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太阳能在热泵空调器系统开发中的应用

阅读:220 时间:2011-11-22
    太阳能作为一种巨大的可再生清洁能源,每大到达地球表面的太阳辐射能为5.57×1018MJ,相当于190万亿吨标准煤,约为目前全世界一次能源消费总量的1.56×10 倍。近30年来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。占民用总电耗50%的家用空调,目前趋向于热泵系统的研 。从原理上看太阳能热泵主要包括两种,一种是把太阳能转化成电能,作为驱动能源,利用此电能来制冷制热:一种是以常规电能为驱动能源,利用太阳能集热器提高蒸发器中制冷剂的蒸发温度,获取制热效果,即太阳能辅助热泵。
本文主要介绍利用太阳能集热的热泵空调器的制热原理及其与传统空调器的供热性能比较。

    1、热泵空调器工作原理

    用人工的方法将低温区的热量移送到高温区, 若转移热量是为获得低于环境的温度或满足 某种化工工艺的低温需要,此种方法称为“制冷”;若为将低温区无用的热量移送到高温区成为有用的或用途更大的热量,此种方法称为“热泵”。

    对热泵来说特别重要的是,从热泵的冷凝器中供给热水采暖系统的有用热流量,相对于热泵所消耗的驱动功率,或一段时间内所消耗功的比值。所取得的有用热流量和所消耗的驱动功率之比,称为供热系数。

    在冬季,室外温度较低时,室外换热器经常结霜,传热效率大大降低,影响室内供热效果。目前有许多文献对此问题进行了分析并提出了一些应对措施,但仍不能从根本上解决结霜问题,并且某些措施实施起来存在不少问题。

    2、太阳能热泵系统

    随着能源的日益消耗,未来的建筑物能量系统一定是太阳能普遍应用的复合能量系统。众所周知,热泵是一种利用高位能使热量从低位热源向高位热源的装置。在供热循环中,太阳能集热器收集到的10~20℃的低温热能。通过热泵的作用,可使热媒温度提升到3O~5O℃。根据制冷剂是否在集热器中蒸发,可分为直接膨胀式和非直接膨胀式。

    2.1 非直接膨胀式太阳能热泵空调,通过太阳能热泵冬季供暖实验研究,测得热泵机组的平均供热系数COP为2.71。

    2.2直接膨胀式是将太阡J能集热器用作热泵蒸发器,内充制冷剂,制冷剂吸收太阳能而膨胀。典型的直接膨胀式太阳能热泵空调由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀和太阳能集热器(蒸发器)组成。

    3、性能系数(COP)分析

    直接膨胀式太阳能热泵有以下特点:(1)热性能较好:(2)可省一组热交换器,成本较低;(3)可避免夜晚热水逆流和冻结的问题。如采用无玻璃盖的平板型集热器,COP值会更高。(4)当集热器表面温度降得低于外界空气温度时,集热器仍然可从外界空气或雨水中吸取热量,供热泵使用。此时集热器同时起外界空气热交换器的作用。

    分析在以下假设条件下进行:

    (1)系统处于稳定状态:

    (2)流体在输送中能量损失忽略;

    (3)集热器、换热器中的流体是饱和状态;

    3.1压缩机

    3.2蒸发器(太阳能集热器)

    1)室外空气温度低于集热器的温度

    2)室外空气温度高于集热器的温度,集热器除了吸收太阳辐射热之外,还能吸收空气的辐射热。
   
    3.3冷凝器

    对热泵来说,冷凝器热流量比蒸发器热流量更重要。冷凝器热流量是热泵供给的热流

    3.4压缩机的热损失

    压缩机通过消耗火用所得到的热量,并不全部包含在流往冷凝器的工质蒸气中。通过压缩机和冷凝器之间的排出管路以及冷凝器表面,热量还会散失。
   
    3.5与常规热泵的比较

    当热媒水温度25~61℃时,直接膨胀式太阳能热泵供热性能系数可达2.5~3.7,而常规的热泵空调一般都处于2~3之间。可见利用太阳能辅助热泵,COP提高了25%,明显提高了空调运行经济性,适合我国太刚能资源丰富的广大地区。

    4、太阳能热泵空调器的发展前景

    与常规空调器相比,太阳能热泵空调器具有明显的优点:1)运行经济性比常规空调, 达到节能目的;2)同一套太阳能热泵空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来,显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。

    我们在强调太阳能热泵空调优点的同时,也应看到它目前存在的局限性,因而在推广应用过程中注意解决这些问题: 由于太阳能密度较低以及昼夜、季节等气候因素的影响。因此,要真正用好太阳能热泵空调器供热,应研制高效集热器,提高集热效果,降低现有真空管集热器的成本。可以预见,随着太阳能技术及热泵技术的不断提高与开发,用于采暖的太阳能热泵空调器必将成为空调领域的发展趋势,得到越来越多的关注和应用。

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