太阳能辅助热泵系统的研究现状

史俊杰

（兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060）

0 引言

太阳能热泵系统由于结构简单、成本低、运行稳定、收集太阳能效果良好，已被广泛应用于生活热能供应。热泵通过使用电网电力和常用的低品位热源，可以为建筑物和基础设施提供稳定的供热。但由于天气的影响，太阳能热泵在供暖应用方面存在间歇性和不稳定性问题。若将太阳能集热板与热泵结合起来，可以克服独立太阳能热泵系统热供需不匹配以及独立热泵系统运行时间长、低能源效率和高能耗等问题，从而为建筑和基础设施提供稳定、可靠、经济和高效的热能。因此，太阳能辅助热泵系统在全球获得了广泛的关注，相关的研究、开发和应用在过去的几十年里一直在快速发展。

本文对太阳能辅助热泵系统研究的进展进行了评述，探讨如何提高太阳能效率、热泵能效和快速响应时间的太阳能辅助热泵系统，并讨论了太阳能辅助热泵系统发展的未来前景。这将有助于加速太阳能辅助热泵系统新技术的发展，从而减少化石燃料使用，加速太阳能技术应用，减少碳排放，助力“碳达峰”和“碳中和”。

1 太阳能辅助热泵系统的潜在挑战

太阳能辅助热泵系统主要由太阳能集热模块、热泵模块和蓄热换热器模块组成。这些模块之间的不同组合方式形成了不同类型的太阳能辅助热泵系统。一般来说，太阳能辅助热泵系统可以大致划分为并联、串联和组合类型。串联系统可以安装在直接膨胀或间接膨胀装置中。通过将并联和串联系统集成在一起，可实现双源太阳能辅助热泵系统，该系统是并联和串联的组合。系统可以在太阳能直供模式、热泵直供模式、太阳能辅助热泵供能模式三种模式下运行。虽然太阳能辅助热泵在技术和应用方面取得了很大进展，但在以下方面仍存在一些挑战和差距。

1.1 低温环境下性能差

当环境温度较低时，由于太阳能集热器的热效率较低，使得热泵在寒冷天气条件下的COP 较低，最终导致太阳能辅助热泵的能效将显著降低。随着热泵体积效率逐渐降低，压缩机排气温度逐步升高，导致压缩机压缩比持续增大，制冷剂质量流量的逐渐减少导致运行效率进一步降低。此外，蒸发器结霜会影响热泵性能，被阻塞的蒸发器表面显著降低了热泵的热容量和COP。为了减轻除霜对热泵性能的影响，可通过使用二氧化碳循环、辅助锅炉、翅片管太阳能集热器/ 蒸发器、微通道传热技术、PCM 和蒸气喷射循环等技术手段予以改善[2]。

1.2 建筑物热需求与太阳能辅助热泵热供给不匹配

北半球太阳辐射在夏季多而冬季少，其水平在日、周和季节的不同周期上都有波动。另一方面热泵在较高的环境温度下具有更好的性能，而在较低的温度下不仅效率低下，而且电耗显著。然而，建筑物在低环境温度下的热需求较高，这就造成了建筑的热需求和太阳能辅助热泵的热供给无法有效匹配。

诸多研究均在努力解决建筑物热供需不匹配的问题，如比较流行的太阳能辅助地源热泵系统（SAGSH）。太阳能辅助地源热泵通过将太阳能注入地面，可以同时消除土壤的热环境恶化和地面的温度降低的问题，从而提高系统效率，保持系统运行条件更加稳定。结果表明，与传统的地源热泵相比，太阳能辅助地源热泵系统实现了更高的COP。

2 太阳能辅助热泵技术的研究现状

太阳能辅助热泵技术实现了太阳能与热泵两者之间的优势互补，以提高COP 为目标，通过储能设备实现了极端气候的供热需求。

自1984 年以来，国内外学者在辅助热泵系统技术的研发上做过诸多尝试，CHATURVEDI 等[2]将太阳能集热器与翅片管换热器并联，通过阀门切换使其一作为热泵的蒸发器。而陈雁[3]等[3]将平板太阳能集热器与翅片管换热器串联，集热器加热后的热风输送至热泵蒸发器不仅提高了热泵的蒸发温度同时解决了集热器冬季结霜问题。而后WANG 和QUAN 等[4]进一步设计了PV/T 与热泵结合的系统，同时实现了光电与光热转化，因PV/T随着温度升高光电转化率降低，系统通过不同循环方式将PV/T 工作温度控制在合理范围，并将余热回收并如系统内，最终实现系统整体效能提高。

为降低空气源热泵的压缩比以提升低温运行性能。YAN、CHEN 以及ZHU[5-7]等将喷射器应用于空气源热泵，通过回收节流过程中损失的膨胀功，提升了压缩机的吸气压，从而降低了压缩机的压缩比。Siyuan Ran[8]等提出了一种使用多功能蒸发器的带有热虹吸管的混合太阳能-空气源热泵。该系统可以从单一热源（即太阳能或环境空气）或它们的组合吸收热量。此外，它可以根据太阳强度在热虹吸模式或热泵模式下工作，在太阳能充足的情况下，甚至可以通过太阳能热虹吸模式提供热量而无需能耗。

对于利用太阳能热泵供暖系统的应用方面，R.LAZZARIN[9]重点分析了作为热泵冷源的太阳能对外部空气的可能贡献，评估了太阳能与空气源的不同集成模式。同时，JIBO LONG[10]等提出了一种混合太阳能热水和空气源热泵（HSAHP）组合供暖系统。该系统可以实现多种连接方式，如太阳能热水（SHW）和空气源热泵（ASHP）并联供暖模式，太阳能热水作为空气源热泵热源的串联供热方式和预热式接入方式。通过文章中给出的HSAHP 组合供热系统的最佳能效面积图可以针对不同的天气情况切换不同的运行方式。

3 太阳能辅助热泵的发向方向

3.1 多源热泵

能效问题是热泵开发和实施中倍受关注的问题，有效利用多种能源是提高能源效率、减少化石燃料消耗的最切实可行的途径。将多个源集成到一个热泵系统是一个微妙的过程，涉及仔细的设计和规划、模拟和优化以及基于实验室和现场测试。设计理论、仿真方法、部件选择与表征、系统的技术性能测试与评价以及社会经济性能评价是创建成熟的、可广泛部署的多源热泵系统需要解决的主要问题。

3.2 利用废热和可再生能源进行热泵除霜

热泵除霜需要消耗大量电能，利用高温排风可以有效解决热泵除霜问题。空气除霜具有投资成本低、无需改造、易于控制等优点。

除废气外，其他废弃物和可再生能源也可用于热泵除霜。在热水温度为40 ～50 ℃，环境温度约为0 ℃，平均太阳辐射为300 W/m2的条件下，太阳能收集效率可能会低于20%。为了避免极其低效的热量收集，水温可以设置为10 ～20 ℃。虽然不适合供暖，但用于除霜是足够的。因此，太阳能在冬季得到有效利用，从而缩短了太阳能辅助热泵系统的回收期。

3.3 先进的蓄热换热器

蓄热换热器是建立建筑热需求和太阳能辅助热泵热供应之间平衡的一个工具。蓄热换热器也有望快速响应建筑的热需求，并通过利用太阳能提供即时热供应。这能延长太阳能系统的使用时间，减少热泵的运行时间，从而大大降低整个太阳能辅助热泵的电力消耗。然而，要创建最有效的蓄热换热器，仍然需要结构优化、介质选择和表征以及相关控制策略的制定等多方面的综合性研究。这将最大限度地利用太阳能，并将热泵运行所需的电能减少到最低限度。此外，热量供需之间的非互补性问题也得到缓解。

4 结语

本研究对太阳能辅助热泵的研究与开发工作进行了评述。研究发现，在节能减排的大背景下，阻碍其进一步发展的主要原因有：（1）低温环境下性能差；（2）建筑物热需求与太阳能辅助热泵热供给不匹配。基于上述问题，提出了三个研究方向：（1）多源热泵的开发；（2）利用废弃物和可再生能源的热泵除霜技术；（3）先进的蓄热换热器技术。本文的研究有助于加速太阳能辅助热泵系统的发展，助力“碳达峰”和“碳中和”。