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【摘 要】介绍了太阳能热泵的在国内外的发展情况和太阳能热泵热水系统的分类。太阳能热泵热水系统与其它热水系统在技术特性方面进行比较，并同几种常用热水器进行经济分析，结果表明太阳能热泵热水系统在性能系数和经济性上都优于其他系统。太阳能热泵热水系统采用智能控制压缩机频率的方法，使其性能系数明显提高。
【关键词】太阳能热泵；特点比较；经济性分析；智能控制
Solar assisted heat pump system for heat water
Zhao Wen-jun.1,Liu Jie.1,Chen Ji-sheng.2
(1.Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033;
2.Qingdao Urban Planning and Design Research Institute Qingdao Shandong 266033 )
【Abstract】Describes the development of solar heat at home and abroad and solar heat pump system for hot water of classification. Comparison of solar heat pump hot water systems and other hot water system in the technical characteristics,and economic analysis of several kinds of water heater system,the results show that the solar heat pump hot water system in the coefficient of performance and economy are better than other systems.Solar heat pump hot water system with intelligent control method of compressor frequency,significantly improve the performance coefficient.
【Key words】Solar heat pump;Features Comparison;Economic Analysis;Intelligent Control
早在20世纪50年代，太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld等人就指出了太阳能热泵联合运行可以同时提高太阳能集热器的效率和热泵系统性能.［1］。随后，日本、美国，都曾利用无盖板的平板集热器与热泵系统结合, 设计了向建筑供热和供冷的直膨式太阳能热泵系统。但是由于效率较低、初投资较大等原因没有推广开来［2］。土耳其的研究人员对安装辅助装置的串联式太阳能热泵系统进行理论研究和实验分析, 得出了系统的COP值。瑞典、澳大利亚等发达国家也纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵系统进行深入的研究与开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范性工程，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。
在我国，太阳能热泵技术作为一种新兴的能源型产业，发展尚未成熟，但其环保、节能、高效的运行特点吸引了众多人的目光，国内的科学研究者纷纷对太阳能热泵进行研究和实验。天津大学的葛昕［3］对太阳能热泵供暖系统优化分析：一方面适当的增加蒸发面积，COP值可提高4.4~4.7，另一方面对太阳能集热器面积和水箱容积进行了有效匹配，集热器效率比以前提高6％。上海交通大学的孙振华［4］对直膨式太阳能热泵热水器进行研究，在改进集热器和有效调节压缩机频率后，6～7月份的整个实验过程中的平均COP为7.53，系统效率明显提高。青岛建筑工程学院［5］建立了串联式太阳能热泵供热系统实验台, 实验设计开发的平板型太阳能集热器平均集热效率高达67.2%。总体来说，我国的太阳能热泵技术还处在发展阶段，还需要在热力性能、结构形式、循环工质、控制方案等方面做进一步的研究。
1. 太阳能热泵热水系统
太阳能是地球上所有能量的主要来源，它以取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点日益受到人们的重视，但太阳能受到环境变化和太阳辐射强度变化的影响，存在着间接性和不稳定性的因素，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定程度的限制。空气源热泵技术也是洁净环保技术，它几乎不受时间和阴晴天气的影响，安装要求低，制热效率又比电热水器高，所以受到市场的广泛欢迎，但同时也存在着结霜和夏季高温压缩机容易损坏等问题，所以人们把目光集中在太阳能技术和热泵技术的结合上。通过理论分析和实验研究，太阳能热泵在系统在性能和集热效率方面都取得了很大进步。
太阳能作为太阳能热泵低温热源的系统称为太阳能热泵热水系统［6］。太阳能热泵热水系统涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域。根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式，一般可分为直膨式热水系统和非直膨式热水系统两大类。 直膨式太阳能热泵热水系统中，传热介质在集热器/蒸发器吸收太阳热量后蒸发，通过热泵循环将吸收的热量释放给被加热物体。直膨式太阳能热泵的吸热装置是太阳能集热器和热泵蒸发器的结合，这样既提高了蒸发温度又降低了集热温度，所以系统在集热效率和性能系数上都有了很大的提高，同时也改善了太阳能的间断性和热泵的结霜问题。在非直膨式热水系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器分离，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体［7］。非直膨式系统的最大优点是系统连续供热水受环境温度和太阳辐射变化影响不大。在太阳能辐射比较好的情况下，可以直接利用太阳能集热循环进行采暖或供热水，而不必启用热泵循环，使得系统运行比较经济；在太阳辐射条件较差的情况下，启用热泵循环来满足用热需求，这就有效避开了太阳能系统存在间歇性和不稳定性地问题。
2. 太阳能热泵与各种热水系统的比较
2.1 与太阳能热水系统比较。
在太阳能热泵系统中，直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热泵集热器中的制冷剂是两相吸收热量而太阳能热水系统是单相吸收热量，所以前者吸收热量的能力要比后者强。其次，太阳能热泵集热器的集热温度与环境温度接近，热量损失较小，而太阳能热水系统的热水管路温度高于周围环境，热损较大；非直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热水系统遇到阴雨天时，集热效率急剧降低，无法满足用户需求，甚至不能工作，而非直膨式太阳能热泵热水系统可以单独使用热泵系统来弥补由于天气状况引起的太阳能热水系统间歇性问题。
2.2 与空气源热泵热水系统比较。
空气作为低位热源，取之不尽，无偿获取，与太阳能有相同的节能环保特性。空气源热泵装置具备节能环保、安全可靠、系统设备简约、占地少、使用灵活、一次性投资低的特点，但空气源热泵容量和制热性能系数受室外空气状态参数和环境变化的影响很大，这就造成空气源热泵供热量与建筑物耗热量之间的供需矛盾，并且在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵效率会大大降低。当室外温度降低越大，空气源热泵性能系数降低越大，甚至会造成结霜。太阳能热泵热水系统在太阳辐射条件良好的情况下可以获得比空气源热泵热水系统更高的蒸发温度, 即具有更高的性能系数。例如，南京气象条件下，全年不同工况太阳能热泵热水系统生产50℃热水运行性能。夏季晴天COP=5.64，冬季晴天COP=3.61，冬季阴雨天COP=2.45，而普通热泵的性能系数平均在2.9左右［8］。从以上数据我们可以看出，只有在最差的冬季阴雨天时太阳能热泵的性能系数低于空气源热泵，其它时间太阳能热泵性能系数比其高出1.5左右。
2.3 与地源热泵热水系统的比较。
土壤同样是热泵的一种良好的低温热源，它像空气一样，到处都有。土壤一年四季温度变化不大，并具有一定蓄能作用 ［9］，但土壤的导热系数小，即工质与土壤之间换热强度小，所以需要增大埋在土壤里盘管的换热面积，这样地源热泵的初投资就会增加而且估算困难，而对于太阳能热泵热水系统来说，其初投资远小于地源热泵热水系统 ［9］。土壤源热泵在运行过程中出现故障时，维修困难（如地下盘管漏），太阳能热泵维修相对简便。更重要是在实际工程中，地源（地下水）热泵热水温度最高为55℃，这很难满足对热水温度要求较高的用户。
2.4 与水源热泵热水系统的比较。
水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。太阳能是取之不竭，用之不尽，不受当地水源条件和地质条件限制, 而且对自然环境几乎不造成影响, 因此太阳能热泵的应用范围更加广泛。
3. 太阳能热泵热水器的经济性分析
以青岛地区为例，按每人每天热水用量50L，一个三口之家每日每户用热水150L、（55℃）。年平均冷水温度为15℃.取太阳能热泵平均COP=4.5。一家三口日消耗热量为25200KJ，电能日消耗为5600KJ。
从表1看出，太阳能热泵热水器的运行费用最低，大约是电热水器、常规太阳能（电辅助）热水器运行费用的五分之一，燃气热水器费用的二分之一，比普通热泵热水器费用小些。
从表2可以看出，购买一台太阳能热泵热水器平均价格在4300元左右，而电热水器在2600元左右。从初投资的角度看，太阳能热泵热水器平均价格比电热水器平均价格高出1700元，但在系统运行期间，太阳能热泵热水器每年比电热水器节省1219元，所以太阳能热泵热水器在经过一年半的时间就能够把比电热水器多花费的额外初投资回收回来。从初投资和运行费用来看，太阳能热泵热水器最为经济。
4. 智能控制下的太阳能热泵热水系统
现代科学技术的飞速发展为智能控制技术提供了基础。所谓智能控制就是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。对许多复杂的系统，很难建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析。智能控制解决了大量的传统控制无法解决的实际控制问题。把智能技术引入太阳能热泵热水系统，从而使系统高效运行。由于太阳能热泵供热量受环境温度和太阳辐射变化影响很大，所以系统运行调节与外部参数变化的匹配就很关键。
采用智能化技术控制压缩机频率的方式就很好的解决这一问题。当环境温度变低或太阳辐射强度变弱时，太阳能热泵热水系统的温度传感器接受到这一信号并把其传给电脑，通过信号传输来减小压缩机的转速，从而减少压缩机制冷济循环量，实现压缩机的能量调节，反之亦然。这样就能够对压缩机的制冷量与太阳能集热器的吸热量进行有效的匹配，保证整个系统装置的高效、节能运行。由于系统有了智能控制技术的支持，性能系数明显提高。在智能控制技术下，很多复杂的系统问题都会得以很好的解决。
参考文献
［1］ 旷玉辉,王如竹.太阳能辅助热泵技术及其应用研究.太阳能学报.
［2］ 刘杰.太阳能—空气复合热源热泵机组的模拟研究.［硕士论文］.天津：天津建设学院，2008：6.
［3］ 葛听.太阳能热泵供暖系统优化分析.天津：天津大学机械学院,2005：38~40.
［4］ 孙振华.直膨式太阳能热泵热水器性能改进及实验研究.上海:上海交通大学，2008：29,38,41.
［5］ 赵宏等,太阳能热泵技术及其研究进展. 能源与环境，2008.
［6］ 杨建敏,戴源德,杜海存.太阳能热泵热水系统的研究及应用.太阳能学报,2008，4：29.
［7］ 王庆王，培红.太阳能热泵热水系统.上海节能，2008，8：13.
［8］ 徐国英，张小松，管振水.太阳能—空气复合热源热泵热水器的运行特性.南京：东南大学动力工程系.
［9］ 徐邦欲，陆亚俊，马最良.热泵.北京：中国建筑工业出版社, 2005：66.
［文章编号］1006-7619（2011）03-25-260
【关键词】太阳能热泵；特点比较；经济性分析；智能控制
Solar assisted heat pump system for heat water
Zhao Wen-jun.1,Liu Jie.1,Chen Ji-sheng.2
(1.Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033;
2.Qingdao Urban Planning and Design Research Institute Qingdao Shandong 266033 )
【Abstract】Describes the development of solar heat at home and abroad and solar heat pump system for hot water of classification. Comparison of solar heat pump hot water systems and other hot water system in the technical characteristics,and economic analysis of several kinds of water heater system,the results show that the solar heat pump hot water system in the coefficient of performance and economy are better than other systems.Solar heat pump hot water system with intelligent control method of compressor frequency,significantly improve the performance coefficient.
【Key words】Solar heat pump;Features Comparison;Economic Analysis;Intelligent Control
早在20世纪50年代，太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld等人就指出了太阳能热泵联合运行可以同时提高太阳能集热器的效率和热泵系统性能.［1］。随后，日本、美国，都曾利用无盖板的平板集热器与热泵系统结合, 设计了向建筑供热和供冷的直膨式太阳能热泵系统。但是由于效率较低、初投资较大等原因没有推广开来［2］。土耳其的研究人员对安装辅助装置的串联式太阳能热泵系统进行理论研究和实验分析, 得出了系统的COP值。瑞典、澳大利亚等发达国家也纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵系统进行深入的研究与开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范性工程，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。
在我国，太阳能热泵技术作为一种新兴的能源型产业，发展尚未成熟，但其环保、节能、高效的运行特点吸引了众多人的目光，国内的科学研究者纷纷对太阳能热泵进行研究和实验。天津大学的葛昕［3］对太阳能热泵供暖系统优化分析：一方面适当的增加蒸发面积，COP值可提高4.4~4.7，另一方面对太阳能集热器面积和水箱容积进行了有效匹配，集热器效率比以前提高6％。上海交通大学的孙振华［4］对直膨式太阳能热泵热水器进行研究，在改进集热器和有效调节压缩机频率后，6～7月份的整个实验过程中的平均COP为7.53，系统效率明显提高。青岛建筑工程学院［5］建立了串联式太阳能热泵供热系统实验台, 实验设计开发的平板型太阳能集热器平均集热效率高达67.2%。总体来说，我国的太阳能热泵技术还处在发展阶段，还需要在热力性能、结构形式、循环工质、控制方案等方面做进一步的研究。
1. 太阳能热泵热水系统
太阳能是地球上所有能量的主要来源，它以取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点日益受到人们的重视，但太阳能受到环境变化和太阳辐射强度变化的影响，存在着间接性和不稳定性的因素，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定程度的限制。空气源热泵技术也是洁净环保技术，它几乎不受时间和阴晴天气的影响，安装要求低，制热效率又比电热水器高，所以受到市场的广泛欢迎，但同时也存在着结霜和夏季高温压缩机容易损坏等问题，所以人们把目光集中在太阳能技术和热泵技术的结合上。通过理论分析和实验研究，太阳能热泵在系统在性能和集热效率方面都取得了很大进步。
太阳能作为太阳能热泵低温热源的系统称为太阳能热泵热水系统［6］。太阳能热泵热水系统涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域。根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式，一般可分为直膨式热水系统和非直膨式热水系统两大类。 直膨式太阳能热泵热水系统中，传热介质在集热器/蒸发器吸收太阳热量后蒸发，通过热泵循环将吸收的热量释放给被加热物体。直膨式太阳能热泵的吸热装置是太阳能集热器和热泵蒸发器的结合，这样既提高了蒸发温度又降低了集热温度，所以系统在集热效率和性能系数上都有了很大的提高，同时也改善了太阳能的间断性和热泵的结霜问题。在非直膨式热水系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器分离，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，使它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体［7］。非直膨式系统的最大优点是系统连续供热水受环境温度和太阳辐射变化影响不大。在太阳能辐射比较好的情况下，可以直接利用太阳能集热循环进行采暖或供热水，而不必启用热泵循环，使得系统运行比较经济；在太阳辐射条件较差的情况下，启用热泵循环来满足用热需求，这就有效避开了太阳能系统存在间歇性和不稳定性地问题。
2. 太阳能热泵与各种热水系统的比较
2.1 与太阳能热水系统比较。
在太阳能热泵系统中，直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热泵集热器中的制冷剂是两相吸收热量而太阳能热水系统是单相吸收热量，所以前者吸收热量的能力要比后者强。其次，太阳能热泵集热器的集热温度与环境温度接近，热量损失较小，而太阳能热水系统的热水管路温度高于周围环境，热损较大；非直膨式太阳能热泵热水系统与太阳能热水系统相比，太阳能热水系统遇到阴雨天时，集热效率急剧降低，无法满足用户需求，甚至不能工作，而非直膨式太阳能热泵热水系统可以单独使用热泵系统来弥补由于天气状况引起的太阳能热水系统间歇性问题。
2.2 与空气源热泵热水系统比较。
空气作为低位热源，取之不尽，无偿获取，与太阳能有相同的节能环保特性。空气源热泵装置具备节能环保、安全可靠、系统设备简约、占地少、使用灵活、一次性投资低的特点，但空气源热泵容量和制热性能系数受室外空气状态参数和环境变化的影响很大，这就造成空气源热泵供热量与建筑物耗热量之间的供需矛盾，并且在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵效率会大大降低。当室外温度降低越大，空气源热泵性能系数降低越大，甚至会造成结霜。太阳能热泵热水系统在太阳辐射条件良好的情况下可以获得比空气源热泵热水系统更高的蒸发温度, 即具有更高的性能系数。例如，南京气象条件下，全年不同工况太阳能热泵热水系统生产50℃热水运行性能。夏季晴天COP=5.64，冬季晴天COP=3.61，冬季阴雨天COP=2.45，而普通热泵的性能系数平均在2.9左右［8］。从以上数据我们可以看出，只有在最差的冬季阴雨天时太阳能热泵的性能系数低于空气源热泵，其它时间太阳能热泵性能系数比其高出1.5左右。
2.3 与地源热泵热水系统的比较。
土壤同样是热泵的一种良好的低温热源，它像空气一样，到处都有。土壤一年四季温度变化不大，并具有一定蓄能作用 ［9］，但土壤的导热系数小，即工质与土壤之间换热强度小，所以需要增大埋在土壤里盘管的换热面积，这样地源热泵的初投资就会增加而且估算困难，而对于太阳能热泵热水系统来说，其初投资远小于地源热泵热水系统 ［9］。土壤源热泵在运行过程中出现故障时，维修困难（如地下盘管漏），太阳能热泵维修相对简便。更重要是在实际工程中，地源（地下水）热泵热水温度最高为55℃，这很难满足对热水温度要求较高的用户。
2.4 与水源热泵热水系统的比较。
水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。太阳能是取之不竭，用之不尽，不受当地水源条件和地质条件限制, 而且对自然环境几乎不造成影响, 因此太阳能热泵的应用范围更加广泛。
3. 太阳能热泵热水器的经济性分析
以青岛地区为例，按每人每天热水用量50L，一个三口之家每日每户用热水150L、（55℃）。年平均冷水温度为15℃.取太阳能热泵平均COP=4.5。一家三口日消耗热量为25200KJ，电能日消耗为5600KJ。
从表1看出，太阳能热泵热水器的运行费用最低，大约是电热水器、常规太阳能（电辅助）热水器运行费用的五分之一，燃气热水器费用的二分之一，比普通热泵热水器费用小些。
从表2可以看出，购买一台太阳能热泵热水器平均价格在4300元左右，而电热水器在2600元左右。从初投资的角度看，太阳能热泵热水器平均价格比电热水器平均价格高出1700元，但在系统运行期间，太阳能热泵热水器每年比电热水器节省1219元，所以太阳能热泵热水器在经过一年半的时间就能够把比电热水器多花费的额外初投资回收回来。从初投资和运行费用来看，太阳能热泵热水器最为经济。
4. 智能控制下的太阳能热泵热水系统
现代科学技术的飞速发展为智能控制技术提供了基础。所谓智能控制就是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。对许多复杂的系统，很难建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析。智能控制解决了大量的传统控制无法解决的实际控制问题。把智能技术引入太阳能热泵热水系统，从而使系统高效运行。由于太阳能热泵供热量受环境温度和太阳辐射变化影响很大，所以系统运行调节与外部参数变化的匹配就很关键。
采用智能化技术控制压缩机频率的方式就很好的解决这一问题。当环境温度变低或太阳辐射强度变弱时，太阳能热泵热水系统的温度传感器接受到这一信号并把其传给电脑，通过信号传输来减小压缩机的转速，从而减少压缩机制冷济循环量，实现压缩机的能量调节，反之亦然。这样就能够对压缩机的制冷量与太阳能集热器的吸热量进行有效的匹配，保证整个系统装置的高效、节能运行。由于系统有了智能控制技术的支持，性能系数明显提高。在智能控制技术下，很多复杂的系统问题都会得以很好的解决。
参考文献
［1］ 旷玉辉,王如竹.太阳能辅助热泵技术及其应用研究.太阳能学报.
［2］ 刘杰.太阳能—空气复合热源热泵机组的模拟研究.［硕士论文］.天津：天津建设学院，2008：6.
［3］ 葛听.太阳能热泵供暖系统优化分析.天津：天津大学机械学院,2005：38~40.
［4］ 孙振华.直膨式太阳能热泵热水器性能改进及实验研究.上海:上海交通大学，2008：29,38,41.
［5］ 赵宏等,太阳能热泵技术及其研究进展. 能源与环境，2008.
［6］ 杨建敏,戴源德,杜海存.太阳能热泵热水系统的研究及应用.太阳能学报,2008，4：29.
［7］ 王庆王，培红.太阳能热泵热水系统.上海节能，2008，8：13.
［8］ 徐国英，张小松，管振水.太阳能—空气复合热源热泵热水器的运行特性.南京：东南大学动力工程系.
［9］ 徐邦欲，陆亚俊，马最良.热泵.北京：中国建筑工业出版社, 2005：66.
［文章编号］1006-7619（2011）03-25-260