%～80%以上，室內外氣溫差可保持在21 ～25℃以上。

由于各地采暖期的時間跨度不同，表2 采暖期統一為11月到次年3 月，計150 天。

表1 國內部分地區采暖季太陽輻射能

表2 國內部分地區采暖期日均輻射能（表2） 單位： MJ·m2

2 關于空氣能熱泵

空氣能熱泵是利用卡諾循環的原理，集熱蒸發器中的制冷劑工質直接吸收太陽能輻射能（空氣中的熱能）低溫蒸發，經壓縮機壓縮排出高溫高壓的制冷劑蒸汽進入高溫冷凝器冷凝放熱，冷凝液在高低壓差的作用下通過熱力膨脹閥降壓降溫進入蒸發器中吸熱蒸發，形成一個熱泵工作循環。實現了花少量的電能，將大量的熱能從低溫熱源向高溫熱源的輸送，輸送的熱量與所消耗的電能之比稱為熱泵的能效比（COP）。通常，空氣能熱泵的能效比（COP）受環境溫度影響比較大，溫度低COP 數值小，溫度高COP 數值大，COP 數隨著溫度的升高而增大，能效比值可以高達6 ～10。表3 是某種型號空氣能熱泵在不同環境溫度工況的COP 變化曲線。

表3 空氣能熱泵不同工況的COP

從表3 可以看出，空氣能熱泵在低溫環境下的COP 值很低，和阻性電加熱器相比，沒有明顯的節能優勢。有些機型在低溫環境下甚至無法啟動，這也是空氣能熱泵在北方推廣應用的困難所在。

表4 國內部分地區采暖季月平均溫度

表4 是國內部分地區采暖季平均溫度。為了方便對比表1、表2，數據采集取自每年的1、2、3、11、12 這5個月。

在表4 中我們可以看到，北方地區采暖期的低溫天氣工況下使用空氣能熱泵其能效比應該很低。

圖1 不通環境溫度下制熱量變化曲線

3 關于太陽能熱泵

太陽能熱泵是太陽能集熱器（陽光溫室）和空氣能熱泵的結合，陽光溫室采集太陽能，將溫室空氣加熱升溫，為空氣能熱泵高效工作創造了良好的工作環境。圖1 是空氣能熱泵在不同溫度環境下的制熱量。

在太陽能熱泵工況下，制冷劑蒸發溫度較環境溫度高5 ～15℃，而空氣能熱泵蒸發溫度較環境溫度低10 ～15℃，所以太陽能熱泵COP 值是空氣源熱泵系統COP 值2 倍以上。

如果按照1 平方米熱負荷以100W 計算，每天按照18 個小時采暖計計算，每平方米大約需要0.1kW×18t×3.6MJ=6.48MJ。對比表2，可以大致推算出陽光溫室的采光面積。

太陽能熱泵是現有的高效節能的技術。

高效——COP 值是空氣源熱泵的2 倍；

節能——太陽能光熱轉換效率是太陽能集熱器的兩倍，比一般的空氣能熱泵節能50%；

綠色——利用太陽能和空氣能綠色能源；

環保——沒有任何的污染和排放。

表1 數據采自百度文庫《各地太陽能輻照強度明細》，國內部分地區采暖季太陽輻射能。

表4 數據采自天氣網國內部分地區采暖季月平均溫度。