一种直膨式多功能太阳能热泵系统经济性分析

　　0 前言

　　早在1955年, Sporn等就提出直膨式太阳能热泵(DirectExpansion SolarAssistedHeatPump)的概念,并通过试验验证了其有利性[1]。此后,国内外研究者对这种系统进行了一系列的理论和实验研究,取得了大量成果[2, 3]。天津大学[4]、东南大学[5]、青岛理工大学[6]、上海交通大学[7]、中国科技大学等先后对太阳能热泵进行了实验及理论研究,取得了一定的成果。

　　本文将本着节能与环保的用能模式,将太阳能利用技术与热泵技术结合,设计了一种直膨式多功能太阳能热泵系统。该系统可以实现夏季制冷、冬季制热、全年提供生活热水,并且随太阳辐射强度的不同可以实现变容量调节。直膨式多功能太阳能热泵系统的制冷剂经太阳能集热器/蒸发器,吸收太阳能和太阳能集热器/蒸发器周围空气的热能,用于制取生活热水和提供冬季的供热量。此系统将太阳能热利用和空气源热泵相结合,综合了太阳能热利用和空气源热泵的优点,系统的经济性显著提高。

　　1 直膨式多功能太阳能热泵系统的工作原理

　　图1是系统示意图,这是一种直膨式多功能太阳能热泵系统,可实现夏季制冷、冬季制热、全年提供生活热水,并且考虑了太阳辐射强度的变化,对本系统的运行采用变容量调节,以实现高效运行。

　　太阳能集热器(集热蒸发器)在冬季和过渡季节中,作为蒸发器,吸收太阳辐射能,夏季运行模式下,不参与循环。室外换热器在制冷工况时,相当于冷凝器,在冬季和过渡季节中,作为蒸发器和太阳能集热器共同作用。室内换热器在冬季时作为冷凝器,在夏季作为蒸发器,过渡季节不参与工作。水箱在冬季和过渡季节中,相当于冷凝器,用于储存加热生活热水。室外水箱在夏季工况下,回收冷凝热来加热并储存生活热水。四通换向阀用来改变制冷剂的流动方向,实现不同运行模式的交换。

　　根据环境气候的变化,系统的运行模式的运行模式可分为以下三种:冬季模式、过渡季模式、夏季模式。

　　1.1 冬季运行模式:制热兼制热水模式

　　如图1,太阳能集热器吸收的太阳辐射热能,同室外机换热器吸收的来自空气中的低品位热能共同将热量释放于室内以及蓄热水箱中,满足室内供暖需求,并加热蓄热水箱中的水。蓄热水箱中的水一部分提供生活热水,一部分用于蓄热。

　　制冷剂循环路线:集热蒸发器4、室外水冷换热器y四通换向阀2y压缩机1,之后气体工质首先经过蓄热水箱换热器冷凝放热,将一部分热量释放于蓄热水箱中,用于加热生活热水,再经过室内换热器进一步冷凝,满足室内的供热需求。冷凝后的工质液体分为两路,一路经过通过膨胀阀节流后重回到室外换热器,另一路经过膨胀阀节流后回到集热蒸发器。循环中,旁通阀1、2关闭。