收稿日期：2021-12-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51776226）

通信作者：劉益才（1968—），男，博士、教授，主要從事太陽能利用方面的研究。lyccsu@csu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1521 文章編號：0254-0096（2023）04-0506-10

摘 要：采用不同用途及配置形式相結(jié)合的分類方法對太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分類，指出不同形式太陽能熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)、當(dāng)前研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，分析環(huán)境及運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)熱力性能的影響。通過文獻(xiàn)綜述發(fā)現(xiàn)，在一定運(yùn)行工況下，直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）值可達(dá)9.40以上，非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)COP值可達(dá)8.80以上。提出太陽能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與研究應(yīng)從能耗與效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、運(yùn)行與操控等方面著手，朝更加高效經(jīng)濟(jì)、節(jié)能可靠的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：太陽能熱泵；配置形式；供暖；生活熱水；干燥

中圖分類號：TK519"" """""""""""" """"""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

太陽能熱泵（solar assisted heat pump，SAHP）技術(shù)同時(shí)具備有效利用可再生能源和高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，是一種符合未來建筑采暖、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)、生活熱水制備、食品藥品烘干等方面節(jié)能減排發(fā)展方向的新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，其推廣應(yīng)用對有效利用可再生能源、改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、減少碳排放等具有極為重要的意義。隨著大量研究人員從不同方面開展研究工作，分析并總結(jié)前人在該領(lǐng)域的研究成果是非常有必要的。本文主要關(guān)注近20年來對太陽能熱泵技術(shù)發(fā)展具有重要意義的工作，從以往相關(guān)研究中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以期為太陽能熱泵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供可借鑒之處。采用多種分類方式相結(jié)合的分類方法對太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分類，并通過文獻(xiàn)綜述，指出不同配置形式太陽能熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)及當(dāng)前研究現(xiàn)狀，分析環(huán)境參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)熱力性能的影響，指出太陽能熱泵系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

1 太陽能熱泵系統(tǒng)的分類

根據(jù)不同的分類方式，太陽能熱泵系統(tǒng)可分為如圖1所示的不同類型。按照用途，太陽能熱泵系統(tǒng)可分為4類：用于建筑采暖的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)、用于生活熱水制備的太陽能熱泵熱水系統(tǒng)、用于食品藥品等烘干的太陽能熱泵干燥系統(tǒng)以及可實(shí)現(xiàn)多種功能的太陽能熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)。太陽能熱泵供暖系統(tǒng)根據(jù)其末端裝置的不同形式，可分為風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)、散熱器供暖系統(tǒng)和地板輻射供暖系統(tǒng)［1］。在文獻(xiàn)［2-3］中，通常按不同配置形式對太陽能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分類，即按照熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器與太陽能集熱器的結(jié)合形式，分為直膨式太陽能熱泵（direct expansion solar assisted heat pump，DX-SAHP）系統(tǒng)和非直膨式太陽能熱泵（indirect expansion solar assisted heat pump，IDX-SAHP）系統(tǒng)兩種類型。按照熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行方式，IDX-SAHP系統(tǒng)可進(jìn)一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式（雙熱源式）3種形式。

隨著太陽能熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，形式也越來越多樣化。綜合以上分類方式，基于不同配置形式并結(jié)合其用途，將太陽能熱泵系統(tǒng)分為如圖2所示的16種類型，即DX-SAHP供暖系統(tǒng)；DX-SAHP熱水系統(tǒng)；DX-SAHP干燥系統(tǒng)；DX-SAHP復(fù)合供熱系統(tǒng)；串、并、混聯(lián)式IDX-SAHP供暖系統(tǒng)；串、并、混聯(lián)式IDX-SAHP熱水系統(tǒng)；串、并、混聯(lián)式IDX-SAHP干燥系統(tǒng)；串、并、混聯(lián)式IDX-SAHP復(fù)合供熱系統(tǒng)。

2 太陽能熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

率先開展太陽能熱泵系統(tǒng)研究工作的是太陽能熱利用技術(shù)研究者Jordan和Threkeld，他們早在20世紀(jì)50年代就指出太陽能熱泵系統(tǒng)的優(yōu)越性：既可克服太陽能低密度和不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，又可彌補(bǔ)熱泵系統(tǒng)在低溫工況運(yùn)行效率低下等不足，可同時(shí)有效提高太陽能集熱器集熱效率和熱泵系統(tǒng)熱力性能［4］。1955年，為進(jìn)一步提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能，美國的研究者Sporn與Ambrose通過實(shí)驗(yàn)首次提出DX-SAHP系統(tǒng)這一概念［5］。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的能源危機(jī)引起了人們對能源供應(yīng)安全的高度重視，太陽能熱泵系統(tǒng)因其具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢引起了各國研究工作者的極大興趣，紛紛加入對各種配置形式太陽能熱泵系統(tǒng)理論與實(shí)踐探索的隊(duì)伍，在世界各地開展實(shí)施太陽能熱泵供熱系統(tǒng)工程，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［6］。

國內(nèi)對太陽能熱泵系統(tǒng)的研究相對于國外起步較晚，可查得的相關(guān)文獻(xiàn)資料均在近40年內(nèi)，但也積累了大量可喜的研究成果。隨著中國政府“雙碳”目標(biāo)的提出，以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)日顯弊端，可在一定程度上促進(jìn)各項(xiàng)可再生能源產(chǎn)業(yè)與節(jié)能環(huán)保技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的提升，推動太陽能熱泵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

近年來，各國研究者從優(yōu)化系統(tǒng)配置形式及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)、分析各環(huán)境及運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)性能影響、提高系統(tǒng)性價(jià)比等方面對各種形式太陽能熱泵系統(tǒng)展開研究，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)熱力性能以及對變化氣候條件的適應(yīng)性，獲得了大量的研究成果。

2.1 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

DX-SAHP系統(tǒng)成本相對較低、流程便捷、結(jié)構(gòu)緊湊，該種系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)可通過太陽能集熱蒸發(fā)器（或稱集熱蒸發(fā)器）吸收太陽輻射熱能膨脹蒸發(fā)，但由于太陽能本身具有不穩(wěn)定性，系統(tǒng)在不同地區(qū)運(yùn)行時(shí)的熱力性能差異較大，更適用于太陽能資源富足的地區(qū)；該種系統(tǒng)缺少中間換熱器及蓄熱水箱等部件的熱緩沖作用，其運(yùn)行工況隨太陽輻照度變化，從而引起制冷劑流量、熱力膨脹閥開度及系統(tǒng)供熱性能波動較大，運(yùn)行穩(wěn)定性較差［7］。將DX-SAHP系統(tǒng)用于采暖時(shí)，因其制熱性能不穩(wěn)定而熱舒適性不佳，但將其用于生活熱水制備則能產(chǎn)生較好的制熱效果［8］。

目前對DX-SAHP系統(tǒng)的研究主要從實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬兩方面開展，分析太陽輻照度、環(huán)境溫度、相對濕度、集熱蒸發(fā)器面積、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄熱水箱容積等對系統(tǒng)性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）和集熱效率的影響。表1對有關(guān)DX-SAHP系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義的研究工作進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，結(jié)果表明：在環(huán)境溫度高于22 ℃、太陽輻照度大于650 W/m2的運(yùn)行工況下，DX-SAHP系統(tǒng)COP值最高可達(dá)9.40以上，表現(xiàn)出優(yōu)良的熱力性能。

對于結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的DX-SAHP系統(tǒng)，實(shí)際工作條件下的運(yùn)行性能受當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的影響較大，當(dāng)環(huán)境參數(shù)呈現(xiàn)較大波動時(shí)，其供熱性能往往難以維持穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)制熱能力大幅下降。為使DX-SAHP系統(tǒng)在多變的工況條件下仍能保持壓縮機(jī)容量與集熱蒸發(fā)器負(fù)荷相匹配，提升系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況下的熱力性能，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行，必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、合理優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)室外環(huán)境參數(shù)非線性變化［9］。Hawlader等是首批對充注R134a制冷劑的DX-SAHP系統(tǒng)展開研究的先驅(qū)，他們搭建的太陽能熱泵熱水系統(tǒng)采用變頻壓縮機(jī)，在新加坡典型氣候條件下對系統(tǒng)進(jìn)行分析建模與實(shí)驗(yàn)研究，分析了集熱蒸發(fā)器面積、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、太陽輻照度及蓄熱水箱容積對系統(tǒng)熱力性能的影響。當(dāng)蓄熱水箱水溫為30～50 ℃時(shí)，系統(tǒng)平均COP為4.00～9.00，集熱蒸發(fā)器集熱效率為40%～70%［10］。在李郁武等［11］的研究中，通過對兩種DX-SAHP熱水系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，提出一種集熱蒸發(fā)器優(yōu)化方案，并提議在系統(tǒng)中采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥以使集熱蒸發(fā)器負(fù)荷與壓縮

機(jī)容量相匹配。通過電子膨脹閥開度及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的自動反饋調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)內(nèi)制冷劑工質(zhì)循環(huán)流量，即使在太陽輻照度、環(huán)境溫度等參數(shù)發(fā)生劇烈變化時(shí)，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度仍能維持在合適的范圍，力求保證系統(tǒng)供熱性能、系統(tǒng)[COP]和集熱效率維持在較高水平。

孫譽(yù)桐等［21］設(shè)計(jì)了一種采用相變儲能方式的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是在常規(guī)DX-SAHP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加翅片管式蒸發(fā)器與太陽能集熱蒸發(fā)器并聯(lián)，二者可交替作為熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器運(yùn)行。采用自主設(shè)計(jì)的相變儲能冷凝器與地板耦合，構(gòu)成低溫地板輻射供暖末端裝置，一方面可改善系統(tǒng)制熱量和房間熱負(fù)荷之間的不平衡關(guān)系，將白天產(chǎn)生的滿足熱負(fù)荷后多余的熱量儲存起來在夜間釋放對房間供暖，太陽能利用效率提高；另一方面可作為緩沖熱源，充當(dāng)熱泵機(jī)組逆向運(yùn)行時(shí)的低溫?zé)嵩磳φ舭l(fā)器進(jìn)行除霜，可使單一空氣源熱泵制熱模式快速恢復(fù)供暖，從而使得房間熱舒適性提高。在石家莊地區(qū)，通過與燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t以及電鍋爐等對比分析，盡管該系統(tǒng)初投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用較低，系統(tǒng)[COP]比采用蓄熱水箱的供暖系統(tǒng)提高23.9%，最大值可達(dá)5.20，具有明顯的節(jié)能環(huán)保效益，符合中國北方地區(qū)煤改電政策要求。

董旭等［14］提出的采用R407C制冷劑工質(zhì)的太陽能集成空氣源熱泵（solar integrated air source heat pump，SIASHP）無水地板輻射供暖系統(tǒng)（如圖3所示），本質(zhì)上是一種DX-SAHP供暖系統(tǒng)。在翅片管式蒸發(fā)器外表面噴涂太陽能選擇性吸收涂層（太陽能吸收比0.94～0.96，發(fā)射比0.08～0.11），構(gòu)成圖3中的翅片管集熱蒸發(fā)器，同時(shí)在該翅片管集熱蒸發(fā)器旁加裝風(fēng)機(jī)，增強(qiáng)與周圍空氣的對流換熱，有助于高效吸收空氣中低品位熱能。在相同工況下，提出的SIASHP系統(tǒng)性能優(yōu)于普通空氣源熱泵系統(tǒng)，平均[COP]從2.41提高至2.55， 效率提高7.9%，平均供熱功率增加331.74 W。

朱明燕等［15］構(gòu)建了DX-SAHP熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，在環(huán)境溫度為22.0～32.1 ℃，太陽輻照度為143.12～664.60 W/m2的測試條件下，分別采用3種不同耦合形式的集熱蒸發(fā)器（即玻璃蓋板式集熱蒸發(fā)器單獨(dú)運(yùn)行、裸板式集熱蒸發(fā)器單獨(dú)運(yùn)行以及二者同時(shí)運(yùn)行）對系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明該系統(tǒng)在各種天氣條件下運(yùn)行時(shí)熱力性能均穩(wěn)定可靠，可全天候制備45 ℃的生活熱水，系統(tǒng)[COP]范圍為2.49～3.47，具有一定的節(jié)能效益。此外，選取兩種集熱蒸發(fā)器同時(shí)運(yùn)行時(shí)的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比研究了太陽輻照度對該DX-SAHP熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，得出的結(jié)果與文獻(xiàn)［12］一致（如圖4所示），即系統(tǒng)[COP]與太陽輻照度成正相關(guān)關(guān)系，太陽輻照度越大，系統(tǒng)[COP]越高；集熱蒸發(fā)器集熱效率與太陽輻照度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，太陽輻照度越大，集熱蒸發(fā)器集熱效率越低。

DX-SAHP hot water system［12］

單寶琦等［16］在濟(jì)南地區(qū)搭建了蓄熱水箱容積為150 L的家用DX-SAHP熱水系統(tǒng)，在2019年5—10月份的典型日，對家用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與該系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明后者的平均[COP]較前者提高33.2%，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。王柏公等［17］通過在原有實(shí)驗(yàn)裝置的冷凝器出口增設(shè)節(jié)流閥和儲液器，在青島地區(qū)搭建了可控制制冷劑過冷度的DX-SAHP系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的準(zhǔn)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，開創(chuàng)性地分析了過冷度對系統(tǒng)熱力性能的影響。仿真結(jié)果表明：隨著過冷度的增加，系統(tǒng)單位制熱量和單位功耗均增加，[COP]先增大后減小，過冷度維持在4 K左右時(shí)，系統(tǒng)[COP]可達(dá)到最大值。在過冷度較低時(shí)，其變化對單位制熱量的影響較大；而在過冷度較高時(shí)，單位功耗隨過冷度的變化較明顯；將過冷度控制在2～5 K范圍內(nèi)，DX-SAHP系統(tǒng)可獲得相對較高的[COP]值（如圖5所示）。在4個(gè)典型日將新系統(tǒng)的仿真結(jié)果與原系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)（過冷度控制在4 K）單位功耗明顯降低，[COP]分別提高9.13%、14.35%、9.42%、5.73%，具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

2.2 非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

IDX-SAHP系統(tǒng)具有配置多樣、布置靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可通過控制不同閥門的通斷完成多種制熱模式之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，滿足全年生活熱水供應(yīng)及冬季供暖、夏季制冷的需要。目前主要通過實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等方法，從優(yōu)化系統(tǒng)配置形式、優(yōu)化關(guān)鍵部件（如太陽能集熱器）結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)性價(jià)比等方面對IDX-SAHP系統(tǒng)展開研究，以期進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱力性能以及對變化氣候條件的適應(yīng)性。表2對有關(guān)IDX-SAHP系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義的研究工作進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，結(jié)果表明：系統(tǒng)性能受環(huán)境溫度和太陽輻照度的影響較大，在環(huán)境溫度高于14 ℃、太陽輻照度大于850 W/m2的運(yùn)行工況下，IDX-SAHP系統(tǒng)[COP]值最高可達(dá)8.80以上。

盡管并聯(lián)式IDX-SAHP系統(tǒng)可同時(shí)或交替利用太陽能和環(huán)境空氣中低品位熱能作為低溫?zé)嵩?，但其性能在某些條件下會降低，甚至比串聯(lián)式系統(tǒng)還要低。許多研究者對并聯(lián)式系統(tǒng)與串聯(lián)式系統(tǒng)進(jìn)行了對比研究。Tzivanidis等［22］在雅典地區(qū)最大太陽輻照度600 W/m2及環(huán)境溫度1.85～8.75 ℃條件下，比較了串聯(lián)式和并聯(lián)式IDX-SAHP供暖系統(tǒng)以及空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的性能。利用TRNSYS軟件，對系統(tǒng)熱負(fù)荷最大的1月份進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：串聯(lián)式系統(tǒng)平均[COP]為5.15（最大值為5.60），性能優(yōu)于并聯(lián)式系統(tǒng)（平均[COP]為3.24）。這是因?yàn)樵谏鲜霏h(huán)境條件下，串聯(lián)式系統(tǒng)水源熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度高于并聯(lián)式系統(tǒng)單一空氣源熱泵制熱模式下的空氣源熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度。此外，文獻(xiàn)［22］中還提出與串聯(lián)式IDX-SAHP系統(tǒng)面積為25 m2的平板型太陽能集熱器匹配的最佳蓄熱水箱容積為1.0 m3。

郇超等［23］在西安地區(qū)搭建了一種混聯(lián)式IDX-SAHP供暖系統(tǒng)，研究表明：在太陽輻照度低于580 W/m2，不足以滿足太陽能直接供熱模式時(shí)，串聯(lián)式系統(tǒng)水源熱泵連續(xù)運(yùn)行比并聯(lián)式系統(tǒng)太陽能直接供熱模式和單一空氣源熱泵制熱模式間歇運(yùn)行具有更好的性能；在平均環(huán)境溫度為13 ℃，蓄熱水箱設(shè)定溫度為50 ℃條件下，日最大太陽輻照度從580 W/m2升高至840 W/m2時(shí)，系統(tǒng)[COP]從3.86升高至8.84。在他們的另一項(xiàng)研究中［24］，以某高校浴室的太陽能熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)為研究對象，利用TRNSYS軟件建立數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)分別對水源熱泵、空氣源熱泵和真空管型太陽能集熱器等模

塊進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫蜌庀髤?shù)，利用驗(yàn)證后的模型，對串聯(lián)式和并聯(lián)式IDX-SAHP熱水系統(tǒng)在不同季節(jié)以及全年的運(yùn)行[COP]、供熱能力和能耗進(jìn)行對比分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出如下結(jié)論：1）在年度運(yùn)行中，相同熱負(fù)荷條件下，串聯(lián)式系統(tǒng)平均[COP]為3.23，并聯(lián)式系統(tǒng)平均[COP]為4.34，且并聯(lián)式系統(tǒng)能耗低于串聯(lián)式系統(tǒng)，表現(xiàn)出更佳的熱力性能，更適合在西安地區(qū)推廣；2）在太陽輻照度和環(huán)境溫度相對較高的夏季和過渡季節(jié)，由于太陽能集熱系統(tǒng)可提供絕大部分熱負(fù)荷，且能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣源熱泵與水源熱泵，并聯(lián)式系統(tǒng)表現(xiàn)出更大的節(jié)能優(yōu)勢；3）在冬季氣候條件下，并聯(lián)式系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要由空氣源熱泵提供，而冬季太陽輻照度和環(huán)境溫度都相對較低，空氣源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能都會下降，使得系統(tǒng)能耗明顯增加、能效比降低；而串聯(lián)式系統(tǒng)由于蓄熱水箱內(nèi)介質(zhì)溫度相對恒定且高于環(huán)境溫度，為水源熱泵循環(huán)提供了一個(gè)高于空氣源熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度，保證了串聯(lián)式系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，表現(xiàn)出更高的熱力性能。

Anvar和Mexriya［31］提出并搭建了一種基于光伏發(fā)電的非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)（如圖6所示），可用于為建筑供應(yīng)冷熱負(fù)荷及低溫?zé)崴?，該系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、光伏系統(tǒng)、相應(yīng)的管路系統(tǒng)及自動控制裝置等組成。太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，二者通過各自不凍液循環(huán)回路的中間換熱器耦合在蓄熱水箱中，而蓄熱水箱可通過熱水供應(yīng)系統(tǒng)向用戶提供55 ℃的生活熱水。其中，熱泵機(jī)組壓縮機(jī)可有效利用光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能而無需外部能量輸入，配備的自動控制裝置可優(yōu)化監(jiān)控、控制過程以及各循環(huán)回路之間的熱負(fù)荷分配，確保可靠性的同時(shí)具有高能效，可用作房間空調(diào)器、生活熱水器、用于工業(yè)供熱或冷卻設(shè)備等多種用途。在烏茲別克斯坦塔什干地區(qū)搭建系統(tǒng)，并對幾種供熱方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自給自足的電能供應(yīng)，無需外部能量輸入，運(yùn)行成本幾乎為零，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

Panaras等［25，32］提出一種經(jīng)過驗(yàn)證的并聯(lián)式IDX-SAHP生活熱水系統(tǒng)理論模型，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在雅典地區(qū)典型氣候條件下[COP]范圍為2.89～3.59，與傳統(tǒng)電熱水器或燃?xì)鉄崴飨啾仍撓到y(tǒng)的節(jié)能率可達(dá)70%。韓瑋等［26］搭建了一套并聯(lián)式IDX-SAHP供暖系統(tǒng)，末端裝置采用地?zé)岜P管的形式，在上海地區(qū)冬季典型日對該系統(tǒng)的供暖特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，引入主觀熱環(huán)境評價(jià)指標(biāo)預(yù)期平均評價(jià)（predicted mean vote，PMV）和預(yù)期不滿意百分比（predicted percentage of dissatisfied，PPD）作為人體熱舒適性的判斷依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)開啟熱泵循環(huán)后，室內(nèi)溫度可維持在20 ℃以上，能滿足房間采暖要求，熱舒適性能良好。通過經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性分析，得出該系統(tǒng)相比于房間空調(diào)器等傳統(tǒng)采暖方式更經(jīng)濟(jì)節(jié)能的結(jié)論，并指出該太陽能熱泵供暖系統(tǒng)在長三角地區(qū)具有一定的可行性。

冉思源等［33］提出一種采用新型除霜方法的混聯(lián)式IDX-SAHP供暖系統(tǒng)，在低溫高濕條件下運(yùn)行時(shí)，部分來自蓄熱水箱的熱量通過板式換熱器用于空氣源熱交換器的除霜過程，可降低除霜能耗。多個(gè)空氣源熱交換器連接到熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，當(dāng)其中之一處于除霜模式時(shí)，其他仍可吸收環(huán)境空氣中的低品位熱能工作，從而保證了系統(tǒng)在除霜條件下也能連續(xù)地輸出熱量。對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后［27］，用TRNSYS軟件建立了系統(tǒng)性能評價(jià)模型，并在不同地區(qū)采暖工況下與傳統(tǒng)太陽能集熱器聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)及單一空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行性能對比分析，結(jié)果表明該優(yōu)化系統(tǒng)除霜能耗僅為傳統(tǒng)太陽能集熱器聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)的30%～36%，為單一空氣源熱泵系統(tǒng)的16%～35%，在除霜條件下節(jié)能潛力較大。冉思源等提出的IDX-SAHP供暖系統(tǒng)可充分利用不同強(qiáng)度太陽輻射熱能和不同溫度空氣熱能，從而實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用：1）在太陽輻射充足的情況下，利用太陽能直接供熱模式供暖，將多余的熱量以蓄熱水箱內(nèi)介質(zhì)顯熱的形式儲存；2）在太陽輻射相對較弱的情況下，利用太陽能和周圍環(huán)境空氣中的熱量制熱，提高了熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度；3）在夜間等無太陽輻射的情況下，通過空氣源熱交換器有效地從周圍環(huán)境空氣中提取熱量提供給熱泵機(jī)組制熱。

3 環(huán)境與運(yùn)行參數(shù)對性能的影響

太陽能熱泵系統(tǒng)旨在充分利用不同強(qiáng)度的太陽輻射能以提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能，但在實(shí)際運(yùn)行條件下，太陽輻照度受地理位置、季節(jié)、天氣等多種因素影響而呈現(xiàn)非線性變化。太陽能熱泵系統(tǒng)熱力性能在一定程度上受當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)的影響［34］，且太陽能熱泵系統(tǒng)的性能研究通常是在特定的環(huán)境條件下進(jìn)行的，不同氣候區(qū)甚至同一氣候區(qū)系統(tǒng)與環(huán)境的匹配關(guān)系不同，研究結(jié)果具有很大差異，不同地區(qū)適合推廣的最佳系統(tǒng)也是不同的［35-38］。此外，由于熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可調(diào)范圍寬且控制靈活方便，而太陽能集熱系統(tǒng)具有間歇性和不穩(wěn)定性等不足，故太陽能熱泵系統(tǒng)往往利用熱泵系統(tǒng)作為太陽能集熱系統(tǒng)的輔助熱源，既能克服太陽能低密度和集熱不穩(wěn)定等不足，有效提高太陽能資源利用率，又能改善熱泵系統(tǒng)熱力性能，提高其[COP]，實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(bǔ)，可自動調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境參數(shù)的改變，保證系統(tǒng)高效可靠供熱。

在單寶琦等［16］的研究中，分析了太陽輻照度、蓄熱水箱終止溫度及太陽能集熱蒸發(fā)器面積等參數(shù)對DX-SAHP熱水系統(tǒng)熱力性能的影響，結(jié)果表明：1）太陽輻照度對系統(tǒng)性能影響最為顯著，由780 W/m2升高至900 W/m2時(shí)，系統(tǒng)[COP]提高約8%；2）蓄熱水箱終止溫度在50～65 ℃之間每升高5 ℃，系統(tǒng)平均[COP]降低約12%，給出了蓄熱水箱終止溫度的建議設(shè)定值為50～55 ℃；3）太陽能集熱蒸發(fā)器面積從2.0 m2增至3.0 m2時(shí)，系統(tǒng)[COP]從5.01升高至5.61，提高11.9%，給出了蓄熱水箱容積為150 L時(shí)太陽能集熱蒸發(fā)器面積的建議值為2.0～2.6 m2。Amir等［18］采用EES軟件建立DX-SAHP供暖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了環(huán)境溫度、太陽輻照度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、集熱蒸發(fā)器面積、集熱蒸發(fā)器蓋板數(shù)量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速7個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)性能系數(shù)[COP]及集熱效率[η]的影響。根據(jù)模擬結(jié)果得出如下結(jié)論：1）[COP]隨太陽輻照度、環(huán)境溫度、蒸發(fā)溫度、集熱蒸發(fā)器面積和集熱蒸發(fā)器蓋板數(shù)的增大而升高，隨冷凝溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而降低；2）[η]與環(huán)境溫度、蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和集熱蒸發(fā)器蓋板數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與太陽輻照度、冷凝溫度、集熱蒸發(fā)器面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；3）在裸露的集熱蒸發(fā)器上增加1層蓋板，可使集熱效率提高12%，性能系數(shù)提高11%，當(dāng)集熱蒸發(fā)器蓋板數(shù)量大于1時(shí)，系統(tǒng)初投資增大，而[COP]和[η]的增長明顯減緩。

以上對太陽能熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究多在室外進(jìn)行，具有不可重復(fù)性，而且無法給出準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)分析。黃文竹等［39］在可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測試條件的熱泵標(biāo)準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)室——焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了用于房間采暖的DX-SAHP系統(tǒng)，其中集熱蒸發(fā)器采用裸平板式結(jié)構(gòu)，借助太陽模擬器控制環(huán)境溫度、相對濕度和太陽輻照度等因素穩(wěn)定在冬季氣象條件的情況下，進(jìn)行了各環(huán)境因素對系統(tǒng)熱力性能獨(dú)立影響的實(shí)驗(yàn)研究。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，太陽能集熱器與環(huán)境之間的熱量交換取決于集熱介質(zhì)與環(huán)境空氣之間的溫差，而集熱介質(zhì)可達(dá)到的溫度水平在很大程度上取決于太陽輻照度：當(dāng)太陽輻照度低于某一值時(shí)，集熱介質(zhì)溫度低于環(huán)境溫度，熱量傳遞方向?yàn)閺沫h(huán)境傳遞至太陽能集熱器，太陽能集熱器可同時(shí)吸收來自太陽輻射和周圍空氣中的能量以加熱集熱介質(zhì)到較高溫度水平，有助于提高太陽能集熱器集熱效率；當(dāng)太陽輻照度高于這一值時(shí)，集熱介質(zhì)溫度高于環(huán)境溫度，太陽能集熱器從太陽輻射中吸收的部分能量散失到環(huán)境中，熱損失增大。在文獻(xiàn)［39］研究中，維持室內(nèi)干球溫度20 ℃、濕球溫度15 ℃、環(huán)境溫度15 ℃、相對濕度50%的測試條件下，得出DX-SAHP系統(tǒng)太陽輻照度臨界值為500 W/m2。如圖7所示，在太陽輻照度分別為0、100、200、300 W/m2的實(shí)驗(yàn)條件下，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度均低于環(huán)境溫度；太陽輻照度為500 W/m2時(shí)，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度高于環(huán)境溫度，太陽能集熱蒸發(fā)器通過表面向環(huán)境散失熱量。

熱力性能的影響［39］

在寒冷潮濕（環(huán)境溫度低于5 ℃，相對濕度高于70%）的環(huán)境條件下，IDX-SAHP系統(tǒng)翅片管式蒸發(fā)器的結(jié)霜問題將大大降低空氣源熱泵循環(huán)的[COP]，而結(jié)霜對DX-SAHP系統(tǒng)熱力性能的負(fù)面影響并不顯著，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于同工況下采用翅片管式蒸發(fā)器的空氣源熱泵系統(tǒng)。季杰等［40］對DX-SAHP系統(tǒng)的結(jié)霜問題進(jìn)行了首創(chuàng)性研究，結(jié)果表明：100 W/m2的太陽輻照度完全可以阻礙裸平板式太陽能集熱蒸發(fā)器結(jié)霜；盡管在無太陽輻射時(shí)，太陽能集熱蒸發(fā)器表面可能結(jié)霜，但并不會明顯增大熱阻，空氣中水蒸氣凍結(jié)釋放的潛熱反而提高了太陽能集熱蒸發(fā)器的集熱量，可提升系統(tǒng)的運(yùn)行性能，表明帶有裸平板式太陽能集熱蒸發(fā)器（成本低、結(jié)構(gòu)簡單）的DX-SAHP系統(tǒng)在結(jié)霜條件下是適用的［41］。

4 結(jié)論與展望

目前對太陽能熱泵系統(tǒng)的研究工作，主要采用實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬的方法，針對特定的工況（即太陽輻射條件良好）展開，側(cè)重于提高系統(tǒng)本身的瞬時(shí)熱力性能，而系統(tǒng)難以在較為寬泛的外界環(huán)境條件下正常工作。無太陽輻射能可利用的惡劣工況是制約系統(tǒng)制熱性能提升的主要因素，至今鮮有對惡劣工況下系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行研究，也未得出最優(yōu)的控制策略。未來需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)在不同天氣條件下的運(yùn)行可靠性及適應(yīng)性，分析系統(tǒng)投資回收期，促進(jìn)系統(tǒng)制熱性能和經(jīng)濟(jì)效益的全面提升，以期進(jìn)一步推廣太陽能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。為此，提出如下幾點(diǎn)展望：

1）能耗與效率：太陽能熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行仍存在能耗較高的問題，需進(jìn)一步減小熱損失，設(shè)法提高太陽能集熱器等系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行效率，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

2）經(jīng)濟(jì)性：目前太陽能集熱器集熱效率較低，欲滿足供熱需求必須設(shè)置較大面積的集熱器，從而導(dǎo)致系統(tǒng)初投資過高，其經(jīng)濟(jì)性還無法與常規(guī)熱泵系統(tǒng)相競爭。太陽能熱泵系統(tǒng)在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約，若有關(guān)政府部門能給予一定財(cái)政支持及政策優(yōu)惠，必定會促進(jìn)太陽能熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的全面提升，進(jìn)一步推廣其應(yīng)用范圍。

3）可靠性：盡管常規(guī)太陽能熱泵系統(tǒng)中設(shè)置有水源熱泵及空氣源熱泵作為輔助熱源，但連續(xù)雨雪天氣也會出現(xiàn)蓄熱水箱內(nèi)介質(zhì)溫度過低及空氣源蒸發(fā)器結(jié)霜等問題，使得系統(tǒng)制熱能力大大降低，無法滿足用戶穩(wěn)定連續(xù)供熱需求。故系統(tǒng)中還可設(shè)置其他利用可再生能源的可靠輔助熱源（如土壤源熱泵），更大程度提高系統(tǒng)的可靠性。

4）運(yùn)行與操控：現(xiàn)有太陽能熱泵系統(tǒng)大多是通過人工判斷系統(tǒng)適合的運(yùn)行模式，進(jìn)行閥門的簡單切換以及泵與風(fēng)機(jī)的啟停而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式之間的自動切換，更合理有效地利用太陽輻射能，從而提高熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率，系統(tǒng)必須采取更有效的自動控制措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，進(jìn)行過程控制，實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵部件的有效自動運(yùn)行。

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CONFIGURATION FORMS AND RESEARCH PROGRESS OF

SOLAR ASSISTED HEAT PUMP SYSTEM

Gong Zan1，Liu Yicai1，2，Deng Yan3，Zhang Yu1，Liu Shiyan1，Wu Likang1

（1. School of Energy Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；

2. Hunan Province Engineering Technology Research Center of New Type of Multifunctional Building Materials for

Energy Storage and Sound Absorption， Shaoyang 420021， China；

3. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：The solar assisted heat pump systems are classified according to the classification method combined with different usages and configurations. And the characteristics，current research status and future development trends of different forms of solar assisted heat pump systems are pointed out. The influence of environmental and operating parameters on thermal performance of the system are analyzed. Through literature review， it is found that under certain operating conditions， coefficient of performance（[COP]） of the direct expansion solar assisted heat pump system can reach more than 9.40， and [COP] of the indirect expansion solar assisted heat pump system can reach more than 8.80. It is proposed that the application and research of solar assisted heat pump system should start from the aspects of energy consumption and efficiency， economy， reliability， operation and manipulation， and develop towards a direction of efficiency， economy， energy conservation and reliability.

Keywords：solar assisted heat pump； configuration form； heating； domestic hot water； drying