太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)淺議

劉永成

（盤(pán)錦市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)基地建設(shè)工程中心，遼寧 盤(pán)錦 124010）

1 關(guān)于太陽(yáng)輻照能

太陽(yáng)輻射的能流密度低，在不同的季節(jié)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(shí)數(shù)為2200 ～3000h，輻射量在502 ～586×104kJ/cm2·a，其熱值相當(dāng)于每年每平方米170 ～200kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量（表1）。

太陽(yáng)能是一種輻射能，具有時(shí)效性，須要即時(shí)轉(zhuǎn)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(yáng)能時(shí)須要采用技術(shù)和裝置（集熱系統(tǒng)），對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)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(lèi)。聚光類(lèi)聚光集熱器能將陽(yáng)光會(huì)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(yáng)。非聚光集熱器有平板集熱器、真空管集熱器、陽(yáng)光溫室等。非聚光集熱器能夠利用太陽(yáng)輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低。

將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成不同形式的能量需要不同的能量轉(zhuǎn)換器，集熱器通過(guò)吸收面可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能。一般來(lái)講，太陽(yáng)能可以直接或間接轉(zhuǎn)換成任何形式的能量，但轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，最終太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率也會(huì)越低。黑色吸收面吸收太陽(yáng)輻射，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(yáng)能吸收面。選擇性吸收面具有很高的太陽(yáng)吸收比和低的發(fā)射比，吸收太陽(yáng)輻射的性能好，且輻射熱損失小，是比較理想的太陽(yáng)能吸收面。我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始研制選擇性涂層，取得了許多成果，并在太陽(yáng)集熱器上廣泛使用，效果十分顯著。節(jié)能型日光溫室是一種高性?xún)r(jià)比太陽(yáng)能集熱器，其透光率一般在60%～80%以上，室內(nèi)外氣溫差可保持在21 ～25℃以上。

由于各地采暖期的時(shí)間跨度不同，表2 采暖期統(tǒng)一為11月到次年3 月，計(jì)150 天。

表1 國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖季太陽(yáng)輻射能

表2 國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖期日均輻射能（表2） 單位： MJ·m2

2 關(guān)于空氣能熱泵

空氣能熱泵是利用卡諾循環(huán)的原理，集熱蒸發(fā)器中的制冷劑工質(zhì)直接吸收太陽(yáng)能輻射能（空氣中的熱能）低溫蒸發(fā)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮排出高溫高壓的制冷劑蒸汽進(jìn)入高溫冷凝器冷凝放熱，冷凝液在高低壓差的作用下通過(guò)熱力膨脹閥降壓降溫進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，形成一個(gè)熱泵工作循環(huán)。實(shí)現(xiàn)了花少量的電能，將大量的熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹妮斔?，輸送的熱量與所消耗的電能之比稱(chēng)為熱泵的能效比（COP）。通常，空氣能熱泵的能效比（COP）受環(huán)境溫度影響比較大，溫度低COP 數(shù)值小，溫度高COP 數(shù)值大，COP 數(shù)隨著溫度的升高而增大，能效比值可以高達(dá)6 ～10。表3 是某種型號(hào)空氣能熱泵在不同環(huán)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(huán)境下的COP 值很低，和阻性電加熱器相比，沒(méi)有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。有些機(jī)型在低溫環(huán)境下甚至無(wú)法啟動(dòng)，這也是空氣能熱泵在北方推廣應(yīng)用的困難所在。

表4 國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖季月平均溫度

表4 是國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖季平均溫度。為了方便對(duì)比表1、表2，數(shù)據(jù)采集取自每年的1、2、3、11、12 這5個(gè)月。

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

圖1 不通環(huán)境溫度下制熱量變化曲線

3 關(guān)于太陽(yáng)能熱泵

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

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

如果按照1 平方米熱負(fù)荷以100W 計(jì)算，每天按照18 個(gè)小時(shí)采暖計(jì)計(jì)算，每平方米大約需要0.1kW×18t×3.6MJ=6.48MJ。對(duì)比表2，可以大致推算出陽(yáng)光溫室的采光面積。

太陽(yáng)能熱泵是現(xiàn)有的高效節(jié)能的技術(shù)。

高效——COP 值是空氣源熱泵的2 倍；

節(jié)能——太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能集熱器的兩倍，比一般的空氣能熱泵節(jié)能50%；

綠色——利用太陽(yáng)能和空氣能綠色能源；

環(huán)保——沒(méi)有任何的污染和排放。

表1 數(shù)據(jù)采自百度文庫(kù)《各地太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度明細(xì)》，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖季太陽(yáng)輻射能。

表4 數(shù)據(jù)采自天氣網(wǎng)國(guó)內(nèi)部分地區(qū)采暖季月平均溫度。