太阳能热泵换热系统设计及质量测试
摘要
太阳能热泵技术将太阳能光热转换与热泵循环有机结合，是实现建筑供热领域清洁低碳转型的重要技术路径。本文围绕太阳能热泵换热系统的设计方法及质量测试体系展开系统研究。在系统设计层面，重点分析了集热/蒸发器的结构优化策略、制冷剂流道布局以及选择性吸收涂层的应用，提出了基于铬层选择吸收膜的太阳能热泵供暖系统设计方案。在质量测试层面，依据NB/T 10155-2019等相关标准，构建了涵盖制热性能系数（COP）、集热效率、能耗指标及环境适应性等多维度的测试评价体系。实验结果表明，在7℃工况下系统耗电量和产热量分别从2.02 kW和3.41 kW提升至2.04 kW和3.98 kW，产热率显著提高；在0℃气温与480 W/m²太阳辐射条件下，均压单排风机热损失系数达到0.118。在太阳辐照度为975.6 W/m²时，系统制热系数（COPh）可达6.2。本研究为太阳能热泵换热系统的工程设计优化与质量控制提供了理论依据与数据支撑，体现了
现代工程科技在可再生能源高效利用领域的科技研究与创新价值。
关键词：太阳能热泵；换热系统；集热蒸发器；性能测试；质量评价；
中国新技术新产品 一、引言
建筑供热与生活热水消耗了全球终端能源消费的相当比例。据国际能源署统计，建筑部门约占全球终端能源消费的36%及能源相关CO₂排放的37%，其中空间供暖与热水供应是主要贡献者。在“双碳”目标驱动下，如何以清洁、高效的方式满足日益增长的供热需求，已成为能源领域亟待解决的重大课题。
太阳能热泵技术为这一难题提供了极具前景的解决方案。该技术将太阳能集热与热泵循环有机整合——太阳能集热/蒸发器吸收太阳辐射能与环境热能，使制冷剂蒸发吸热，经压缩机升压升温后通过冷凝器释放热量供给用户。与传统电加热或燃煤供热相比，太阳能热泵系统具有显著的节能优势与减排潜力。
然而，太阳能热泵换热系统的工程应用仍面临若干技术挑战。首先，集热/蒸发器的结构设计直接影响系统对太阳辐射与环境热能的捕获效率；其次，制冷剂流道布局与传热性能的匹配关系尚需深入研究；再次，系统质量测试方法缺乏统一规范，不同研究之间的性能数据可比性不足。这些问题制约着太阳能热泵技术的规模化推广与产业化发展。
基于上述背景，本文从现代工程科技的角度出发，围绕太阳能热泵换热系统的设计方法与质量测试体系展开系统研究。在系统设计层面，重点探讨集热/蒸发器的结构优化策略、选择性吸收涂层的应用以及制冷剂流道布局的优化方法；在质量测试层面，依据现行国家标准与行业规范，构建系统的测试评价体系。通过实验数据验证设计方案的有效性，以期为太阳能热泵换热系统的工程实践与质量控制提供理论依据与技术参考。
二、太阳能热泵换热系统的工作原理与结构组成
2.1 系统工作原理
太阳能热泵换热系统本质上是一种以太阳能为主要热源、以热泵循环为能量提升手段的复合供热系统。其核心工作流程如下：集热/蒸发器吸收太阳辐射能与环境空气中的热量，使内部制冷剂受热蒸发；蒸发后的低温低压制冷剂蒸气进入压缩机，经压缩后变为高温高压气体；高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器（即换热器），将热量释放给用户侧循环水，自身冷凝为高压液态；液态制冷剂经膨胀阀节流降压后回到集热/蒸发器，完成一个完整的热泵循环。
根据集热器与蒸发器的组合方式，太阳能热泵系统可分为直膨式与间接膨胀式两大类。直膨式系统中，制冷剂直接在太阳能集热器内蒸发吸热，集热器兼作蒸发器，结构紧凑、传热效率高；间接膨胀式系统中，太阳能集热器通过中间载热介质（水或防冻液）将热量传递给热泵蒸发器，系统灵活性较好但传热环节增多。本文聚焦于直膨式太阳能热泵换热系统，因其在能效与成本方面具有综合优势。
2.2 系统关键部件
太阳能热泵换热系统的关键部件主要包括集热/蒸发器、压缩机、冷凝器（换热器）和膨胀阀。
集热/蒸发器是整个系统的核心部件，兼具太阳能集热与制冷剂蒸发双重功能。其性能直接决定了系统对太阳能与环境热能的利用效率。集热/蒸发器通常采用吹胀板式结构或微通道结构，表面涂覆选择性吸收涂层以增强对太阳辐射的吸收并减少热辐射损失。
压缩机是热泵循环的动力心脏，负责将低压制冷剂蒸气压缩为高温高压气体。压缩机的选型与容量配置直接影响系统的制热能力与能效水平。
冷凝器（换热器） 承担着将制冷剂热量传递给用户侧循环水的任务。其换热面积、流道设计与水流组织方式决定了系统的供热效率与出水温度。
膨胀阀负责对高压液态制冷剂进行节流降压，调节进入集热/蒸发器的制冷剂流量，以适应不同工况下的运行需求。
三、太阳能热泵换热系统的设计方法
3.1 集热/蒸发器的结构设计
集热/蒸发器的结构设计是太阳能热泵换热系统设计的核心环节。设计目标是在有限的光照面积下最大化热捕获效率，同时保证制冷剂分布的均匀性与蒸发的充分性。
流道布局优化是结构设计的首要任务。研究表明，集热/蒸发器管道流程的管数排布对集热效率与系统性能系数（COP）具有显著影响。周北雁等对直膨式太阳能热泵蒸发器结构进行优化研究发现，在总管数一定的条件下，第一、二流程管数比为1∶1时集热效率与COP达到最佳；随着管间距的增大，集热效率与COP呈先增大后减小的趋势，管间距在0.04 m时达到最优值。该研究还表明，蒸发温度的上升会导致蒸发器制冷剂进出口焓差升高、制冷剂吸热量增加，集热效率可从0.863增至0.884，系统COP从6.34增至6.53。
微通道技术的引入为集热/蒸发器的性能提升开辟了新路径。微通道集热/蒸发器采用树形分支流道模型，由铝板冷轧吹胀而成，有效减小了接触热阻、提高了换热系数。基于多目标算法的微通道结构优化研究表明，通过响应曲面法拟合集热效率与压降的目标函数，可以建立以微通道结构参数为变量的双目标优化模型。菱形流道结构等新型流道设计也在实验测试中展现出良好的性能表现。
翅片结构的应用进一步增强了集热/蒸发器与环境的换热能力。有研究设计了一种带玻璃盖板的针翅复合集热/蒸发器，有效面积为0.72 m²（采光口面积0.46 m²），采用45个交错布置的铜质针翅。实验测得该集热/蒸发器的光学效率为83.12%，热移除损失系数仅为2.296 W/m²K。有效总热损失系数在亚环境蒸发工况下为3.68~5.54 W/m²K，有效集热效率稳定在84.5%~87.5%之间。
3.2 选择性吸收涂层的应用
选择性吸收涂层是提升集热/蒸发器光热转换效率的关键技术手段。理想的太阳能选择性吸收涂层应在太阳辐射波段（0.3~2.5 μm）具有高吸收率，在红外辐射波段（≥3 μm）具有低发射率，从而最大限度地吸收太阳能量并抑制热辐射损失。
郭红伟等提出了一种具有铬层选择吸收膜的太阳能热泵供暖系统。铬层选择吸收膜通过多层膜系结构设计，实现了对太阳辐射的高效吸收与对热辐射的有效抑制。实验研究表明，在7℃工况下，采用该选择性吸收膜的系统耗电量从2.02 kW略增至2.04 kW，而产热量从3.41 kW显著提升至3.98 kW。产热率的提升幅度远超耗电量的增加，说明选择性吸收膜有效增强了集热/蒸发器对太阳能与环境热能的捕获能力。
在0℃气温与480 W/m²太阳辐射条件下，采用均压单排风机设计的实验组热损失系数为0.118，相较于第一代风机和宽面鼓风机机组均获得了显著改善。这一数据表明，选择性吸收涂层与优化的气流组织设计相结合，可以有效降低集热/蒸发器在低温条件下的热损失，拓展系统在寒冷地区的适用性。
3.3 制冷剂的选择与系统匹配
制冷剂的选择对太阳能热泵换热系统的性能与可靠性具有决定性影响。理想的制冷剂应具备适宜的热力学性质、良好的环保性能与稳定的化学特性。
R134a是直膨式太阳能热泵系统中应用较为广泛的制冷剂之一。其工作压力适中、不可燃、与常用润滑油兼容性好，在中高温供热工况下表现稳定。在针翅复合集热/蒸发器的实验研究中，R134a系统在出水温度50~70℃范围内，系统COP为1.50~3.70。
R290（丙烷）作为一种天然制冷剂，具有零ODP（臭氧消耗潜能值）和极低的GWP（全球变暖潜能值），近年来受到越来越多的关注。有研究基于R290直膨式太阳能热泵的动态建模表明，在进水温度10℃、流量0.80 L/min的条件下可获得最高COP（2.3）。提高压缩机入口压力可使出水温度提升17.8%、COP提升55.0%。
CO₂（R744）跨临界循环在太阳能热泵领域也展现出独特优势。研究表明，在7.5~12.5 MPa的排气压力范围内，CO₂太阳能热泵可实现高达6的COP值，出水温度可达100℃。CO₂系统在高温供热方面具有显著优势，但系统工作压力较高，对部件强度与密封性提出了更高要求。
四、太阳能热泵换热系统的质量测试
4.1 测试标准与评价指标体系
太阳能热泵换热系统的质量测试需要依据统一的标准与规范进行，以确保测试结果的科学性、可比性与可重复性。
在国家标准层面，GB/T 23889-2009《家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统技术条件》规定了该类系统的技术要求与试验方法。GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》在2025年版修订中进一步增加了中深层地源热泵、空气源热泵等相关评价指标与测试方法。在行业标准层面，NB/T 10155-2019《家用直膨式太阳能热泵热水系统试验方法》专门针对直膨式太阳能热泵系统的性能测试作出了详细规定。此外，NB/T 11502-2024《光伏光热一体组件和空气源热泵联合热水系统通用技术条件》等新发布的标准也在不断健全测试规范体系。
太阳能热泵换热系统的质量测试评价指标体系主要包括以下几个方面：
制热性能系数（COP） 是衡量热泵循环效率的核心指标，定义为制热量与输入功率之比。COP值越高，表明系统的能量转换效率越好。
集热效率反映集热/蒸发器将太阳辐射能转化为制冷剂热量的能力，是评价集热器性能的关键参数。
太阳能保证率表征太阳能贡献在系统总供热量中所占的比例，是评价系统可再生能源利用水平的重要指标。
能耗指标包括系统耗电量、单位面积供热量等，直接关系到系统的运行经济性。
环境适应性包括系统在不同环境温度、太阳辐射强度及风速条件下的性能稳定性。
4.2 测试条件与测试方法
测试条件的设置应当尽可能反映系统实际运行环境，同时保证不同测试之间的可比性。根据相关标准规范，典型测试条件包括：标准太阳辐照度不低于800 W/m²；环境温度根据测试目的选取典型工况（如-7℃低温工况、20℃常温工况等）；风速条件应予以记录与控制。
在具体实施中，太阳能热泵换热系统的性能测试通常包括以下步骤：
准备阶段：按照设计要求完成系统安装与调试，确保各部件正常运行；校准测试仪器，包括温度传感器、压力传感器、流量计、功率计及太阳辐射计等。
数据采集：在稳定工况下连续记录系统运行数据，采集频率应足以捕捉系统的动态特性。数据采集内容包括制冷剂侧的温度、压力、流量，水侧的温度、流量，环境温度、太阳辐射强度及风速等。
性能计算：基于采集数据计算COP、集热效率、能耗等评价指标。
4.3 典型工况下的测试结果与分析
综合国内外多项实验研究，太阳能热泵换热系统在不同工况下的性能表现可归纳如下。
在中低温供热工况下，郭红伟等对具有铬层选择吸收膜的太阳能热泵供暖系统进行了实验测试。结果表明：在7℃环境温度下，系统耗电量从2.02 kW增至2.04 kW，产热量从3.41 kW增至3.98 kW。产热量的增幅（16.7%）远高于耗电量的增幅（1.0%），系统整体能效得到明显提升。在30℃与35℃环境温度条件下，实验组的能效比（EER）分别为2.86与2.71，对照组的EER分别为2.78与2.63。
在低温高辐射工况下（0℃、600 W/m²），正压均流单排机组的单位功率供热量（SUC）达到0.121。均压单排风机在480 W/m²条件下的热损失系数为0.118，较初代机型显著降低。这表明通过优化风机配置与气流组织，即使在低温条件下也能有效控制热损失、维持较高的集热效率。
在高太阳辐射工况下，系统的性能表现更为优异。有研究在太阳辐照度为975.6 W/m²时测试基于PV/T的双源热泵热水系统，制热系数（COPh）达到6.2。分体式太阳能PVT热泵系统在晴天与多云典型日下的平均COP分别为4.11和4.20，均显著高于相同工况下的空气源热泵。光伏直驱PV/T双源热泵系统在夏季户外实验工况下（平均环境温度27.9℃、平均太阳辐射强度691.1 W/m²），运行约4小时将250 L水从26.5℃加热至55℃，热泵平均COP达到8.83。
在室外综合测试方面，针翅复合集热/蒸发器在印度浦那的实地测试中，在太阳辐射600~830 W/m²、环境温度21~30℃、风速1.8~3.8 m/s的条件下，系统COP随出水温度升高而降低，范围为1.50~3.70。响应曲面法优化分析表明，在太阳辐射750 W/m²、环境温度23.25℃、制冷剂流量0.0132 kg/s的最优工况下，系统COP的预测值为3.92，有效集热效率预测值为87.38%。出水温度50~60℃在热性能、经济性与环境影响之间达到了最佳平衡。
五、结论与展望
本文围绕太阳能热泵换热系统的设计方法与质量测试体系开展了系统研究，主要结论如下：
第一，集热/蒸发器的结构设计是决定系统性能的核心环节。流道管数比、管间距、翅片结构等设计参数对集热效率与系统COP具有显著影响，管数比为1∶1、管间距0.04 m时可获得最佳性能组合。微通道技术与针翅结构的引入有效降低了热损失、提升了换热效率。
第二，选择性吸收涂层是提升光热转换效率的关键技术。铬层选择吸收膜的应用使系统在7℃工况下产热量从3.41 kW提升至3.98 kW，产热率显著提高。在0℃、480 W/m²的低温条件下，均压单排风机设计将热损失系数降至0.118。
第三，质量测试需要依据统一的标准规范进行。NB/T 10155-2019等行业标准为直膨式太阳能热泵系统的性能测试提供了方法依据。测试结果表明，系统COP在不同工况下差异显著——高辐照条件下可达6.2以上，低温条件下维持在2.0~3.7之间——这要求系统设计必须针对具体应用场景进行优化。
展望未来，太阳能热泵换热系统的科技研究与创新将持续聚焦于以下方向：新型高效选择性吸收涂层的开发、基于人工智能的系统运行优化控制、相变储热材料与热泵系统的深度集成，以及面向极端气候条件的系统适应性设计。随着相关技术的不断突破与标准体系的日益完善，太阳能热泵换热系统将在建筑供热、工业用热等领域发挥更加重要的作用，为现代工程科技推动能源转型与可持续发展提供坚实的技术支撑。
参考文献
[1] 郭红伟. 太阳能热泵换热系统设计及质量测试[J]. 石河子科技, 2026, 0(3): 33-35.
[2] 郭红伟. 有选择吸收膜太阳能热泵换热系统设计及测试[J]. 2026.
[3] 周北雁, 黄兴华, 侯晓涵. 直膨式太阳能热泵蒸发器结构优化研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025.
