太阳能光热空气源热泵制热技术研究

韩娜丽

摘要：在国家大力推行节能降耗减排发展战略的背景下，太阳能光热空气源已经在直膨、水箱换热、相变蓄热等方面获得研发进步，其中的直膨式太阳能热泵具有较好的制热系数，可以达到普通热水器的3倍，而水箱换热式太阳能制热系统的节能效果比较好，相变蓄热型热泵的制热系数可以达到3.31，因此这三种太阳能热泵已经成为重点研究内容。本文首先分析直膨式太阳能光热热泵制热技术，其次探讨水箱换热和相变蓄热太阳能光热热泵制热技术，以及对相关研究具有一定的参考价值。

关键词：太阳能;光热空气源;热泵制热技术

1直膨式太阳能光热热泵制热技术

在直膨式太阳能热泵中，其制热系统的工作原理，实际上是使用太阳能集热器替代风冷蒸发器，将通过吸收太阳能获得的辐射热量作为低位热源，将对流产生的空气能作为辅助型低位热源，可以切实满足使用者对于热负荷的需要。因為太阳能辐射热能通常会比空气能高，所以技术人员应该提升空气源热泵的制热能力，制热系统的差异性主要展现在冷凝器上，按照其使用的冷凝器可以将其分为三类：浸入式、外绕式、热虹吸式冷凝器。

1.1侵入式冷凝器

这种冷凝器一般会在水箱内部和冷水发生直接接触形成换热现象，具有比较高的换热效率、较强的制热能力。由于冷凝器长时间处于制热状态，非常容易和水中的钙离子、镁离子、氯离子出现化学反应，因此工作人员需要提前对箱内水体实施软化处理，防止冷凝器表面出现水垢，确保铜管并不会由于水垢限制传热出现被烧坏的现象。除此以外，水中含有的氯离子通常会对铜金属和钢金属产生腐蚀，因此工作人员需要提前对浸入式冷凝器实施防腐处理，才能够进一步提升直膨式太阳能热泵的制冷效果。

1.2外绕式冷凝器

对于使用外绕式冷凝器的直膨式太阳能热泵而言，冷凝管通常会盘绕在金属水箱的外表层，因此工作人员应该在冷凝管的外侧位置设置一层保温层或外壳，能够使制冷剂和水体进行分离，确保加热之后水体不会受到污染而受到影响，依旧可以正常流通。但是被加热的水体和冷凝器之间具有一层金属间壁，为了避免水箱内壁受到腐蚀，一般会使用搪瓷材质的内胆，这将会影响冷凝器的换热效果。因此技术人员通过增加盘绕式冷凝管的数量，通过加大换热面积的形式解决换热效果下降的问题。

1.3热虹吸式冷凝器

在直膨式太阳能热泵中运用热虹吸式冷凝器，将热虹吸作为动力，能够完成冷凝器和水箱之间的换热。套管下方的水体在加热后会因为密度变化出现上浮现象，若是在水下密度比较大的水体泵上，安装用于换热处理的套管，可以实现反复循环制热处理。在直膨式太阳能热泵制热系统其他元件均一致的条件下，热虹吸式冷凝器具有的安全稳定性通常会高于浸入式冷凝器。

经过对比分析可知，浸入式冷凝器具有的制热能力比较好，但是安全稳定性比较差，而外绕式冷凝器具有较强的安全性，但是制热效果不佳。冷凝侧水箱一般用于供应生活热水，也可以将其视为缓冲水箱用作供暖，可以防止高频开启、暂停热泵机组导致的噪音和电压冲击力。

2 水箱换热式制热系统

若是按照水箱换热式太阳能热泵的集热单元进行划分，可以将其分为非嵌套式水箱换热制热的集热单元和嵌套式水箱换热制热系统的集热单元。

2.1非嵌套水箱换热集热单元

该类集热单元和空气源热泵单元属于相互独立的状态，二者之间不会牵涉到换热问题，仅仅依靠单元内部的自制热量蓄热水箱内部冷水，从而切实满足供暖和供给生活用水的需要。在日常应用水箱换热式制热系统时，仅利用太阳能集热单元即能够达到供应热水的目标，在太阳能集热单元并不能充分满足热量需要时，空气源热泵方会投入到制热系统中。该系统中的空气源热泵单元具有的制热能力和普通的热泵基本是一致的。在夏季时，可以将空气源热泵单元视为室内环境的蒸发装置，在供给生活热水的基础上，其还可以运用在空调制冷环节中，其和普通空调系统和热水器相比，全年平均节能效果可以达到25%到50%。

2.2嵌套式集热单元

嵌套式集热单元和空气源热泵单元一般是使用蓄热水箱进行连接的，会产生互相嵌套状态的换热结构。太阳能集热单元实际上是运用蓄热水箱实施换热的，有助于提升空气源热泵的制热效果，可以供给生活热水。嵌套式集热单元可以在夏季时供给热水、用于空调制冷，在其供暖的末端位置，可以直接运用辐射能量进行供暖，防止水暖和制冷剂出现换热能耗，能够提升系统的制热效果。

3相变蓄热式制热系统

第一方面，优化改进直膨式太阳能热泵系统，技术人员通常会在集热器的排气口和进气口上安装一个相变蓄热设备，在天气晴朗时，制冷剂能够将吸收的太阳能直接储存在蓄热设备中，不但能够为夜间制热存储一些低位热源，确保热泵可以进行高效率的制热，而且可以进一步管控压缩机进口位置的制冷剂温度，防止该位置出现热量过高以及压力过大的问题，保证压缩机处于正常运行状态。

第二方面，研发设计套管蓄能换热器，这种新型的换热器实际上是基于空气源热泵蒸发器的基础上研发的，在制冷剂铜管位置依次安装相变蓄热处理套管、水环路式套管，且需要在套管的中间位置安装一些肋片，从而加强换热结构的支撑效果。若是将套管蓄能换热器运用到水箱换热制热系统上时，水环路套管会在集热器位置吸热，而套管蓄能换热器可以直接将能量传输到相变蓄热套管，制冷剂通过吸收蓄热材料的热能，可以达到高效制热循环发展的目的。

第三方面，运用相变蓄热水箱，水箱内部的相变材料封装规格比较小，能够有效提升太阳能热泵的集热效果，其在供暖的初始阶段以及结尾具有显著的供热效果。

结论：综上所述，为了提升太阳能热泵系统在各种安装环境的适应性，相关单位可以根据实际负荷需要，选择一种太阳能空气源热泵技术或是综合运用多种太阳能热泵技术，才能够提升太阳能热泵系统的实际应用效果。

参考文献：

[1]张涛，韩吉田，赵红霞，段炼.基于联供系统的太阳能光热/光电利用试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2018，48（04）：629-638.

[2]魏毅立，王洪明.独立式太阳能-空气源热泵热风供暖系统的设计[J].热能动力工程，2018，33（07）：128-134.

基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重大项目“光伏-太阳能热泵系统的性能研究”（项目编号：KJ2020ZD84）