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需求背景

大力发展清洁能源和可再生能源是我国的一项基本国策。近年以传统太阳能集热器为主的热水及供热应用市场份额明显下滑，突破原有太阳能热利用方式，创新太阳能转换新技术和新装置对于太阳能热利用产业发展具有重要意义。将太阳能集热与热泵循环结合，即可充分利用太阳能，又能通过热泵循环吸收空气中的热能，满足连续稳定供热需求。国际能源署太阳能供热制冷委员会主席-法国太阳能专家Daniel Mugnier博士认为“太阳能热泵高效、非常有潜力”。但如何将具有强烈动态特性的太阳能集热与要求运行稳定的热泵循环耦合，是亟需突破的难题。

我国每年太阳能集热器产量超过4000万平米，占世界太阳能集热器总产量70%以上，近几年中国太阳能热利用行业持续下滑，2019年行业增幅-8.3%。在面临太阳能热利用行业技术创新不足，为实现行业新旧动能转换，亟需开发太阳能热利用新技术弥补产业漏洞，为可再生能源的发展提供新的技术路径。直膨式太阳能热泵系统的实施推广，可有效提高系统供热性能，降低二氧化碳排放量，从而实现高效绿色节能的住宅供热，为分布式可再生能源利用奠定基础。

需解决的主要技术难题

直膨式太阳能集热/蒸发器是直膨式太阳能热泵系统中的关键部件之一，其性能的优劣直接影响热泵系统性能系数（COP）。用于太阳能热泵的直膨式太阳能集热/蒸发器发展至今主要有三代，第一代管板焊接式，第二代为裸板式，第三代为吹胀式。前两代直膨式太阳能集热/蒸发器存在高传热热阻、低集热效率、均流性差的问题。为有效提高直膨式太阳能集热/蒸发器，提高各项性能指标，开发流道设计优化的第三代吹胀式太阳能集热/蒸发器迫在眉睫。此外，基于太阳能集热循环特性与热泵循环优化可以更好地使得系统高效、稳定、可靠供热。为提高太阳能利用效率，推动我国太阳能行业发展亟待突破两大技术难题。

难题之一：吹胀式太阳能集热/蒸发器由于其流道设计的可变性，加以相变过程制冷剂两相流的复杂性，不同流道设计可直接影响其集热效率、均流性和系统功耗，从而进一步影响系统性能。现有报道及生产的吹胀式太阳能集热/蒸发器存在无法合理耦合制冷剂的蒸发过程与太阳能集热过程的问题。因此，设计传热热阻小、流动阻力小、集热效率高、流量分配均匀的吹胀式太阳能集热/蒸发器是本项目需要突破的第一个重大技术难题。

难题之二：由于系统运行过程中太阳辐照不稳定会使得蒸发过程吸热量不同，而导致蒸发压力和温度动态变化。理论上集热温度越高，对应热泵循环效率越高；但集热温度越高，集热器集热效率会降低。因此，如何基于热泵循环状态，太阳能集热/蒸发器的集热特性，环境参数等进行实时动态调节，将太阳能集热循环与热泵循环合理耦合，实现系统高效、稳定、可靠供热成为直膨式太阳能热泵供热系统的第二个重大技术难题。

期望实现的主要技术目标

1．开发新型的直膨式太阳能集热/蒸发器 相比于传统单相流的太阳能集热器，太阳能集热/蒸发器内工质的两相流过程更为复杂和难以预测。而管内工质在蒸发过程的无规则涡流增加了流动阻力并导致流量分配的不均一性，造成蒸发器内压力损失增大且集热器均温性差。而以往绝大多数的吹胀式太阳能集热/蒸发器存在流动阻力大、均流性差、集热效率不高的问题，使得无法合理耦合工质的蒸发过程与太阳能集热过程。但由于其流道设计仍未有相关设计规范和标准，在吹胀式集热/蒸发器的流道设计方面需要克服一系列难题。因此，预期目标是开发高效均流低阻的直膨式太阳能集热/蒸发器，从而达到高效集热，流动均匀性好的性能指标。 2．研制稳定供热的直膨式太阳能热泵系统 由于太阳辐照存在间歇性和不稳定的特点，造成了太阳能集热循环的不稳定。对于太阳能集热/蒸发器而言，其工质用于蒸发的吸热量随环境条件实时变化。而对于热泵循环，其运行具有稳定性，对应的系统蒸发和冷凝温度、压力处于稳定状态。因此，在太阳能集热循环和热泵循环中便存在匹配问题。如何调节系统使热泵转化蒸发量满足太阳能集热循环集热量，从而使得太阳能集热循环与热泵循环合理耦合，是稳定系统输出、优化系统运行参数的难点。因此，预期目标是开发一套稳定热力输出的直膨式太阳能热泵系统及其控制方法，实现多种工况下，系统高效稳定的热力输出。

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