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太阳能热泵
摘要：太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统是以太阳能热泵为热源，以地面辐射为末端装置的采暖系统。本文主要介绍了太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统工作原理，分析了该系统的特点，结果表明该采暖系统是一种舒适、经济和节能的“绿色”采暖系统。本文还探讨了该系统在当前的应用中存在及需要解决的问题。
关键词：太阳能热泵；低温地面辐射采暖；节能；绿色建筑；
中图分类号： tk511 文献标识码： a 文章编号：
0.前言
太阳能与热泵联合运行的思想，最早是在20世纪50年代由jordan和threlkeld提出的。[1]在此之后，欧美等发达国家相继进行了大量的深入研究，研发出太阳能热泵供热设备，并获得一定的社会和经济效益。随着我国“节能减排”政策的施行，在社会生产中如何利用可再生能源（太阳能、风能）越来越受到人们的重视，关于被动式和主动式太阳能应用的研究越来越多。太阳能与热泵相结合的技术-太阳能热泵在采暖系统中的应用也逐渐受到设计师们的青睐。
1.太阳能热泵—地面辐射采暖系统的概述、系统形式
1.1系统概述
低温地面辐射采暖系统，由于热媒供水温度较低(<60℃)，可以应用太阳能集热板作为采暖系统热源。但仅依靠太阳能集热板供热，一是对太阳能集热板的面积要求较大，增加了太阳能集热板的投资，也提高了集热板布置场地的要求；二是太阳能易受昼夜、天气、季节等因素影响，是一种不稳定的能源，难以满足全天候采暖的需求。将太阳能集热板与热泵机组结合作为低温热水地面辐射采暖系统的热源，可在消耗少量电能的情况下将流经太阳能集热板升温后的热媒温度提升到地板辐射采暖系统所需的热媒温度，降低集热板面积，同时也减少了集热、蓄热系统的散热损失。而对以太阳能集热系统为热源的热泵机组来说，由于热泵机组的蒸发温度升高了，热泵机组的制热效率也相应提高了。这样，不但利用了太阳能这种清洁可再生能源，还可以能减少电能等高品位能源消耗。因此，这种将太阳能与热泵系统相结合的技术—太阳能热泵，成了低温地面辐射采热系统中的理想热源。<> 
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1.2系统形式
根据太阳能集热系统与热泵蒸发器的连接方式，太阳能热泵可分为直膨式、串联式、并联式以及混合式系统。直膨式系统以太阳能集热器作为热泵系统中的蒸发器，经热泵机组提升，得到较高温度的采暖热媒，适合于小型系统。后三种是将太阳能集热系统与热泵机组组合，也是目前研究得较多的太阳能热泵供暖形式，可用于小、中型供暖系统。各种系统均有各自的优、缺点，设计师可根据建筑负荷特性、地域气候特点和运行要求来选择适合的系统形式。其中，串联式太阳能热泵中，太阳能集热板与热泵蒸发器之间通过储热水箱相联，是目前太阳能热泵常用的一种连接方式。该系统优点是：由于热泵机组不断从储热水箱中吸取热量使集热系统工作在较低温度，从而使集热系统具有较高的集热效率；另一方面，由于吸取储热水箱中的温水，使热泵机组的蒸发温度升高，从而提高了热泵机组的制热性能。典型的串联式太阳能热泵—地面辐射采暖系统如图1所示。
1 太阳能集热器 2 蓄热水箱 3 热泵机组 4 采暖末端
5 循环水泵 6 电加热器
图1太阳能热泵-地面辐射供暖系统工作原理示意图
2.太阳能热泵—地面辐射采热系统的特点、间歇运行情况
2.1太阳能热泵—地面辐射采热系统的特点
(1)与采用电加热器或其他辅助热源相比，热泵机组作为太阳能利用的辅助提升设备具有独特的优势，在消耗少量电能的条件下，即可将储热水箱中的低温水升至地面辐射采暖所需的热媒温度。而且，在热泵机组冷凝器侧的供水温度一定的情况下，热泵机组的制热系数随着蒸发器侧的低温热源（即储热水箱内热水温度）的升高而增大。天津大学的赵军等人曾对串联式太阳能热泵采暖系统进行了试验研究和理论分析，结果表明，该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供50℃的热水。热泵机组的制热cop达到2.64～2.85，制冷cop 达到2.61～3.5。[2]若太阳能集热器面积和储热水箱的容积匹配合理，储热水箱内热水的温度可以控制在设计范围内，有利于热泵机组的稳定运行，在相同的供热负荷情况下，可以节约电能。
(2)太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统可以利用低温平板集热器，不仅降低了集热成本，而且集热效率较高。尽管使用简易的集热器，也能高效地集热，即使是单层玻璃涂黑板漆的普通集热器，平均集热效率也可高达50％～70％，因而可大大降低集热成本，这是该系统的最大优点。[3]
(3)热泵机组若选用升温型吸收式热泵还可在夏季用于制冷，解决建筑部分冷负荷。此外，太阳能集热系统还可在过渡季节为整栋建筑提供生活热水。“一机多用”的工况，提高了太阳能热泵系统利用率，间接降低系统的初投资。随着吸收式热泵在近年来应用越来越多，太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统或许将是中、小型建筑制冷、供热中的一种主导方式。
(4)太阳能是的一种可再生能源，结合热泵技术的应用，太阳能热泵—地面辐射采热系统节能效果显著，降低不可再生能源的消耗，减少环境污染，是一种“绿色”的采暖方式。
2.2太阳能热泵—地面辐射供暖系统的间歇运行情况
近些年，一些高校对太阳能热泵—地面辐射采热系统的间歇性运行进行了相关研究。
2002年12月，青岛理工大学周恩泽等人进行了太阳能热泵—地面辐射采暖系统间歇运行方式的数值研究。通过建立的系统间歇运行方式下采暖房间温度波动的数学模型，研究了系统在间歇运行方式下采暖房间的温度波动情况，即给出了日间和夜间不同时刻室内、外空气温度和地面平均温度。数值计算结果表明，以太阳能热泵为热源的地面辐射采暖系统采用间歇运行方式是可行的。[4]
2005年，青岛理工大学李春娥等人对太阳能热泵—地面辐射采暖系统的连续运行和间歇运行进行了实验研究。实验结果表明，由于地板的蓄热特性，间歇性运行可以尽量推迟热泵机组在夜间的启动时问，以利用峰谷电价的差别，可以进一步降低系统的运行费用。[5]
这些研究都证明了太阳能热泵—地面辐射采暖系统可以满足冬季采暖需求。
3.太阳能热泵—地板辐射采热系统的应用需要解决的问题及设计注意事项
目前，太阳能热泵—低温地面辐射采暖的应用需注意以下一些问题：
(1)太阳能热泵节能效果显著，但太阳辐射强度易受昼夜、天气、季节变化等影响，具有很大的不稳定性。对于冬季以采暖为主的地区，利用太阳能热泵采暖，需考虑配置辅助热源，如电加热器。当夜间或阴天热泵机组运行，而储热水箱储水温较低，不能满足供暖需求时，则利用水箱内的辅助电加热器加以补充，以满足采暖需求，保证热泵机组在高效率下运行。
(2)需对太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统进行优化设计，即通过全年冷、热负荷和生活热水负荷动态分析，在优先满足冬季采暖需求的情况下，兼顾夏季制冷和生活热水需求，得出集热板面积、储热水箱容积、与热泵装机容量之间的最佳匹配关系，提高设备利用率，间接降低系统的初投资。
(3)根据不同地区的太阳照度、高度角等情况等，合理布置太阳能集热板，可借助计算机模拟软件-ecotect分析，找出集热板布置的最佳倾角和方位角。同时，将太阳能集热板的布置与建筑设计紧密结合起来，综合考虑集热性能和建筑美感。
(4)太阳能集热系统中的集热介质要选用低凝固点的混合溶液，防止在夜间或阴天不启动情况下“结冰”，冻坏系统管路。
4.结论：
综上，太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统综合利用太阳能、热泵技术，是一种节能环保的“绿色”的采暖方式，适用于中小型建筑的采暖系统。虽然该系统的初投资较大，但其运行费用较常规采暖方式低，可在未来几年内收回投资。在设计中解决相关问题，并不断推广该技术，必将带来可观的经济与环境效益。随着人们节能意识的增强，太阳能热泵—低温地面辐射采暖系统必将得到越来越广泛的应用。
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