太阳能热效应的应用和改进

  • 陆尧杰 13901818150, 06300190019@fudan.edu.cn
  • 潘涛 13761127574, 06300190041@fudan.edu.cn

三种太阳能集热器原理分解

太阳能采集

太阳辐射的能流密度低,在利用太阳能时为了获得足够的能量,或者为了提高温度,必须采用一定的技术和装置(集热器),对太阳能进行采集。集热器按是否聚光,可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。 非聚光集热器(平板集热器,真空管集热器)能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射,集热温度较低;聚 光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上,可获得较高温度,但只能利用直射辐射,且需要跟踪太阳。

平板集热器

历史上早期出现的太阳能装置,主要为太阳能动力装置,大部分采用聚光集热器,只有少数采用平板集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的,但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域,平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。为了提高效率,降低成本,或者为了满足特定的使用要求,开发研制了许多种平板集热器: 按工质划分有空气集热器和液体集热器,目前大量使用的是液体集热器; 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等; 按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器,还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等; 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。目前,国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合,国外一般采用高频焊,国内以往采用介质焊,199S年我国也开发成功全铜高频焊集热器。1937年从加拿大引进铜铝复合生产 线,通过消化吸收,现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。 为了减少集热器的热损失,可以采用中空玻璃、聚碳酸酯阳光板以及透明蜂窝等作为盖板材料,但这些 材料价格较高,一时难以推广应用。 _陆尧杰_潘涛_.doc

(本学期进行了平板集热器的效率研究,与前人所得结果相同,平板集热器的效率在40%左右。具体见上传的实验报告。我们的实验也有一些遗憾和不足,希望后继实验者能够加以改进。)

(我将我们实验的原始数据和数据处理结果一并上传吧.rar

(还有实验期末报告的powerpoint 数据分析部分.ppt

(在安装数据采集卡时,随卡附带的光盘中的驱动程序有点问题,是windows.net framework的版本有问题,需要安装低版本的,大概是1.0左右,这样在启动tracerDAQ时才不会有警告对话框)

真空管集热器

为了减少平板集热器的热损,提高集热温度,国际上70年代研制成功真空集热管,其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内,大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起,即构成真空管集热器,为了增加太阳光的采集量,有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管,玻璃-U型管真空集热管,玻璃。金属热管真空集热管,直通式真空集热管和贮热式真空集热管。最近,我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集 热管。我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来,经20多年的努力,我国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业,用于生产集热管的磁控溅射镀膜机在百台以上,产品质量达世 界先进水平,产量雄居世界首位。我国自80年代中期开始研制热管真空集热管,经过十几年的努力,攻克了热压封等许多技术难关,建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地,产品质量达到世界先进水平,生产能力居世界首位。 目前,直通式真空集热管生产线正在加紧进行建设,产品即将投放市场。

聚光集热器

聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分,聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类,每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为了满足太阳能利用的要求, 简化跟踪机构,提高可靠性,降低成本,在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多,但推广应用的数量远比平板集热器少,商业化程度也低。 在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器(点聚焦)和槽形抛物面镜聚光集热器 (线聚焦)。前者可以获得高温,但要进行二维跟踪;后者可以获得中温,只要进行一维跟踪。这两种聚光集热 器在本世纪初就有应用,几十年来进行了许多改进,如提高反射面加工精度,研制高反射材料,开发高可靠性 跟踪机构等,现在这两种抛物面镜聚光集热器完全能满足各种中、高温太阳能利用的要求,但由于造价高,限制了它们的广泛应用。

70年代,国际上出现一种“复合抛物面镜聚光集热器”(CPC),它由二片槽形抛物面反射镜组成,不需要跟踪太阳,最多只需要随季节作稍许调整,便可聚光,获得较高的温度。其聚光比一般在10以下,当聚光比在3以下时可以固定安装,不作调整。当时,不少人对CPC评价很高,甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破,预言将得到广泛应用。但几十年过去了,CPC仍只是在少数示范工程中得到应用,并没有象平板集 热器和真空管集热器那样大量使用。我国不少单位在七八十年代曾对CPC进行过研制,也有少量应用,但现在基本都已停用。

其它反射式聚光器还有圆锥反射镜、球面反射镜、条形反射镜、斗式槽形反射镜、平面。抛物面镜聚光器等。此外,还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜–定日镜。定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成,在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射至同一吸收器上,吸收器可以达到很高的温度,获得很大的能量。

利用光的折射原理可以制成折射式聚光器,历史上曾有人在法国巴黎用二块透镜聚集阳光进行熔化金属的表演。有人利用一组透镜并辅以平面镜组装成太阳能高温炉。显然,玻璃透镜比较重,制造工艺复杂,造价高,很难做得很大。所以,折射式聚光器长期没有什么发展。70年代,国际上有人研制大型菲涅耳透镜,试图用于制作太阳能聚光集热器。菲涅耳透镜是平面化的聚光镜,重量轻,价格比较低,也有点聚焦和线聚焦之分,一般由有机玻璃或其它透明塑料制成,也有用玻璃制作的,主要用于聚光太阳电池发电系统。

我国从70年代直至90年代,对用于太阳能装置的菲涅耳透镜开展了研制。有人采用模压方法加工大面 积的柔性透明塑料菲涅耳透镜,也有人采用组合成型刀具加工直径1.5m的点聚焦菲涅耳透镜,结果都不大理想。近来,有人采用模压方法加工线性玻璃菲涅耳透镜,但精度不够,尚需提高。 还有两种利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器,虽然尚未获得实际应用,但具有一定启发性。一种是光导纤维聚光器,它由光导纤维透镜和与之相连的光导纤维组成,阳光通过光纤透镜聚焦后由光纤传至使 用处。另一种是荧光聚光器,它实际上是一种添加荧光色素的透明板(一般为有机玻璃),可吸收太阳光中与荧光吸收带波长一致的部分,然后以比吸收带波长更长的发射带波长放出荧光。放出的荧光由于板和周围介质的差异,而在板内以全反射的方式导向平板的边缘面,其聚光比取决于平板面积和边缘面积之比,很容易 达到10一100,这种平板对不同方向的入射光都能吸收,也能吸收散射光,不需要跟踪太阳。

蜂窝热管平板式太阳能热水器的实验研究

真空管技术

真空管技术的吸热原理

真空管是太阳能热水器的核心,他的结构如同一个拉长的暖瓶胆,内外层之间为真空。在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层,用来最大限度的吸收太阳辐射能。经阳光照射,光子撞击涂层,太阳能转化成热能,水从涂层外吸热,水温升高,密度减小,热水向上运动,而比重大的冷水下降。热水始终位于上部,即水箱中。太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大,主要取决于光照。当打开厨房或洗浴间的任何一个水龙头时,热水器内的热水便依靠自然落差流出,落差越大,水压越高

太阳墙 SolarWall Systems

一些相关太阳能技术的专利

1、蜂窝热管平板式太阳能热水器的研究

  特点是同时应用了热管技术和蜂窝技术的平板式太阳能热水器。首先分析了目前国内太阳能热水器现状及它们的优缺点以及今后的发展趋势,在此基础上提出了本文的研究课题。本研究中用到的热管是重力热管。重力热管具有热二极管特性,并且具有较强的传热能力和较高的等温性,这使得热管在太阳能的热利用中得到应用。而在透明玻璃盖板和吸热板之间放置蜂窝结构,基本上能消除吸收表面和盖板之间的空气自然对流热损失,并可大大降低辐射损失,显著提高集热器的热转换效率。 通过大量的实验,对蜂窝热管平板式太阳能热水器和全玻璃真空管式太阳能热水器的热性能进行比较,包括瞬时效率、日平均效率、热损系数等。蜂窝热管平板式太阳能热水器的非稳态效率曲线是一条负斜率的直线,而全玻璃真空管式太阳能热水器的非稳态效率曲线是一条先下降后上升的曲线。蜂窝热管平板式太阳能热水器在低温的情况下(一般小于60℃)具有优势,其日平均效率为48.3%,而真空管式太阳能热水器的日平均效率为42.2%………..共84页

2、太阳能热水器系统的研究和设计

  结合实际的太阳能热水器设计经验,在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上,详细描述了此款太阳能的工作原理和设计方案。 全文共分为3大部分。第一部分包括第1章,描述了此款太阳能的工作原理。第二部分包括第2、3、4、5章,分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、太阳能的利用和前景、单片机发展和原理,是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。第三部分包括第6章和附件,是此款太阳能热水器的具体设计过程。 本文深入浅出,既有理论介绍,又有实际的设计实例,可作为电子工程设计人员的………..共72页

3、防冻太阳能热水器 
4、太阳能热水器管道排空阀 
5、家庭用真空管式太阳能热水器双排气电加热组件 
6、集体用真空管式太阳能热水器的上供水装置 
7、太阳能热水器存水总量控制系统 
8、一种新型太阳能热水器集热器 
9、全塑型一体式太阳能热水器 
10、太阳能热水器水温可调自动分储保温水箱 
11、太阳能热水器水位显示器 
12、新型玻璃真空热管太阳能热水器 
13、分级加热太阳能热水器 
14、太阳能热水器水满自动关闭装置 
15、以艺术雕塑为外表的太阳能热水器 
16、串联式集热器组装的快速升温分体式太阳能热水器 
17、高效的太阳能热水器之集热管 
18、改进的真空管太阳能热水器 
19、太阳能热水器快速出热水装置 
20、一种太阳能热水器的加热和使用控制方法 
21、滚动摩擦加热式太阳能热水器 
22、双循环真空管太阳能热水器 
23、太阳能热水器单管路液位监控装置 
24、复合式太阳能热水器的水流方式 
25、多流式圆柱型高效太阳能热水器 
26、被动式太阳能热水器 
27、高保温性能的太阳能热水器 
28、一种管板式整体成型的太阳能热水器集热条 
29、带加热管的太阳能热水器 
30、一种整体抗冻太阳能热水器 
31、内聚光太阳能热水器 
32、非金属太阳能热水器 
33、抗冻太阳能热水器 
34、新型家用太阳能热水器 
35、一种闷晒式太阳能热水器的吸热涂料 
36、双弧反射凹腔吸热挂壁式太阳能热水器 
37、全真空闷晒式太阳能热水器 
38、用于太阳能热水器的吸热装置 
39、无水箱真空瓶连集式太阳能热水器 
40、窗式保健太阳能热水器 
41、太阳能热水器的水流复合流动方法 
42、太阳能热水器的防冻引水管及其防冻方法 
43、自动电加热补偿式太阳能热水器 
44、一种抗冻太阳能热水器 
45、一种抗冻太阳能热水器 
46、太阳能热水器的自动快速水循环装置 
47、一种真空管式太阳能热水器的反光板 
48、热水分储式太阳能热水器 
49、全自动太阳能热水器高液位报警器 
50、工程太阳能热水器 
51、一种太阳能热水器吸热板芯的制造方法 
52、节能型太阳能热水器 
53、太阳能热水器自控上水装置 
54、一种太阳能热水器 
55、太阳能热水器真空管双翻边插管孔 
56、家用型真空管式太阳能热水器水箱 
57、易拉罐、可塑瓶废物利用的太阳能热水器 
58、隔热层式太阳能热水器及安装方法 
59、随日系统及配备该系统的太阳能热水器 
60、太阳能热水器冰箱复合机 
61、与太阳能热水器配合使用的组合阀 
62、一种太阳能热水器 
63、高强度太阳能热水器 
64、一种太阳能热水器给水系统专用电磁阀 
65、绒面柔性集热体太阳能热水器 
66、强迫循环式太阳能热水器的水流循环控制方法 
67、太阳能热水器 
68、高效太阳能热水器 
69、承压式太阳能热水器上的集热器 
70、太阳能热水器上(落)水自动控制系统 
71、多箱型全天候太阳能热水器 
72、太阳能热水器水箱的上下水管排空装置 
73、含有杀菌功能的太阳能热水器的储水箱 
74、可拆叠式运输太阳能热水器水箱及其加工工艺
75、分层复合循环太阳能热水器 
76、内热式太阳能集热装置(内热式太阳能热水器) 
77、螺旋循环式自动关水、及时排空太阳能热水器 
78、太阳能热水器 
79、房屋太阳能热水器水管固定管 
80、一种免冻太阳能热水器给水系统及专用电磁阀 
81、屋盖式多功能太阳能热水器 
82、太阳能热水器 
83、太阳能热水器水量自动测量与控制系统 
84、抗冻太阳能热水器 
85、太阳能热水器系统装置 
86、太阳能热水器集热器自动跟踪阳光的方法 
87、安装太阳能热水器的坡屋面 
88、双热管式太阳能热水器 
89、太阳能热水器自动补水器 
90、太阳能热水器真空循环管 
91、新型真空管太阳能热水器 
92、浮子引控太阳能热水器自动给取水装置 
93、一种初高温水箱连接二次光照加热式太阳能热水器 
94、新一代金属玻璃真空管太阳能热水器 
95、柱瓶式太阳能热水器 
96、太阳能热水器水位水温传感器 
97、全新高效太阳能热水器 
98、塔式太阳能热水器 
99、太阳能热水器自动注水及自动双向增压系统 
100、太阳能热水器及其安装方法 
101、太阳能热水器自动上水装置及制造方法 
102、太阳能热水器和巴氏杀菌器 
103、一种防冻太阳能热水器集热板 
104、夹套式全玻璃真空管太阳能热水器 
105、双循环太阳能热水器 
106、改进型平板太阳能热水器 
107、一种太阳能集热管及太阳能热水器 
108、整体式太阳能热水器 
109、太阳能热水器 
110、一种太阳能热水器 
111、一种防腐多功能模块组合式太阳能热水器 
112、透光型太阳能热水器 
113、一种多功能太阳能热水器 
114、太阳能热水器介质热循环系统保护阀 
115、太阳能热水器水箱防抽瘪阀 
116、太阳能热水器系统 
117、出水管排空防冻太阳能热水器 
118、连接多箱太阳能热水器 
119、双管承压式太阳能热水器 
120、隔热防爆外置接口式太阳能热水器 
121、全投影集热太阳能热水器 
122、诱导式建筑型分体太阳能热水器及其操作控制方法 
123、太阳能热水器 
124、自动跟随阳光直射角太阳能热水器 
125、分体式平面采光太阳能热水器 
126、一种带内置换热器的分体式太阳能热水器 
127、太阳能热水器 
128、无水箱真空管蓄热式太阳能热水器 
129、太阳能热水器自动测控仪的遥控方法 
130、太阳能热水器管道滞留水防冻智能测控方法及装置 
131、太阳能热水器防炸裂全玻璃真空集热管的加工方法 
132、太阳能热水器自动控制仪 
133、太阳能热水器 
134、屋脊式免跟踪聚焦真空管太阳能热水器 
135、太阳能热水器电容式水位传感器测量值的修正方法 
136、真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器 
137、城市型太阳能热水器及其系统运行方法 
138、承压双能源分体式太阳能热水器 
139、一种复合式相变蓄能太阳能热水器 
140、一种高效太阳能热水器 
141、振荡流热管复合强化太阳能热水器 
142、太阳能热水器隐形反射板 
143、热管式太阳能热水器水箱与热管的连接结构 
144、太阳能热水器 
145、承压式、非承压式兼容全能太阳能热水器 
146、太阳能热水器液压多功能一体阀 
147、太阳能热水器专用水表 
148、球串集热管太阳能热水器 
149、太阳能热水器智能数码全自动控制仪 
150、分体式太阳能热水器 
151、金属管分体式太阳能热水器 
152、太阳能热水器行为节能电补偿装置 
153、太阳能热水器测水量、测水温、热水开关装置 
154、太阳能热水器用光敏传感器 
155、太阳能热水器全自动控制仪 
156、太阳能热水器溢流报警器 
157、太阳能热水器相变储热材料及其制备方法 
158、楼宇太阳能热水器控制系统及其控制方法 
159、具有数字指示的太阳能热水器自动控水装置 
160、在保温水箱内胆外表完成光热转换的太阳能热水器 
161、一种用于太阳能热水器的上水方法 
162、太阳能集热管及太阳能热水器 
163、一种太阳能热水器支座 
164、分体式太阳能热水器 
165、真空集热器与储水箱合二为一的卧式太阳能热水器 
166、用柱状式水透镜聚集的太阳能热水器 
167、太阳能热水器真空管内循环水的冷热隔离片 
168、自动排污清洗排空太阳能热水器 
169、挂壁式水箱分离型太阳能热水器 
170、外飘窗家用太阳能热水器 
171、全天候无水箱承压式太阳能热水器 
172、太阳能热水器智能数码全自动控制仪 
173、太阳能热水器水位传感器 
174、长条U形、高温大流量太阳能热水器 
175、太阳能热水器的反光板 
176、一种太阳能热水器 
177、太阳能热水器全自动控制仪 
178、一种屋顶式振荡流热管太阳能热水器 
179、一种遮阳式振荡流热管太阳能热水器 
180、太阳能热水器全自动控制仪 
181、直排热水型太阳能热水器 
182、新型太阳能热水器 
183、一种瓦片式太阳能热水器 
184、增加光照面积减少热损失太阳能热水器真空集热管 
185、太阳能热水器管道排空上下水结构及功能转换装置
186、一种清除太阳能热水器污垢的方法 
187、一种新型的带辅助水箱太阳能热水器的管路系统 
188、分体式太阳能热水器 
189、太阳能热水器的无电控制自动上水和自动排空装置 
190、全天候一体化无源定温全塑太阳能热水器系统 
191、新型太阳能热水器管道放排装置及方法 
192、一种太阳能热水器 

太阳能热泵技术原理及其特点

内容摘要: 太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统,区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。

太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统,区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。它把热泵技术和太阳能热利用技术有机的结合起来,可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。集热器吸收的热量作为热泵的低温热源,在阴雨天,直膨式太阳能热泵转变为空气源热泵,非直膨式太阳能热泵作为加热系统的辅助热源。因此,它可全天候工作,提供热水或热量。

1、太阳能热泵的分类

根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式,可分为直膨式(direct-expansionsoalarassistedheatpump,DX-SAHP)和非直膨式。在直膨式系统中,太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一,即制冷工质直接在太阳能集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发(如图2所示)。在非直膨式系统中,太阳能集热器与热泵蒸发器分立,通过集热介质(一般采用水、空气、防冻溶液)在集热器中吸收太阳能,并在蒸发器中将热量传递给制冷剂,或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或水。根据太阳能集热环路与热泵循环的连接形式,非直膨式系统又可进一步分为串联式、并联式和双热源式。串联式是指集热环路与热泵循环通过蒸发器加以串联、蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收的热量(如图3所示);并联式是指太阳能集热环路与热泵循环彼此独立,前者一般用于预热后者的加热对象,或者后者作为前者的辅助热源;双热源式与串联式基本相同,只是蒸发器可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源。

2、太阳能热泵的技术特点

太阳能热泵将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来,具有以下几个方面的技术特点[4]:

  • 1)同传统的太阳能直接供热系统相比,太阳能热泵的最大优点是可以采用结构简易的集热器,集热成本非常低。在直膨式系统中,太阳能集热器的工作温度与热泵蒸发温度保持一致,且与室外温度接近,而非直膨式系统中,太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源,集热介质温度通常为20℃~30℃,因此集热器的散热损失非常小,集热器效率也相应提高。有研究表明,在非寒冷地区即使采用结构简单、廉价的普通平板集热器,集热器效率也高达60%~80%,甚至采用无盖板、无保温的裸板集热器也是可以的。
  • 2)由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点,常规的太阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置,并且配备相应的辅助热源,这不仅造成系统初投资较高,而且较大面积的集热器也难于布置。太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性,在相同热负荷条件下,太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多,使得系统结构更紧凑,布置更灵活。
  • 3)在太阳辐射条件良好的情况下,太阳能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度,因而具有更高的供热性能系数(COP可达到4以上),而且供热性能受室外气温下降的影响较小。
  • 4)由于太阳能无处不在、取之不尽,因此太阳能热泵的应用范围非常广泛,不受当地水源条件和地质条件的限制,而且对自然生存环境几乎不造成影响。
  • 5)太阳能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点,即冬季可供暖,夏季可制冷,全年可提供生活热水。由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置,因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运行,以供白天供冷之用,不仅运行费用便宜,而且有助于电力错峰。
  • 6)考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题,直膨式太阳能热泵一般适用于小型供热系统,如户用热水器和供热空调系统。其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤其是应用于生产热水,具有高效节能、安装方便、全天候等优点,其造价与空气源热泵热水器相当,性能更优越。
  • 7)非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等优点,适合于集中供热、空调和供热水系统。易于与建筑一体化。

参考文献

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  • 2  范亚云,夏朝凤等.太阳能建筑一体化和热泵技术[].云南省第一届科学技术论坛集萃卷一:328~332
  • 3  刘立平,葛茂泉.太阳能热泵系统的综合评价[J].上海水产大学学报,2001,10(4):343~346
  • 4  旷玉辉,王如竹.太阳能热泵[J].太阳能,2003(2):20~24
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  • 6 J.G.Cervantes,E.Torres-Reye. Experiments on a solar-assisted heat pump and an exergy analysis of the system[J].Applied Thermal Engineering,2002,22:1289~1297
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  • 8 张喜明,白莉等.太阳能热泵供热水系统的实验研究[J].节能技术,2003,21(1):27,33
  • 9 旷玉辉,王如竹等.太阳能热泵供热水系统的实验研究[J].太阳能学报,2002,23(4):408~413
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其他参考文献

 
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