1熱泵的基本原理及其類型

    熱泵是一反向使用的制冷機，與制冷機所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1][2]。蒸發(fā)器吸熱后，其工質的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經過絕熱壓縮變?yōu)楦邷?FONT color=#000000>高壓的氣體后，經冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體（放出工質的氣化熱等，與冷凝水進行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用），液態(tài)工質再經降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，進入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸氣完成一個循環(huán)過程。如此循環(huán)往復，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。

    根據熱力學第一定律，有：Qg=Qd+A，根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的電功A起到補償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸熱（Qd），并向高溫環(huán)境放熱（Qg），周而復始地進行循環(huán)。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術經濟指標，一般用性能系數(coefficientofperformance，簡稱COP)來衡量裝置的能量效率，其定義為：

    COP=Qg/A=(Qd+A)/A=1+Qd/A

    顯然，熱泵COP永遠大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，也是制冷空調領域內實施建筑節(jié)能的重要途徑，對于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應起到積極的作用。

    所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個溫度水平，采用膨脹閥或毛細管實現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流，只是壓力增加的不同形式，主要有機械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機械壓縮式熱泵又稱作電動熱泵，目前已經廣泛應用建筑采暖和空調，在熱泵市場上占據了主導地位；熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式，其中水—溴化鋰吸收式和氨—水吸收式熱水機組已經逐步走上商業(yè)化發(fā)展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段，還必須克服運轉間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問題，才能真正應用于實際。

    根據熱源形式的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵。

    2太陽能熱泵技術原理及其特點

    太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，區(qū)別于以太陽能光電或熱能發(fā)電驅動的熱泵機組。它把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機的結合起來，可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉變?yōu)榭諝庠礋岜�，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。

    2.1太陽能熱泵的分類

    根據太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式，可分為直膨式（direct-expansionsoalarassistedheatpump，DX-SAHP）和非直膨式。在直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，即制冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發(fā)（如圖2所示）。在非直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立，通過集熱介質（一般采用水、空氣、防凍溶液）在集熱器中吸收太陽能，并在蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑，或者直接通過換熱器將熱量傳遞給需要預熱的空氣或水。根據太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)的連接形式，非直膨式系統(tǒng)又可進一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式。串聯(lián)式是指集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)通過蒸發(fā)器加以串聯(lián)、蒸發(fā)器的熱源全部來自于太陽能集熱環(huán)路吸收的熱量（如圖3所示）；并聯(lián)式是指太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)彼此獨立，前者一般用于預熱后者的加熱對象，或者后者作為前者的輔助熱源（如圖4所示）；雙熱源式與串聯(lián)式基本相同，只是蒸發(fā)器可同時利用包括太陽能在內的兩種低溫熱源（如圖5所示）[3]。

    2.2太陽能熱泵的技術特點

    太陽能熱泵將太陽能利用技術與熱泵技術有機結合起來，具有以下幾個方面的技術特點[4]：

    1）同傳統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽能熱泵的最大優(yōu)點是可以采用結構簡易的集熱器，集熱成本非常低。在直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器的工作溫度與熱泵蒸發(fā)溫度保持一致，且與室外溫度接近，而非直膨式系統(tǒng)中，太陽能集熱環(huán)路往往作為蒸發(fā)器的低溫熱源，集熱介質溫度通常為20℃～30℃，因此集熱器的散熱損失非常小，集熱器效率也相應提高。有研究表明，在非寒冷地區(qū)即使采用結構簡單、廉價的普通平板集熱器，集熱器效率也高達60%～80%，甚至采用無蓋板、無保溫的裸板集熱器也是可以的。

    2）由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點，常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)往往需要采用較大的集熱和蓄熱裝置，并且配備相應的輔助熱源，這不僅造成系統(tǒng)初投資較高，而且較大面積的集熱器也難于布置。太陽能熱泵基于熱泵的節(jié)能性和集熱器的高效性，在相同熱負荷條件下，太陽能熱泵所需的集熱器面積和蓄熱器容積等都要比常規(guī)系統(tǒng)小得多，使得系統(tǒng)結構更緊湊，布置更靈活。

    3）在太陽輻射條件良好的情況下，太陽能熱泵往往可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度，因而具有更高的供熱性能系數（COP可達到4以上），而且供熱性能受室外氣溫下降的影響較小。

    4）由于太陽能無處不在、取之不盡，因此太陽能熱泵的應用范圍非常廣泛，不受當地水源條件和地質條件的限制，而且對自然生存環(huán)境幾乎不造成影響。

    5）太陽能熱泵同其它類型的熱泵一樣也具有“一機多用”的優(yōu)點，即冬季可供暖，夏季可制冷，全年可提供生活熱水。由于太陽能熱泵系統(tǒng)中設有蓄熱裝置，因此夏季可利用夜間谷時電力進行蓄冷運行，以供白天供冷之用，不僅運行費用便宜，而且有助于電力錯峰。

    6）考慮到制冷劑的充注量和泄漏問題，直膨式太陽能熱泵一般適用于小型供熱系統(tǒng)，如戶用熱水器和供熱空調系統(tǒng)。其特點是集熱面積小、系統(tǒng)緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應性好、自動控制程度高等尤其是應用于生產熱水，具有高效節(jié)能、安裝方便、全天候等優(yōu)點，其造價與空氣源熱泵熱水器相當，性能更優(yōu)越。

    7）非直膨式系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活、應用范圍廣等優(yōu)點，適合于集中供熱、空調和供熱水系統(tǒng)。易于與建筑一體化。