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【摘 要】随着高层建筑广泛出现，分体壁挂太阳能热水系统效率低下等问题，本文提出一种小型太阳能热泵热水系统，将太阳能与热泵相结合，与建筑一体化相结合，充分利用绿色能源，降低能耗。
0 引言
随着社会的进步，现代城市大多以多层和高层住宅为主，屋顶空间正变得越来越相对狭窄，不能满足所有的住户都安装使用太阳能的需要，而楼顶上各种型号和品牌的热水器杂乱摆放所造成的视觉污染，也往往为物业部门所诟病。分体壁挂式太阳能热水器应运而生，但分体壁挂式太阳能又存在安装复杂、集热效率低、耗电量大等种种不足，难以满足用户需求。基于此，提出一套太阳能热泵热水器系统，将分体太阳能与热泵系统相结合，提高太阳能集热效率，热泵COP值，满足用户需求。
1 太阳能热泵概述
1.1 太阳能热泵概述
进入21世纪，随着能源和环境问题的日趋严峻，各国又加大了对热泵技术的研究力度，使得太阳能辅助的快速发展和对能源问题的逐步重视，它们已经成为了推动太阳能辅助热泵技术继续向热泵技术又迎来了新一轮的发展机遇。
1.2 太阳能热泵原理
根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。在直膨式系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体，如图1所示。在非直膨式系统中，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。根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式，分别如图2、3、4所示。
2 小型太阳能热泵系统
2.1 系统组成
太阳能热泵热水系统原理图如图5所示，属于直膨式太阳能热泵。太阳能热泵热水系统由太阳能热泵机组、电子控制系统两部分组成，充分利用空气热源和太阳能绿色新能源，实现家庭全年生活热水。
太阳能热泵机组主要由压缩机C、四通换向阀F、气液分离器、室外热交换器E、毛细管J1、消声器、过滤器、水箱换热器E2、减压阀、以及各种电磁阀组成；水箱采用承压水箱。将传统的室外机与水箱结合设计为一体，解决冬季COP降低以及安装不方便等问题。
本系统中，集热器选用集热器性能高，承压效果好的U形管集热器，面积1.7m2，压缩机选用1P机。
2.2 工作原理
太阳能热泵热水系统将传统分体太阳能热水器自然循环与热泵循环有机结合，分为四种工作模式，分别为自然循环、太阳能热泵循环、太阳能+室外机热泵循环、室外机热泵循环方式。
（1）自然循环方式
在夏季阳光充足时充分利用太阳能资源，利用U形管集热器集热效率高的优势，通过U形管集热器将制冷剂工质加热气化，在水箱冷凝盘管中放热，用于制取热水。此模式对太阳能辐射强度要求较高，效率较低。其循环路线为太阳能集热器J1→Vd3→蓄热水箱换热器→毛细管→太阳能集热器J1。
（2）太阳能热泵循环
JSolar→Vd2→减压阀→四通换向阀F→气液分离器→压缩机C→四通换向阀F→水箱换热器E2→毛细管J2→JSolar
太阳能集热器JSolar吸收太阳能热量，加热制冷剂工质，将制冷剂工质右液体转换成制冷剂气体，经电磁阀Vd2，减压阀，四通换向阀进入压缩机C，经压缩机C转换为高温高压制冷剂气体，经水箱换热器在水箱内放热，制冷剂变为气液两相态，再经过毛细管J2节流降压，转换成低温低压液态制冷剂工质，重新回到太阳能集热器中，从而完成一个循环。
（3）太阳能+室外换热器循环
此循环包括两种有效吸热，一为太阳能集热器吸热，另一为室外机换热器吸热，太阳能集热器与室外机换热器都相当于蒸发器，吸收热量将制冷剂工质加热为气态，由于JSolar吸热效果好，故添加减压阀，使其压力与室外机换热器压力相似，达到共同压力送往压缩机C，经压缩机C后转换为高温高压制冷剂气体，经水箱换热器换热，提升水温，转化为低温高压的制冷制气体，经毛细管J1，J2节流后变为低温低压液态制冷剂重新回到室外机换热器与太阳能集热器中，完成整个循环。
（4）室外机换热器热泵循环
室外机换热器热泵循环为传统热泵循环，采用换热器吸热，在压缩机中变为高温高压制冷剂工质，在水箱冷凝器中放热，通过毛细管节流变为常温常压制冷剂工质，回到换热器。其流动路线为E1→四通换向阀F→气液分离器→压缩机C→四通换向阀F→水箱换热器E2→Vd1→E1。
2.3 控制系统
太阳能热泵热水控制系统将光热光电融合为一体，通过在太阳能集热器上设置太阳能电池板，用于粗略检测太阳关照强度，根据太阳光照强度不同及检测到的太阳能集热器的出口温度、压缩机温度压力来选择自然循环、太阳能热泵循环、太阳能+蒸发器热泵循环、蒸发器热泵循环模式来制取热水。通过选择运行模式，充分利用太阳能，达到节能，使用更加经济，降低了使用成本。
3 太阳能热泵热水器经济性分析
太阳能热泵热水无论作为单独使用还是作为太阳热水器的辅助热源配套使用， 都具有节能和环保的优势。太阳能热泵热水器的设备初投资虽然比电热水器和煤气热水器要高一些， 但运行费用比电热水器节省2/3， 初投资4 年左右即可收回。见表1。
4 结论
太阳能热泵热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在我国大部分冬冷夏热地区，太阳能热泵中央热水系统也可与建筑物采暖空调系统结合，发挥最大的节能作用。
参考文献：
[1]. 旷玉辉.直膨式太阳能热泵空调及热水系统的研究. 上海交通大学博士学位论文. 2004.9.
[2]. 赵军， 马一太. 太阳能热泵供热水系统的实验研究. 太阳能学报， 1993， 14（4）： 306-310.
0 引言
随着社会的进步，现代城市大多以多层和高层住宅为主，屋顶空间正变得越来越相对狭窄，不能满足所有的住户都安装使用太阳能的需要，而楼顶上各种型号和品牌的热水器杂乱摆放所造成的视觉污染，也往往为物业部门所诟病。分体壁挂式太阳能热水器应运而生，但分体壁挂式太阳能又存在安装复杂、集热效率低、耗电量大等种种不足，难以满足用户需求。基于此，提出一套太阳能热泵热水器系统，将分体太阳能与热泵系统相结合，提高太阳能集热效率，热泵COP值，满足用户需求。
1 太阳能热泵概述
1.1 太阳能热泵概述
进入21世纪，随着能源和环境问题的日趋严峻，各国又加大了对热泵技术的研究力度，使得太阳能辅助的快速发展和对能源问题的逐步重视，它们已经成为了推动太阳能辅助热泵技术继续向热泵技术又迎来了新一轮的发展机遇。
1.2 太阳能热泵原理
根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。在直膨式系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体，如图1所示。在非直膨式系统中，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。根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式，分别如图2、3、4所示。
2 小型太阳能热泵系统
2.1 系统组成
太阳能热泵热水系统原理图如图5所示，属于直膨式太阳能热泵。太阳能热泵热水系统由太阳能热泵机组、电子控制系统两部分组成，充分利用空气热源和太阳能绿色新能源，实现家庭全年生活热水。
太阳能热泵机组主要由压缩机C、四通换向阀F、气液分离器、室外热交换器E、毛细管J1、消声器、过滤器、水箱换热器E2、减压阀、以及各种电磁阀组成；水箱采用承压水箱。将传统的室外机与水箱结合设计为一体，解决冬季COP降低以及安装不方便等问题。
本系统中，集热器选用集热器性能高，承压效果好的U形管集热器，面积1.7m2，压缩机选用1P机。
2.2 工作原理
太阳能热泵热水系统将传统分体太阳能热水器自然循环与热泵循环有机结合，分为四种工作模式，分别为自然循环、太阳能热泵循环、太阳能+室外机热泵循环、室外机热泵循环方式。
（1）自然循环方式
在夏季阳光充足时充分利用太阳能资源，利用U形管集热器集热效率高的优势，通过U形管集热器将制冷剂工质加热气化，在水箱冷凝盘管中放热，用于制取热水。此模式对太阳能辐射强度要求较高，效率较低。其循环路线为太阳能集热器J1→Vd3→蓄热水箱换热器→毛细管→太阳能集热器J1。
（2）太阳能热泵循环
JSolar→Vd2→减压阀→四通换向阀F→气液分离器→压缩机C→四通换向阀F→水箱换热器E2→毛细管J2→JSolar
太阳能集热器JSolar吸收太阳能热量，加热制冷剂工质，将制冷剂工质右液体转换成制冷剂气体，经电磁阀Vd2，减压阀，四通换向阀进入压缩机C，经压缩机C转换为高温高压制冷剂气体，经水箱换热器在水箱内放热，制冷剂变为气液两相态，再经过毛细管J2节流降压，转换成低温低压液态制冷剂工质，重新回到太阳能集热器中，从而完成一个循环。
（3）太阳能+室外换热器循环
此循环包括两种有效吸热，一为太阳能集热器吸热，另一为室外机换热器吸热，太阳能集热器与室外机换热器都相当于蒸发器，吸收热量将制冷剂工质加热为气态，由于JSolar吸热效果好，故添加减压阀，使其压力与室外机换热器压力相似，达到共同压力送往压缩机C，经压缩机C后转换为高温高压制冷剂气体，经水箱换热器换热，提升水温，转化为低温高压的制冷制气体，经毛细管J1，J2节流后变为低温低压液态制冷剂重新回到室外机换热器与太阳能集热器中，完成整个循环。
（4）室外机换热器热泵循环
室外机换热器热泵循环为传统热泵循环，采用换热器吸热，在压缩机中变为高温高压制冷剂工质，在水箱冷凝器中放热，通过毛细管节流变为常温常压制冷剂工质，回到换热器。其流动路线为E1→四通换向阀F→气液分离器→压缩机C→四通换向阀F→水箱换热器E2→Vd1→E1。
2.3 控制系统
太阳能热泵热水控制系统将光热光电融合为一体，通过在太阳能集热器上设置太阳能电池板，用于粗略检测太阳关照强度，根据太阳光照强度不同及检测到的太阳能集热器的出口温度、压缩机温度压力来选择自然循环、太阳能热泵循环、太阳能+蒸发器热泵循环、蒸发器热泵循环模式来制取热水。通过选择运行模式，充分利用太阳能，达到节能，使用更加经济，降低了使用成本。
3 太阳能热泵热水器经济性分析
太阳能热泵热水无论作为单独使用还是作为太阳热水器的辅助热源配套使用， 都具有节能和环保的优势。太阳能热泵热水器的设备初投资虽然比电热水器和煤气热水器要高一些， 但运行费用比电热水器节省2/3， 初投资4 年左右即可收回。见表1。
4 结论
太阳能热泵热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在我国大部分冬冷夏热地区，太阳能热泵中央热水系统也可与建筑物采暖空调系统结合，发挥最大的节能作用。
参考文献：
[1]. 旷玉辉.直膨式太阳能热泵空调及热水系统的研究. 上海交通大学博士学位论文. 2004.9.
[2]. 赵军， 马一太. 太阳能热泵供热水系统的实验研究. 太阳能学报， 1993， 14（4）： 306-310.