隨著世界能源消費量的大幅度增長，人們把能源利用的重點轉移到可再生能源的開發和利用上來。太陽能以其取之不盡、廉價、安全、無需運輸、清潔無污染等特點受到人們的重視，光熱、光電、光化學等太陽能利用技術已迅速地發展起來。
由于太陽能受季節和天氣影響較大、熱流密度低，導致各種形式的太陽能直接熱利用系統在應用上都受到一定的限制。隨著生活水平的提高，熱用戶對于供熱的要求也越來越高，太陽能利用的一些局限性日益顯現出來：
1.在太陽輻照時間少的國家和地區，其應用受到很大限制；2.白天集熱板板面溫度的上升會導致集熱效率下降；3.在夜間或陰雨天沒有足夠的太陽輻射時，無法實現24小時的連續供熱，如采用輔助加熱方式，勢必又要消耗大量的其它能源；4.加熱周期較長；5.傳統的太陽集熱器與建筑不易結合，在一定程度上影響了建筑的美觀；6.常規的太陽熱水器需要在房頂設水箱，在夜間氣溫較低時，儲水箱和集熱器向外界散熱造成大量的熱量損失。
這種太陽能與熱泵聯合運行的思想，最早是由Jordan和Threlkeld在20世紀50年代的研究中提出。在此之后，世界各地有眾多的研究者相繼進行了相關的研究，并開發出多種形式的太陽能熱泵系統。
早期的太陽能熱泵系統多是集中向公共設施或民用建筑供熱的大型系統，比如,20世紀60年代初期，Yanagimachi在日本的Tokyo，Bliss在美國的Arizona都曾利用無蓋板的平板集熱器與熱泵系統結合，設計了可以向建筑供熱和供冷的系統，但是由于效率較低、初投資較大等原因沒有推廣開來。后來，出現了向用戶供應熱水的太陽能熱泵系統，特別是近些年來，供應中溫熱水的系統引起了人們廣泛的興趣，相繼有眾多的研究者都對此進行了深入的研究。
二、太陽能熱泵系統的理論分析
（一）、太陽能熱泵的分類及概述
按照太陽能和熱泵系統的連接方式，太陽能熱泵系統分為串連系統、并聯系統和混合連接系統，其中串連系統又可分為傳統串連式系統和直接膨脹式系統。傳統串連式系統如圖2所示。在該系統中，太陽能集熱器和熱泵蒸發器是兩個獨立的部件，它們通過儲熱器實現換熱，儲熱器用于存儲被太陽能加熱的工質（如水或空氣），熱泵系統的蒸發器與其換熱使制冷劑蒸發，通過冷凝將熱量傳遞給熱用戶。這是最基本的太陽能熱泵的連接方式。
下面對直接膨脹式太陽能熱泵系統進行詳細的理論分析。
（二）、直接膨脹式太陽能熱泵系統的理論分析
1、直接膨脹式太陽能熱泵的基本工作原理
過熱蒸氣（狀態點1）在壓縮機中經過絕熱壓縮（消耗功W）變為高溫高壓的氣體（狀態點2），然后經冷凝器定壓冷凝變為高溫高壓的液體（狀態點3），冷凝過程中放出熱量Qk，過程2′～2′、3′～3′放出顯熱，過程2′～3′放出潛熱。高溫高壓液體再經膨脹閥絕熱膨脹變為低溫低壓的氣液混合物（狀態點4），最后回到蒸發器里定壓蒸發，吸收熱量Q0，過程4～1′，吸收潛熱，過程1′～1吸收顯熱。根據熱力學第一定律Qk＝Q0＋W，熱泵的性能系數COP＝Qk/W＝1＋Q0/W。
2、直接膨脹式太陽能熱泵系統的理論分析
（1）理論循環的熱力分析
理論循環是建立在以下假設的基礎上：壓縮過程和膨脹節流過程為絕熱過程，壓縮過程不存在不可逆損失，為等熵過程；工質在管道內流動時，沒有流動阻力損失。
按照熱力學第一定律，對于在控制容積中進行的狀態變化存在如下關系：
Δq＝dh－ΔW
對上式積分可以得到整個過程的表達式
q＝Δh－W
①蒸發過程ΔW＝0
因而Δq＝dh，q0＝h1－h4。
q0稱為單位制冷量，在壓焓圖上用線段4～1表示。
②壓縮過程Δq＝0
因而ΔW＝dh，W＝h2－h1
W稱為單位理論功，在壓焓圖上以橫坐標軸上的線段1″一2″的長度來表示。
③冷凝過程ΔW＝0
因而Δq＝dh，qk＝h2－h3
qk稱為單位冷凝熱，也就是熱泵的單位供熱量，在壓焓圖上用線段2～3的長度來表示。
④節流膨脹過程
節流過程為一不可逆過程，不能用微分符號表示，但對整個節流過程前后可用積分式表示，即W＝0，q＝0。
因而Δh＝0，h3＝h4。
（2）系統能量平衡分析
假設系統處于穩定狀態，忽略工質在連接管道中流動摩擦的能量損失，對系統各部分分別進行能量平衡分析。
①太陽能蒸發集熱器
從節流裝置流出的工質，在太陽能蒸發集熱器里吸收太陽能或環境空氣中的熱量進行定壓蒸發，吸收的熱量可用下式表示：
Q0＝AFR[（τα）It－UL（Tf，i－Ta）]＝MR(h1－h2) 式中：A為太陽能蒸發集熱器吸熱面積，m2；FR為熱轉換因子；τα為有效透過率和吸收率的乘積；It為投射到太陽能蒸發集熱器上的太陽能輻射，W/m2；UL為吸熱面的總熱損系數，W/m2•℃ ；Tfi為蒸發器流體進口溫度，℃；Ta為外界大氣溫度，℃；MR為制冷劑質量流量，kg/s；
h1，h4為圖中1，4狀態點的焓，J/kg。
②壓縮機
從蒸發器里出來的低溫低壓過熱蒸氣經壓縮機壓縮變為高溫高壓的蒸氣，壓縮機的理論耗功率W，可用下式表示：
W＝MR（h2－h1）＝Weηmηiηa
式中：MR為制冷劑質量流量，kg/s；h2，h1為圖中2、1狀態點的焓， J/kg；We為實際耗功率，W；ηm為機械效率；ηi為內效率；ηa為電機效率。
③帶有冷凝器的冷凝水箱
從壓縮機出來的高溫高壓蒸氣流經冷凝水箱時，被定壓冷卻為高溫高壓的液體，放出熱量Qk，可由下式表示：
QK＝cG（Te－Ts）＝MR（h2－h3）
式中：c為水的比熱，J/ks•°C ；Cw為單位時間內被加熱的水量，kg/s；Te，Ts。為被加熱水的終溫和初溫，℃；h2，h3為圖中2，3狀態點的焓，J/kg。
④系統的供熱系數COP
COP＝QK/We＝（h2－h3）ηmηiηa（h2－h1）
從上式可知，要提高系統的COP，除改善壓縮機的各部件效率外，還可降低壓縮機進出口的比焓差值（h2－h1），即提高蒸發溫度T0或降低冷凝溫度Tk。由于降低冷凝溫度Tk對冷凝水箱換熱不利，因此通常通過提高蒸發溫度T0來提高系統的供熱系數COP。研究表明，太陽能輻射和環境溫度越高，蒸發集熱器里的蒸發溫度T0越高，系統的供熱系數COP越大。
系統平衡分析（用E來表示）是以環境狀態（P0，T0）作為基準來衡量能量的作功能力。穩定流動系統通常可表示為
E＝（H－H0）T0（S－S0）
其中，H0和S0為環境下的焓和熵。
由于實際過程都是不可逆過程，所以不可避免地要產生不可逆的可用能損失。如何盡量減少這種損失，尋求改善循環的方法，嫻分析是有效的手段。下面對系統各部分進行嫻平衡分析。
①太陽能蒸發集熱器
平衡式：E1，1＝AIt（1～Ta/Td ～MR（e1－e4）
式中：E1，1為太陽能蒸發集熱器的炯損失，W；td為太陽輻射溫度，K；e4，e1，為蒸發器中工質進出口比火用，即圖2中狀態點4，1的比，J/kg。
效率方程式：ηE1＝MR（e1－e4）/[（AIT（1－ta/tS））?
②壓縮機
平衡式：E1，2＝We－MR（e2－e1）式中：E1，2為壓縮機的火用損失，W；e1，e2為壓縮機中工質進出口比火用，即圖2中狀態點1，2的比火用，J/kg。
效率方程式：ηE2＝MR（e2－e4）/We
③冷凝水箱
嫻平衡式：E1，3＝MR（e2－e3）－GW（ee－es）
式中：E1，3為壓縮機的嫻損失，W；e2，e3為冷凝器中工質進出口比火用，即圖2中狀態點2，3的比，J/kg；ee，es為水箱中水的初時比嫻和終時比嫻，J/kg。
效率方程式：
ηE１＝GW（ee－es）/[MR（e2－e3）]
④熱力膨脹閥
平衡式：E1，2＝MR（e3－e4）
式中：E1，4為膨脹閥的損失，W；e3，e4為膨脹閥中工質進出口比，即圖2中狀態點3，4的比，J/kg。
效率方程式：ηE4＝e4e3
要提高整個系統的火用效率ηE，必須減少系統各部件的火用損失，降低各部件的不可逆程度。對于集熱器、冷凝器應盡量減小其換熱溫差，對于壓縮機盡量減少內部摩擦損失，提高壓縮機效率，對于膨脹閥應盡量降低進口的壓力和提高出口的壓力。
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