隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技的進步，能源和環(huán)境是當今世界突出的兩大社會問題，這促使人們更多地意識到能源對人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節(jié)能熱泵技術。目前我國太陽能的熱利用主要集中在被動式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動式太陽能供熱系統(tǒng)的開發(fā)的利用相對落后。采用節(jié)能裝置――熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯(lián)接的系統(tǒng)方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開發(fā)、應用潛力。熱泵技術是一種很好的節(jié)能型空調制冷供熱技術，是利用少量高品位的電能作為驅動能源，從低溫熱源高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，以達到泵熱的目的，從而轉能質系數(shù)低的能源為能質系數(shù)高的能源(節(jié)約高品位能源)，即提高能量品位的技術。隨著人們對獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法。
1熱泵的基本原理及其類型
熱泵是一反向使用的制冷機，與制冷機所不同的只是工作的溫度范圍。熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1][2]。蒸發(fā)器吸熱后，其工質的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經(jīng)過絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w后，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓的液體(放出工質的氣化熱等，與冷凝水進行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水供用戶使用)，液態(tài)工質再經(jīng)降壓閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，進入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變?yōu)檫^熱蒸氣完成一個循環(huán)過程。如此循環(huán)往復，不斷地將熱源的熱能傳遞給冷凝水。
根據(jù)熱力學第一定律，有：qg= qd + a，根據(jù)熱力學第二定律，壓縮機所消耗的電功a起到補償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫環(huán)境吸熱(qd)，并向高溫環(huán)境放熱(qg)，周而復始地進行循環(huán)。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術經(jīng)濟指標，一般用性能系數(shù)(coefficient of performance，簡稱cop)來衡量裝置的能量效率，其定義為：
cop=qg/a =(qd+a)/a=1+qd/a
顯然，熱泵cop永遠大于1。因此，熱泵是一種高效節(jié)能裝置，也是制冷空調領域內實施建筑節(jié)能的重要途徑，對于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應起到積極的作用。
所有型式的熱泵都有蒸發(fā)和冷凝兩個溫度水平，采用膨脹閥或毛細管實現(xiàn)制冷劑的降壓節(jié)流，只是壓力增加的不同形式，主要有機械壓縮式、熱能壓縮式和蒸氣噴射壓縮式。其中，機械壓縮式熱泵又稱作電動熱泵，目前已經(jīng)廣泛應用建筑采暖和空調，在熱泵市場上占據(jù)了主導地位;熱能壓縮式熱泵包括吸收式和吸附式兩種型式，其中水―溴化鋰吸收式和氨―水吸收式熱水機組已經(jīng)逐步走上商業(yè)化發(fā)展的道路，而吸附式熱泵目前尚處于研究和開發(fā)階段，還必須克服運轉間歇性以及系統(tǒng)性能和冷重比偏低等問題，才能真正應用于實際。根據(jù)熱源形式的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵和太陽能熱泵等。國外的文獻通常將地下水熱泵、地表水熱泵與土壤源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵。
2太陽能熱泵技術原理及其特點
太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，區(qū)別于以太陽能光電或熱能發(fā)電驅動的熱泵機組。它把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機的結合起來，可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉變?yōu)榭諝庠礋岜?，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。
2.1太陽能熱泵的分類
根據(jù)太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器的組合形式，可分為直膨式(direct-expansion soalar assisted heat pump，dx-sahp)和非直膨式。在直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，即制冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發(fā)(如圖2所示)。在非直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器與熱泵蒸發(fā)器分立，通過集熱介質(一般采用水、空氣、防凍溶液)在集熱器中吸收太陽能，并在蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑，或者直接通過換熱器將熱量傳遞給需要預熱的空氣或水。根據(jù)太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)的連接形式，非直膨式系統(tǒng)又可進一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式。串聯(lián)式是指集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)通過蒸發(fā)器加以串聯(lián)、蒸發(fā)器的熱源全部來自于太陽能集熱環(huán)路吸收的熱量(如圖3所示);并聯(lián)式是指太陽能集熱環(huán)路與熱泵循環(huán)彼此獨立，前者一般用于預熱后者的加熱對象，或者后者作為前者的輔助熱源(如圖4所示);雙熱源式與串聯(lián)式基本相同，只是蒸發(fā)器可同時利用包括太陽能在內的兩種低溫熱源(如圖5所示)[3]。
2.2太陽能熱泵的技術特點
太陽能熱泵將太陽能利用技術與熱泵技術有機結合起來，具有以下幾個方面的技術特點[4]：
1)同傳統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽能熱泵的最大優(yōu)點是可以采用結構簡易的集熱器，集熱成本非常低。在直膨式系統(tǒng)中，太陽集熱器的工作溫度與熱泵蒸發(fā)溫度保持一致，且與室外溫度接近，而非直膨式系統(tǒng)中，太陽能集熱環(huán)路往往作為蒸發(fā)器的低溫熱源，集熱介質溫度通常為20℃～30℃，因此集熱器的散熱損失非常小，集熱器效率也相應提高。