隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源和環(huán)境是當(dāng)今世界突出的兩大社會(huì)問題，這促使人們更多地意識(shí)到能源對(duì)人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節(jié)能熱泵技術(shù)。目前我國(guó)太陽能的熱利用主要集中在被動(dòng)式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動(dòng)式太陽能供熱系統(tǒng)的開發(fā)的利用相對(duì)落后。采用節(jié)能裝置――熱泵與太陽能集熱設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達(dá)到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用潛力。熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能型空調(diào)制冷供熱技術(shù)，是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮?，并將其傳輸給高溫?zé)嵩?，以達(dá)到泵熱的目的，從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源(節(jié)約高品位能源)，即提高能量品位的技術(shù)。隨著人們對(duì)獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點(diǎn)的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術(shù)與太陽能利用相結(jié)合無疑是一種好的選擇方法。
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)的高溫低壓過熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w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^熱蒸氣完成一個(gè)循環(huán)過程。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)(coefficient of performance，簡(jiǎn)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(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太陽能熱泵技術(shù)原理及其特點(diǎn)
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(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組。它把熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，可同時(shí)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?zé)嵩矗陉幱晏?，直膨式太陽能熱泵轉(zhuǎn)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(jù)太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式，可分為直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump，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(zhì)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(zhì)(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(yù)熱的空氣或水。根據(jù)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(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(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)利用包括太陽能在內(nèi)的兩種低溫?zé)嵩?如圖5所示)[3]。
2.2太陽能熱泵的技術(shù)特點(diǎn)
太陽能熱泵將太陽能利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，具有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)[4]：
1)同傳統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽能熱泵的最大優(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?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。