1熱泵的基本原理及其類型

    熱泵是一反向使用的制冷機(jī)，與制冷機(jī)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(zhì)的高溫低壓過(guò)熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)過(guò)絕熱壓縮變?yōu)楦邷?FONT color=#000000>高壓的氣體后，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體（放出工質(zhì)的氣化熱等，與冷凝水進(jìn)行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用），液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，進(jìn)入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變?yōu)檫^(guò)熱蒸氣完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。

    根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：Qg=Qd+A，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的電功A起到補(bǔ)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(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。因此，壓縮機(jī)的能耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般用性能系數(shù)(coefficientofperformance，簡(jiǎn)稱COP)來(lái)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(yuǎn)大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，也是制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)施建筑節(jié)能的重要途徑，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用。

    所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個(gè)溫度水平，采用膨脹閥或毛細(xì)管實(shí)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(jī)械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機(jī)械壓縮式熱泵又稱作電動(dòng)熱泵，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用建筑采暖和空調(diào)，在熱泵市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)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(jī)組已經(jīng)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(yùn)轉(zhuǎn)間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問(wèn)題，才能真正應(yīng)用于實(shí)際。

    根據(jù)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(yáng)能熱泵等。國(guó)外的文獻(xiàn)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(yáng)能熱泵技術(shù)原理及其特點(diǎn)

    太陽(yáng)能熱泵一般是指利用太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，區(qū)別于以太陽(yáng)能光電或熱能發(fā)電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組。它把熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)提高太陽(yáng)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?zé)嵩�，在陰雨天，直膨式太�?yáng)能熱泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜�，非直膨式太�?yáng)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(yáng)能熱泵的分類

    根據(jù)太陽(yáng)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(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，即制冷工質(zhì)直接在太陽(yáng)集熱器中吸收太陽(yáng)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(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立，通過(guò)集熱介質(zhì)（一般采用水、空氣、防凍溶液）在集熱器中吸收太陽(yáng)能，并在蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑，或者直接通過(guò)換熱器將熱量傳遞給需要預(yù)熱的空氣或水。根據(jù)太陽(yáng)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(jìn)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(guò)蒸發(fā)器加以串聯(lián)、蒸發(fā)器的熱源全部來(lái)自于太陽(yáng)能集熱環(huán)路吸收的熱量（如圖3所示）；并聯(lián)式是指太陽(yáng)能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)彼此獨(dú)立，前者一般用于預(yù)熱后者的加熱對(duì)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(shí)利用包括太陽(yáng)能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩矗ㄈ鐖D5所示）[3]。

    2.2太陽(yáng)能熱泵的技術(shù)特點(diǎn)

    太陽(yáng)能熱泵將太陽(yáng)能利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，具有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)[4]：

    1）同傳統(tǒng)的太陽(yáng)能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的集熱器，集熱成本非常低。在直膨式系統(tǒng)中，太陽(yáng)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(yáng)能集熱環(huán)路往往作為蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩�，集熱介質(zhì)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(yīng)提高。有研究表明，在非寒冷地區(qū)即使采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的普通平板集熱器，集熱器效率也高達(dá)60%～80%，甚至采用無(wú)蓋板、無(wú)保溫的裸板集熱器也是可以的。

    2）由于太陽(yáng)能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽(yáng)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(yīng)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(yáng)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(fù)荷條件下，太陽(yáng)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(jié)構(gòu)更緊湊，布置更靈活。

    3）在太陽(yáng)輻射條件良好的情況下，太陽(yáng)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(shù)（COP可達(dá)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(yáng)能無(wú)處不在、取之不盡，因此太陽(yáng)能熱泵的應(yīng)用范圍非常廣泛，不受當(dāng)?shù)厮�源條件和地質(zhì)條件的限制，而且對(duì)自然生存環(huán)境幾乎不造成影響。

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

    6）考慮到制冷劑的充注量和泄漏問(wèn)題，直膨式太陽(yáng)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(diào)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是集熱面積小、系統(tǒng)緊湊、集熱效率和熱泵性能高、適應(yīng)性好、自動(dòng)控制程度高等尤其是應(yīng)用于生產(chǎn)熱水，具有高效節(jié)能、安裝方便、全天候等優(yōu)點(diǎn)，其造價(jià)與空氣源熱泵熱水器相當(dāng)，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(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合于集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng)。易于與建筑一體化。