摘 要

为了解决能源供应危机和环境污染问题，世界各国致力于节能减排技术的研究。由于环境温效的变化和人们生活水平的提高，全球空调的使用量大幅度提高，加大了能源的消耗。随着太阳能集热器的不断创新和发展，太阳能热能空调技术已经具备实用的可能，研究太阳能热能空调技术对于缓解我国东北地区制热带来的煤炭消耗具有十分重要的意义。

本文根据太阳能集热器的发展技术，选用直接式太阳能热泵供暖系统，集热器选用全玻璃真空管式太阳能集热器。采用定性和定量的方法，对集热器的集热面积和热效率进行选取和计算，从而计算出该热泵空调的制热量和制热系数，与普通家用空调进行比较，分析其经济性和适用性。并探讨与太阳能热水直接制热的优缺点，且在此基础上设计出一套制冷和制热复用的结构。

Abstract

In order to solve the energy supply crisis and environmental pollution problems, countries around the world are committed to research on energy saving and emission reduction technologies. Due to changes in environmental temperature and the improvement of people's living standards, the use of air conditioners worldwide has been greatly increased, increasing energy consumption. With the continuous innovation and development of solar collectors, solar thermal air-conditioning technology has practical possibilities. It is of great significance to study solar thermal air-conditioning technology to alleviate coal consumption in the tropical region of China.

According to the development technology of solar collectors, this paper selects the direct solar heat pump heating system, and the collector uses all-glass vacuum tube solar collectors. Using the qualitative and quantitative methods, the heat collecting area and thermal efficiency of the collector are selected and calculated to calculate the heating capacity and heating coefficient of the heat pump air conditioner, compared with ordinary household air conditioners, and the economy and applicability are analyzed. . And discuss the advantages and disadvantages of direct heating with solar hot water, and on this basis, design a set of refrigeration and heating multiplexing structure.

目录

第一章 绪论 1

1..1 研究背景及意义 1

1.2 国内外太阳能空调技术的发展历史及概况 2

国外研究发展： 2

第二章 太阳能热泵空调的原理及细节分析 3

2.1 热泵技术原理和发展背景 3

2.2 太阳能热泵空调工作原理 5

2.3 太阳能集热器的选用与计算 6

2.4 换热器（冷凝器）的特点 9

第三章 系统性能的计算 12

3.1 热泵循环的能量分析和计算 12

3.2 太阳能热泵空调的计算 13

第四章 性能分析及系统优化 15

4.1 太阳能热泵空调与普通热泵空调的性能比较 15

4.2 太阳能热泵空调制热与太阳能热水直接制热的比较 15

4.3 太阳能热泵空调系统优化 16

第五章 结论 19

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1..1 研究背景及意义

现今世界温室效应的愈来愈发严重，人们生活的质量越来越好，空调的现今技术的发展逐渐满足不了社会的需求。社会上现在的空调技术发展很快，但耗能大，且使环境温室效应加剧，太阳能空调技术虽然还不能在社会上得到普遍应用，但它不需要电量，并且工作寿命长等优点，因此有着很广泛的应用前景。本文的研究对象太阳能热泵采暖空调是利用集热器进行太阳能低温集热，在我国东北地区冬季太阳辐射量较小，外界环境温度很低，直接用空调装置制热模式进行采暖是不大可行的。太阳能集热器在别的装置上无法直接采暖，而通过热泵装置就可以实现了，就相当于集热器与热泵装置连在一起^[3]。这样就可以维持较高温度的热源环境，同时降低高低温热源之间的温度差，研究太阳能采暖空调是为了实现花费少量电能就可以得到几倍于电能的热量，同时通过集热器提高热源温度，减小温差，更有益于利用低温热源的低耗高能的采暖系统。^[5]

当前绝大多数采用的空调采暖与制冷技术是依靠电能为动力实现热量从低温热源向高温热源传递的逆向循环，极其浪费能源，也会提高温室效应。此时需要进一步消耗电能以实现温度的降低，更大程度消耗能源。形成了恶性循环；此外，空调具有人们越来越离不开的市场，如果把供热和太阳能结合起耘将是一个非常理想的方案，这是太阳能空调在现实中可以得到实现的原理基础；另一方面，由于可持续发展的要求。随着现今经济的发展越来越快和人们生活越来越好，越来越多的家庭和单位需要空调的功能来满足自身的需要。对于家用环境来说，空调的耗电量可以占到家里所有耗电量的一半，给能量和环境还有家里的经济状况带来了很大的负担。电量的使用将会给环境带来废气污染，温室和酸雨破坏空气等环境问题^[10]。太阳能空调的应用降低了电力和燃料的消耗，同时也减轻了环境的压力，因此，太阳能空调的应用完全符合可持续发展战略的要求，具有非常光明的战略和应用意义。对于缓解我国寒冷地区制热带来的煤炭消耗具有十分重要的意义。

1.2 国内外太阳能空调技术的发展历史及概况

国外研究发展：

1970以后，世界全球各个地方对太阳能技术的研究发展特别快，因此太阳能空调技术顺应时代社会的要求也慢慢出现。太阳能空调因为不会造成电量的消耗，避免了环境资源的浪费，而且没得污染，可以使用的时间也很长这些优点引起了世界各地的大力推进。、

世界上第一各凭借太阳能热驱动的吸收式制冷是在澳大利亚坤师兰大学的Sheridan等人的手中搞出来的，时间是1966年，该系统的能量热源就是和本文一样取自太阳能集热器从太阳那里收集的热量。

国籍墨西哥的卡里士在1985设计出了一套太阳能集热器的集热效率能达到29%的太阳能驱动吸收式供热空调系统装置，这个装置的热热效率最高时可以达0.73这个数字，最低在0.53左右。

Mcinidne组建的团队在之后的几年里建立了吸收式制冷系统的稳态模型并实验比较了实验值和模拟值的关系，对制冷机的仿真有很大的意义。

黎巴嫩贝鲁特大学的N.K.Ghadd从一种新颖的角度思考对太阳能吸收式空调系统进行了大量的分析计算，在计算机上对该系统进行建模仿真模拟，而且对集热面积，蓄热装置的体积也给出了优化方案，并对各种因素对系统的影响进行了综合分析，最后得到了可以在十二至十六年的时间内做到收回装置成本的结论。

国内研究发展：

广东省江门市在1988年设计建成了我国首座吸收制式制冷机，这套机器是以太阳能集热器低温集热为根本动力热源的吸收式空调系统，

“九五”计划期间，我国建成了以真空管太阳能集热器收集的热量为驱动热源的溴化锂吸收式制冷空调系统顺利建成，该系统增设了辅助热源，该系统能够很好的满足用户对冷热的苛刻要求。

中国科学院电工研究所于2005年在拉萨某中学建成了一套100平方米的复合抛物面集热器太阳能蒸饭系统。

2005年，天然气用量节省较多的辽河油田兴隆台采油厂太阳能完美地建造了出来，这个系统的集热面积很大，可达490平方米。 ^{[13] [7]}

第二章 太阳能热泵空调的原理及细节分析

2.1 热泵技术原理和发展背景

热泵原理：

热泵是将热量从低温环境传送到高温环境去的装置，他现在是属于新能源技术。因为优点而被越来越多的研究，它和常用的机械设备——“泵”是不一样的；热泵一般都是是先从自然界中先获取低能量级的热能，然后外界给其做功，提供热泵装置克服逆势查的能量，然后再向高温热源处提供人们需要的热量。

热泵装置可以很好利用低温环境中的热量。热量可以通过热泵装置，但自发的朝着反方向进行是不可能的，其工作模式就是施加外界能量，外界功来强迫热量从低温热源传送向高温热源的机械装置，而且它消耗的外界能量或者是外界功其实挺少的，就可以实现向所需要的环境提供合适的热量或者是说排出适当的热量，因为这种逆向循环实现过程中所需要的能量并不多，所以热泵装置的节能作用是可观的

其实，热泵循环的工作原理和制冷循环是一致的，只是二者的温限区间不一样，即低温热源和高温热源温度是不一样的。逆向循环热泵循环必不可少的装置部件由蒸发器，节流阀，冷凝器还有压缩机。其工作过程为：制冷剂在冷凝器中向需要采暖的环境中放热，然后进入节流阀中实现降温降压处理，然后低温低压的工质进入到蒸发器中，在其内部从低温热源中吸取热量，之后再通过压缩机实现绝热压缩过程，温度大大提高，最后再进入冷凝器完成循环。如此就完成了一个工作循环。^[4]

热泵的能量转换：

就像常规自然界现象一样，自然无外力干涉的情况下，热量也应该是从热量多的地方传递向热量少的地方。但是可以通过机器相当于施加外力来实现这种逆向传递，这种整套装置就是热泵装置，热泵装置就可以完成上述的把热量从温度低的地方传向温度高的地方。所以来说，热泵的作用就像水泵一样，只不过二者的作用对象不同，一个作用对象是热量，一个作用对象是水，热泵的作用就是普通空调的制热作用是一样的，如果是在冬天就是外界环境温度低，室内环境相较于外界环境温度较高，但是任然不能满足人们的需求，因此必须要实现把热量从低温热源传向高温热源这一逆向循环，因为只具备单一热源的热机是不可能实现工作原理的。由热泵循环加上能量守恒定律可以得出，装置向高温热源放出的热量并不是都来自于从外界补充来的的能量或功。还有一部分是从低温热源吸收加以储存的能量。因此，相较于装置向环境中放出的热量，其消耗的能量是只占一部分的，即输出能量大于输入能量，所以这种装置相比于输出能量来说，是可以节省能源的。

热泵技术的发展：

在十九世纪初，法籍科学家萨迪.卡诺首次提出了卡诺循环定理，由此才促成了热泵技术的形成和发展，这是热泵循环的最基本形成原理。最初的时候形成的理论和投入发展的是动力循环也就是正向循环，后来初被提出来的逆向循环是制冷循环。1852年，科学家开尔文提出，逆向循环并不一定只有制冷循环，还可以是制热循环，因为二者原理和工作方式完全一样，所以制热功能完全可以实现。这就是热泵循环轮廓形成的开始。开尔文是热泵制热领域的奠基人。在这之后，无数科学家研究人员对热泵进行了长达百年的研究。热泵技术在40年和50年的这接近20年的时间内发展的极为迅速，由于市场的需求，热泵进入了家庭工业领域，这是其早期发展阶段。1970以后，热泵技术的发展处在黄金阶段，由于可以实现制热并且节能的优点，世界各国都特别注重热泵技术的发展，基于热泵原理基础的制热模式越来越多，这是对热泵技术的发展和完善，随着其技术的发展成熟，热泵基本是在空调领域和工业领域使用，热泵技术的使用极大的节约了资源，保护了环境。21 世纪以后，由于科技和各领域技术的飞速发展，对能源的要求和需求量越来越高，热泵由于可以利用低温外界的热能所以具备节能的优点，所以当前其技术的发展十分具有意义。因此，热泵技术发展的迫切要求又一次被世人提上了日程。相较于外国技术的发展，中国对于热泵技术的研究起步晚发展慢，相比于该领域先进技术处于落后状态。1949年后，中国的发展重点转向了工业发展，中国才将自己的目光瞄向了热泵。进入21世纪后，中国各领域发展十分迅速，科技，军事，工业发展都进入了黄金期，且随着人们生活质量的提高，市场对于空调的需求日渐增大，制热和空调的复合应用促进了热泵在市场中的应用，同时也促进了热泵技术的不断发展和创新。从之后的十年时间里，中国热泵技术的发展极为迅速，慢慢地趋近于成熟。热泵技术的急速发展得益于两个动力，一个是技术自身的优势，另一个是各国的大力推进。

2.2 太阳能热泵空调工作原理

图 2-1 太阳能热泵采暖空调

1. 太阳能集热器 2.压缩机 3.冷凝器 4.供热水箱 5.膨胀阀

空调制热原理：

图 2-2 T-S图

上图为制热循环原理的T-S图，空调制热时，其逆向循环为1-2-3-4。1-2：工质在压缩机的定熵压缩过程，也即是升温升压过程；之后2-3是冷凝器起作用，工质在冷凝器定压放热，向外放出热量，对于制热循环来说这一步是核心，一般与冷凝器相通的环境就是需要热量的环境；3-4是工质在节流阀或膨胀阀中的降压降温作用；4-1:低温低压的气体工质于蒸发器内部的吸热过程。升温升压，最后再进入压缩机完成以循环。

太阳能热泵空调制热原理：由于冬天的话环境温度很低，所以此时热泵的吸热称为低温吸热，这一过程是靠太阳能集热器完成的，然后就像普通的热泵装置一样，通过外界施加能量将从低温吸收的热量传到所需高温环境中去，但是像热水器一样直接用集热器吸收的热量是不可能的，温度太低了，在冬天根本达不到供暖效果，所以这时就需要热泵装置了。此时的的集热器环境就是低温热源，虽然集热器集热后的温度还是不高，但是相较于冬天室外温度已经提高了很多，也就相当于从低温到高温传递的逆势差变得更小了（低温热源温度升高）所以过程会变得更容易进行。所以装置过程具有很大的优势。^[5]

2.3 太阳能集热器的选用与计算

集热器的分类：

闷晒式太阳能集热器：集热器和热水器两个串联使用就组成了闷晒式太阳能热水器，集热器为其主要部件，起着吸收热量的作用，热水器使用的水存储在集热器的下部，通过吸收白天太阳的热量，内部的水就会被加热，这些热水就可以供给日常使用。结构就很简单，不用花什么成本费用，且安装和使用都很方便。就是热损大，时效短，阴天下雨基本就不起作用了。

平板式太阳能集热器：平板型太阳能集热器主要部件：透明盖板，透明盖板隔热层，吸热版和外壳等组成。

平板太阳能集热器一般工作时，透明板不起作用，吸热板起作用，吸收太阳能辐射，并把太阳能辐射转化为热能，这部分热量会被工质吸收，其温度升高，这部分热量就可以作为集热器的输出热量;当然不平板式集热器的热损失是不可避免的。平板型太阳，其不复杂的结构、运行可靠、成本低，不花啥钱，还具有承受压吸热面积大吸热效果好等特点。能实现太阳能和建筑采暖的良好衔接。其结构简图如图所示。 图 2-3 平板集热器

真空管式太阳能集热器：平板式集热器由于盖板与集热器之间有一个充满空气的间隙，空气的对流等导致平板式集热器的热损失较大，如果能将空气层抽真空且吸热面采用低发射率表面，则可以大幅度减小热损失，但平板式集热器由于结构特性，无法承受抽真空后环境对盖板的巨大压力。将平面的透明盖板变为透明外管，具有选择性涂层的吸热板变为吸热内管，将内外管之间通道的端部封闭，并将管间夹层中的空气抽真空而制成的真空管则可以较方便实现上述目标，将多根真空管用联箱连接起来就构成了真空管式集热器。

图 2-4 真空管式集热器

真空管按吸热体材料种类，可分为两类:一类是玻璃吸热体真空管(或称为全玻璃真空管)，一类是金属吸热体真空管(或称为玻璃-金属真空管)。热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成热管式真空管与其他类型的太阳能集热器相比，具有耐冰冻，启动快，不结垢，保温效果好，持续时间长，耐热冲击性好等优点。而且该种太阳能集热器安装非常简单，运行稳定，使用寿命长，由于其连接结构特点，不会出现漏水的情况。且每一根玻璃管之间相当于是并联连接，不会因为个别损坏而导致装置不能用啦。

热管式真空管具有很多的优点，使用越来越广泛，越来越受到各国太阳界的重视。