太阳能集热辅以空气源热泵供热工程的可行性研究终结版Word下载.docx

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世界上最丰富的永久能源是太阳能，地球截取的太阳辐射能量为"

kw，比核能、地热和引力能储量总和还要大5000多倍。

从这个意义上，太阳能是取之不尽、用之不竭的。

生物质能通过光合作用把光能转化为化学能储存于植物中;

煤炭、石油和天然气等矿物质燃料也是由古代生物固定下来的太阳能;

风能、水能、海洋能、波浪能也是太阳能量转换而来的，是广义上的太阳能。

所以说，几乎所有的自然能源，从广义的角度看均来自太阳能。

目前我们正处于对能源资源开发和利用的第三时期，即以太阳能、核能为主体的多样化新能源时期:

核能将占第一位，太阳能占第二位。

从长远发展趋势考虑，太阳能以其取之不尽、用之不竭、用能清洁的特点将最终取代核能。

在我国，有限的能源资源承载着巨大的人口和环境压力，虽然在近几年经济结构调整过程中能源供需矛盾有很大缓解，但从长远看，能源供应不足仍将是制约我国经济发展的重要因素之一。

我国现存的石油、天然气等燃料的储量，尚可采数十年，煤炭资源多一些，也不过100多年的可采量，而此时利用太阳能就更具有其现实意义。

目前我国商业建筑热水供应主要是煤炭、燃油、燃气、电锅炉等形式，民用建筑热水供应主要采用电热水器，燃气热水器，太阳能热水器等形式。

我国建筑能耗约占总能耗的30%，其中商业建筑热水能耗占总能耗20%-40%，民用建筑热水能耗占20%，所以，降低传统燃煤供暖所造成的大气污染，减少建筑能耗，大力推广及使用包括可再生能源在内的清洁能源将成为建筑节能工作和提高社会能源使用率的一个重要方面。

从利用热能角度，采用电力、燃气、燃油等高品位热源的热水器，虽然加热效率较高，但实际加热过程中伴随着巨大的熵增损失，是一种极大的能源浪费。

而节能的太阳能热水器，对当地的天气和日照变化依赖性较强，不能稳定提供恒温的热水，尤其在阴雨天或冬季日照时间较短，室外气温较低的情况下，集热效率更低。

将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，来保证太阳能热水器的全天候工作。

在我国，对于太阳能资源十分丰富的地区而言，这项课题具有一定的实用价值和现实意义。

根据未来10年的能源规划，中国将大力发展太阳能、风能，地热、生物能等新能源和可再生能源，到2020年中国新能源和再生能源的年开发量将达到亿吨标准煤，占能源消费总量的15%。

中国有丰富的新能源和可再生能源，根据统计显示，太阳能年日照时数在2200小时以上的地区占中国国土总面积2/3以上，其中青岛地区年平均日照时数约为小时，日照率约为58%，年辐射总量约5020MJ/m2，太阳辐射资源十分丰富，具有良好的开发条件和利用价值。

中国能源研究会的一项研究表明:

从长远角度考虑，新能源和可再生能源的开发利用可以逐步改善以燃煤为主导的能源结构，促进常规能源更加合理有效的利用，缓解与能源相关的环境污染问题，有效降低温室气体排放，改善人居环境，促进经济发展，使中国能源、经济与环境的发展相互协调，从而实现可持续发展太阳能热水器具有节能及环保等优势，在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用。

但常规太阳能热水器易受气候的影响，不能全天候运行。

热泵作为一种高效节能装置，其应用逐渐普及。

将热泵节能技术与太阳能热水系统有机地结合起来，可弥补后者的不足，并实现其高效、全天候运行，对节能和环保均具有重要意义。

国内外研究进展

20世纪30年代中期，出现了热泵的试验装置。

从第二次世界大战前后至70年代中期，美国、前苏联、澳大利亚、欧洲各国在热泵的研究与应用方面都作了大量工作。

理论研究主要集中于热泵的热力学原理、热泵结构和系统的设计选择原理、热泵的低位热源运行费和经济性计算基本原理等方面。

20世纪80年代中后期，由于石油价格的下跌，热泵的节能优势对其发展的推动作用有所减弱，但研究工作并未停滞，其中包括对已有示范性工程的评价和经验总结以及系统设计、性能测试、模拟和经济性评价等多方面的内容NobukatsuArai提出带闪发器的涡旋压缩机注气系统，并简要分析了其运行特性，指出应用此项措施在低温工况下可以提高制热性能15%左右。

90年代初，日本的HagimotoK等人提出采用带喷液旁路的涡旋压缩机系统来解决低温工况下制热时排气温度过高的问题，并开发出样机，通过对辅助回路的启停实现热泵机组既能在常温工况下高效运行、又能在低温工况下安全可靠工作，但这同时加大了热泵机组的复杂性，使制造成本也大大提高。

日立公司推出的J系列热泵空调机组，就是采用的类似措施，现场实测结果表明，机组可以在-15℃以上的条件下正常工作。

上世纪90年代末，日本KatsujiYamagami提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热热泵空调器来解决低温工况下制热不足的问题。

系统中燃气、燃油加热主要有两种工作方式:

一是在供暖时停止运行热泵系统，仅启动送风系统，依靠燃料在空调器燃烧器中的燃烧，加热流经的空气，从而送出暖风。

燃烧器一般加装于室内机中;

另一方式是在供暖时，热泵系统持续运行，室外机组内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将吸收的热量以及压缩机所做的功一同带到室内，制冷剂循环量以及燃气、燃油量由计算机根据室内负荷进行控制。

这种系统型式较为复杂:

燃油系统须配备储油罐等辅助设施，在建筑行业中对储油罐的装配及燃油的运输管道有着严格的消防要求;

燃气系统对市政输配管网有一定的技术要求，在建筑密度很高的市区地段很难满足。

因此，这一方案基于安全性考虑以及一些国家地区相关政策法规的限制，其应用前景并不十分看好。

当燃烧器加装在室外机，系统冬季运行燃烧器时，

系统获取的也不完全是来自空气的免费热源，而是有代价的热源，且这部分热源也不能得到完全利用。

在大规模应用方面，国外的研究侧重于与建筑结构及目标对象相结合。

包括:

以空气源热泵作为住宅的供暖（冷）机组的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖（冷）的研究，在室内或室外露天游泳池中的应用研究，在建筑物余热（排风废热）回收与利用中的应用研究，对冷凝废热回收与利用中的应用研究，人工冰场和游泳池相结合的系统研究以及该技术在工农业中的应用等。

美、日、西欧都是热泵主要的应用国家，但他们热泵的发展模式却不尽相同。

美国热泵行业的发展主要以单元式热泵空调为先导，生产以空气作为低位热源的单元式热泵空调机组，此后又在空气——空气单元式热泵空调机组的基础上又开发了应用于商业建筑的空气——水热泵和水环热泵系统。

日本由于其国内资源十分缺乏，各种能源都严重依赖进口，从而其主要集中于小型空气源热泵的研究。

相对于美国和日本，西欧各国在50年代初就开始从事热泵的研究和开发，重点是对大型热泵装置的研发，生产出的大型热泵主要应用于集中供热或区域供热，其发展模式与美国截然不同。

前苏联在大型区域供热和热泵站的建设方面也作了大量研究工作。

在能源开发利用方面，研发出了较多的形式。

国外的研究更加注重将空气源热泵系统与其他能源或辅助设施相结合以提高其运行性能，例如与太阳能相结合的系统研究，以及带有热储的空气源系统等，这对推动我国热泵事业的发展起到很好的借鉴作用。

我国热泵工业相对于世界工业发达国家的热泵应用与发展来说，仍有一段明显的滞后期，但其发展速度相对较快。

20世纪50年代初，天津大学吕灿仁教授开展了我国热泵的最早研究。

70年代末到80年代末期间，我国热泵在空调上的应用有了起步，开展的研究工作主要包括:

应用的可行性、小型空气——空气热泵（家用热泵空调机组）的理论与实验研究、产品研发和系统应用研究等。

这一阶段的研究工作以工业热泵的应用为重点。

对于空气源热泵在寒区冬季运行时的结霜问题，哈尔滨建筑科技大学马最良提出采用空气源热泵与水——水热泵或者水——空气热泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化的问题。

在冬季，用置于室外的空气源热泵冷热水机组制备10-20℃的温水，通过水环路送至室内的水——空气热泵或者水——水热泵系统，系统从水中提取热量，以达到供暖目的。

此系统是通过水回路将空气源热泵和水源热泵耦合为双级热泵供暖系统。

2004年，田长青等人提出利用双级压缩和变频技术相结合的双级压缩变频空气源热泵系统，来提高空气源热泵系统低温工况下的性能。

将变频技术引入双级压缩热泵系统，利用双级压缩和增加低压级压缩机频率的方法，来提高系统的制热量;

利用双级压缩加调节低压级压缩机频率的方法，提高系统的制热性能系数;

利用双级压缩，降低压缩机的排气温度。

实测结果表明，系统运行稳定可靠，可以在-18℃以上的室外低温环境中，不用辅助热源即可满足寒冷地区供暖需求，拓展了空气源热泵在寒冷地区的应用。

90年代至今，研究热点主要集中于空气源热泵的变频技术、计算机仿真和优化技术、CFCS类工质的替代技术、除霜技术、智能控制技术等方面。

国外发展及研究现状

国外已有较多此类研究和成功运行的太阳能热泵供热系统。

日本、美国、瑞典、澳大利亚等国投入大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的研究和开发，己实施多项太阳能热泵供热系统的示范工程，取得一定经济效益和良好的社会效益。

近年来，土耳其、印度尼西亚等发展中国家对太阳能热泵进行大量的研究，创门己经成为了推动太阳能辅助热泵技术继续向前发展的一股强大的新兴力量。

在产业化方面，美国的solarking系列太阳能热泵供热设备和澳大利亚的quantum系列太阳能热泵热水器就是较为典型的产品范例。

国内发展及研究现状

我国对太阳能——热泵研究起步较晚，已有天津大学，上海交通大学等进行理论和试验方面的研究。

天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行理论和实验研究，结果表明该系统可以一年四季可靠运行，可向用户全天候提供50℃生活热水，并具有一定得节能效果，热泵COP约为3，真空管集热器夏季可单独运行供热水，冬季则可与热泵联合运行;

天津商学院对太阳能一土壤源热泵交替供暖运行进行了实验研究，得出系统平均供热性能系数为;

东南大学针对典型的SAHP，列出系统各设备的能量平衡方程，分析了SAHP的平均供热性能系数;

厦门大学研究了热工质内部不可逆性对太阳能吸收式热泵系统优化性能的影响，分析得出系统的总的性能系数和集热器的最佳工作温度.上海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了实验研究，该热水器可全天候提供450C-50℃生活热水150L，每天耗电量约为（夏（冬），其分体式结构尤其适用于高层或多层建筑，而且这种热水器在阴雨天也可以正常运行，此时依靠空气源热泵进行制热。

第二章热泵辅助供热太阳能热水系统藕合运行方式研究

热泵及太阳能热水器的工作原理

热泵是基于逆卡诺循环原理，以少量电能作为驱动能源，从低位热源中吸取热量，并将热量传递给高位热源的一种节能装置。

热泵的系统设备与制冷机相同，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成。

着眼于放热至高温部分，以制热为目的的机器就叫做热泵;

目的是用于制冷的机器就叫做制冷机。

热泵的工作原理如图所示:

图

热泵的工作过程为:

工质经过蒸发器吸热后，低温低压过热蒸汽在压缩机中进行绝热压缩转化成高温高压气体，然后经过冷凝器定压冷凝为高温高压液体，液体工质进入膨胀阀进行绝热节流后转化为低温低压液体，而后进入蒸发器定压吸热并蒸发为过热蒸汽，从而完成一次逆卡诺循环。

如此不断循环，将热源热量输出。

热量转移过程中，据热力学第二定律，热泵性能的好坏以消耗每单位机械功所制取得的热量作为衡量，转移的热量和输入的机械能之比称为性能系数COP，可用下式表示:

在理想循环（逆卡诺循环）中，此性能系数与温度差成反比:

式中:

Q—传给高温区的热量，J

W—输入功，J

T’—高温区的温度，K

T’’—低温区的温度，K

由式可知，热泵的COP总是大于1。

可见，与电加热相比，热泵的节能效果显着。

根据系统循环动力的种类不同，太阳能热水器分为自然循环与强制循环太阳能热水器两种形式。

自然循环太阳能热水器的工作原理为:

如图，水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度上升，形成集热器与储水箱中水温不同。

由密度差而引起浮升力，产生热虹吸现象，使水在储水箱及集热器中作自然流动。

强制循环太阳能热水器的工作原理为:

这种热水器利用水泵使水在集热器与水箱之间循环，如图所示。

当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。

图自然循环太阳能热水器工作原理图图强制循环太阳能热水器工作原理图

热泵与太阳能热水系统藕合运行方式对比分析

直膨式热泵辅助太阳能热水系统的结构如图所示。

在直膨式系统中，太阳能集热器与蒸发器合二为一，集热器同时也是热泵的蒸发器，制冷剂直接在太阳能集热器中吸收太阳能而得到蒸发。

直膨式太阳能加热泵系统集热面积较小，系统紧凑，安装方便，造价低，其集热效率与热泵换热效率较高，但是此种系统是利用太阳能来辅助提高热泵的蒸发温度，受到太阳能集热量的限制，一般只应用于小型供热系统。

图直膨式热泵辅助太阳能热水系统结构

对于非直膨式热泵辅助太阳能热水系统，太阳能集热器与热泵蒸发器分立，热泵冷凝器置于蓄热水箱中。

当太阳能不能达到负荷需求时，热泵开启运行。

非直膨式系统根据太阳能集热器与热泵低位热源的关系分为串联式、并联式、双热源式，系统流程分别见图一。

在串联式系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器串联，两者通过中间介质实现能量交换。

和直膨式系统对太阳能利用原理相同，均为利用太阳能辅助提高热泵蒸发温度以改善热泵运行环境。

在并联式系统中，太阳能集热系统和热泵系统并联，均可作用于热水。

当太阳辐射强度足够强时，不需要开启热泵，直接利用太阳能将水加热;

当太阳辐射强度较弱，不能满足需求时，开启热泵。

此种系统有效解决了太阳能制热水的连续性问题，但环境温度对热泵制热性能的影响仍没有得到改善。

双热源式系统是上述三种太阳能热泵热水系统形式的综合，其热泵子系统拥有两个不同性质蒸发器—以太阳能集热器集热工质为热源的蒸发器和以空气为热源的蒸发器，所以称其为双热源太阳能热泵。

此系统由于采用两种低温热源，使系统稳定性较高，但由于系统结构复杂，初投资较高，目前应用较少。

图串联式热泵辅助太阳能热水系统流程图

图并联式热泵辅助太阳能热水系统流程图

图双热源式热泵辅助太阳能热水系统流程图

新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统藕合运行方式研究

由上述热泵辅助供热太阳能热水系统祸合运行方式对比分析可知，目前热泵辅助供热太阳能热水系统均在不同程度上存在一定的局限。

为充分利用太阳能并有效降低热泵的电耗，本文采用新型的热泵与太阳能热水系统藕合运行方式构建空气源热泵辅助供热太阳能热水系统。

该新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统的结构如图2一8所示。

由图2一8可知，该新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统主要由太阳能热水子系统I、空气源热泵子系统H及其它附件构成。

太阳能热水子系统I、空气源热泵子系统H通过蓄热水箱进行有机藕合。

其中太阳能热水子系统主要由太阳能集热平板和蓄热水箱构成，空气源热泵子系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流毛细管构成。

图空气源热泵辅助供热太阳能热水系统

该新型空气热泵辅助供热太阳能热水系统可分别按单一太阳能热水系统、单一空气源热泵热水系统模式及空气源热泵辅助供热太阳能热水系统模式运行。

（1）单一太阳能热水系统运行模式

当太阳辐射良好，日照充足时，仅运行太阳能热水系统，热泵系统关闭。

由太阳能循环系统对水箱内水进行自然循环加热，空气源热泵辅助加热太阳能热水系统以常规太阳能热水器模式运行。

（2）单一空气源热泵热水系统运行模式

阴雨天或夜晚，无太阳辐射时，太阳能热水系统停止运行，此时开启空气源热泵，由热泵循环系统对水箱内水进行加热，空气源热泵辅助加热太阳能热水系统以常规空气源热泵热水器模式运行。

（3）空气源热泵辅助供热太阳能热水系统运行模式

当太阳辐射较差，日照不足时，仅利用太阳能循环系统对水箱内水加热不能达到热用户需求，此时在日间运行太阳能热水系统，，傍晚开启空气源热泵，由空气源热泵机组进一步加热水箱中水，直至达到热用户需求。

第三章新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统设计与构建

3．1新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验样机设计

太阳能热水子系统

太阳能热水子系统系统构成如表所示:

表太阳能热水子系统设备列表

空气源热泵子系统系统构成如表所示

表空气源热泵子系统设备列表

新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验样机构建

新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验样机在青岛大学于2012年12月在实验楼楼顶完成安装与调试"

空气源热泵辅助加热太阳能热水系统主体部分实物照片见图所示

图新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实物图

第四章新型空气源热泵辅助加热太阳能供热系统实验研究

系统热力性能测试方法及测试参数

系统热力性能测试方法

（l）水箱充水:

打开供水管阀门将蓄热水箱注满（打开进水管,同时打开热水出水管,直至出水管有水流出,说明水箱已充满水）;

（2）启动计算机自动数据采集系统,数据存储间隔时间设为5mins

（3）当太阳辐射较好时,9:

30开始运行太阳能集热器单独供热水模式。

热泵机组处于关闭状态,16:

30停止测试,输出采集仪内存储数据。

此时开启热水出水水管阀门,同时开启进水水管阀门对水箱进行补水,直至水温达到境温度。

（4）17:

00开始运行空气源热单独供热水模式,17:

00启动压缩机,同时启动数据采集系统开始进行数据采集,每隔5min记录系统所需测试温度及电率表的起始读数。

当温度达到设定温度时,压缩机停止运转,记录下电功率表的终止读数,输出采集仪内存储数据,关闭计算机自动数据采集系统。

（5）当太阳辐射较差,日照时间较短时,运行空气源热泵辅助供热太阳能集热系统。

9:

30启动数据采集系统,对太阳能集热系统所需测试参数进行采集,此时热泵机组停止运行。

运行至17:

00时水箱温度未达到设定温度,启动压缩机,通过热泵继续加热蓄热水箱中的热水。

此时开启热水出水管阀门,同时开启进水水管阀门对水箱进行补水,直至水温达到环境温度。

测试参数

为测试分析系统的热力性能及运行特性,测试参数包括:

（1）室外温度ta（℃）;

（2）太阳能集热器进口、出口温度tin（℃）和tout（℃）;

（3）水箱上部、中部温度t1（℃）和t2（℃）;

（4）压缩机进气口、气口温度tcompin（℃）和tcompout（℃）

（5）冷凝器进口、出口温度t0in（℃）和t0out（℃）;

（6）蒸发器进口、出口温度tkin（℃）和tkout（℃）;

（7）太阳能辐射量I（W/m2）

（8）压缩机耗功量Wcomp（KJ）

空气源热泵辅助供热太阳能热水系统运行模式下热力性能

在测试期间9:

00一17:

00采用单一太阳能制热水模式,若蓄热水箱终温小于45℃,则17:

00之后采取开启空气源热泵进行辅助供热。

实验中所测得的数据包括:

环境温度!

水箱中部水温、水箱出口水温、集热器进水、出水口温度、压缩机进气、出气口温度、蒸发器进、出口温度、冷凝器进、出口温度、辐射强度。

在此运行模式下,以太阳能集热模式下获得的蓄热水箱终温作为空气源热泵辅助加热时初始水温。

由于整个测试期间,天气状况良好,所以其中只有三天采取此种模式进行制热水。

（l）系统室外环境温度、蓄热水箱温度、集热效率分析

图给出了2012年11月17日系统室外环境温度、蓄热水箱温度和集热效率的变化趋势。

由图可知:

测试期间环境温度变化较为平缓,日间平均温度为℃。

由于测试期为多云天气,太阳辐射强度较低,所以水箱温升较为缓慢,加热到17:

00时,水箱终温为℃。

17:

25采用空气源热泵进行加热,水箱温升曲线升高较快,17:

25时,水箱上部水温被加热至℃集热效率在10:

20时达到最大值为%。

图系统室外环境温度、蓄热水箱温度和集热效率的变化趋势

（3）系统空气源热泵系统制热量、耗电量、性能系数分析

图给出了系统用空气源热泵进行制热水测试期间系统制热量!

耗电量及COP的变化趋势。

系统在25分钟内把先前已经预热的水加热至用户需求。

系统耗功量随时间变化不大,系统供热量和COP值随时间变化较大,并且COP值随供热量的变化而变化。

图系统制热量、耗电量及COP的变化趋势

本章小结

对自行研制的新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统在青岛地区气候条件下进行了实验研究。

在空气源热泵辅助供热太阳能热水系统运行模式下,实验结果表明：

与传统的单一太阳能或者单一的空气源热泵相比该设备能在较短时间内即可把热水加热,耗时较短。

第五章空气源热泵辅助加热太阳能热水系统性能数值计算

新型空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热力模型

入射在集热器表面上的太阳辐射能,一部分被吸热板吸收变成有用的能量,用来提高空气温度,另一部分变成损失。

在稳态运行时,平板集热器有效利用的能量为:

在建立热泵循环模型之前,首先需要了解系统中各设备功和热量的变化情况,然后再对循环的性能指标进行分析和计算。

当完成一个供热循环时,在压缩机中,外界对制冷剂作功,而热量的传递情况则因设备而异,在冷凝盘管中热量由制冷剂传给生活用水,在蒸发器中热量由室外空气传给制冷剂。

冷凝盘管中单位时间内由制冷剂传递给水的热量称为循环的供热量,用符号QK表示。

压缩机中由压缩制冷剂所消耗的功率用符号P0表示,它是保持系统循环运行所付出的代价。

这两者的比值

。

根据热力学第一定律,如果忽略位能和动能的变化,系统内稳定流动的能量方程可表示为:

第六章空气源热泵辅助太阳能热水系统效益分析

系统经济效益分析

假设宿舍楼有十层，共10000平方米，实际可安放太阳能即热板面积为500平方米。

每人需占用十平米，则有一千人。

每人每天用水50L，则学校每天需用水50吨。

假设把水从10℃加热到40℃，则需要加热50吨水，每天需要热量Q=cmΔt=4187J/Kg·

K×

50t×

30K=×

109J。

一年365天，按学生在校265天计算，太阳能与热泵组合供热265×

2/3=165天，热泵供热265×

1/3=100天。

太阳能集热辅以空气源热泵系统设备和锅炉的运行年限为15年。

不同加热设备的运行费用比较

1.太阳能与热泵组合供热费用

165天中，每天18小时用热泵供热，6小时用太阳能供热。

研究表明，太阳能热水系统在冬季晴好的天气下，每日可提供2t左右的35~45℃热水；

在春季晴间多云天气下，每日最多可提供