太阳能和空气源热泵组合热水系统应用分析

太阳能和空气源热泵组合热水系统应用分析

李祥英

广州市铂高太阳能科技有限公司510665

摘要：太阳能、空气能作为可再生能源,在建筑节能中越来越受到人们的重视。在分析两类能源各自优缺点的基础上,指出了太阳能-空气源热泵组合热水系统在热水稳定供应及节能环保方面的优势。通过实例进一步分析了技术经济性,结果表明太阳能-空气源热泵组合热水系统在经济性和节能性方面均优于常规热水器,值得大力推广使用。分析其可行性与产生的社会经济价值，探讨该领域潜在的建筑节能空间。

关键词：太阳能；空气源热泵；集中热水系统；建筑节能

近年来，我国经济一直保持着较快的增长速度，与此同时，能源紧张的矛盾也日益突出。我国能源相对稀缺，人均能源资源量远低于世界平均水平。另一方面，能源工业技术水平低、能耗高、能源利用率低又加剧了国内能源紧张的局面[1]。目前，我国现有建筑中95%达不到节能标准，建造和使用建筑直接、间接消耗的能源已经占到全社会总能耗的46.7%[2]。为缓解当前能源危机，节能减排、开发利用新能源日益受到人们的重视。

1太阳能在建筑热水系统中的应用

传统的建筑热水系统供热方式主要有燃煤锅炉加热、燃气锅炉加热、燃油锅炉加热、电加热等。这些供热方式消耗的均为不可再生能源，且存在利用效率低、燃烧不完全、热损失较大等缺点，因此，不仅造成巨大的能源浪费，在使用过程中排放的氮氧化物、CO2和SO2等废气也对环境造成了巨大的危害。在这种形势下，探索一些新型可再生、无污染的清洁替代能源成为必然趋势。太阳能热水系统可分为集中太阳能热水系统和分散太阳能热水系统。常用集中太阳能热水系统包括直流式系统、自然循环直接加热系统、强制循环直接加热系统、强制循环间接加热系统等；常用分散太阳能热水系统包括紧凑式系统、分离式直接加热系统、分离式间接加热系统等。太阳能热水系统由太阳能集热器、热水贮水箱和热水输送管网3个部分组成，其中，太阳能集热器是决定其热效率的关键构件。太阳能热水系统中，接受太阳能辐射并向其内部介质（水）传递热量的部件，称为太阳能集热器。目前主要有平板型、全玻璃真空管、真空热管3种太阳能集热器。平板型太阳能集热器是金属管板式结构，热效率高，产热水量大，可承压，耐空晒，性价比高，但无抗冻能力，适用于广东、云南、海南等冬季不结冰的地区。全玻璃真空管太阳能集热器有一定的抗冻能力，适用于冬季气温在-20~0℃的地区，但不能承受高压，使用时不能缺水空晒，玻璃管易爆裂。真空热管太阳能集热器有很强的抗冻能力，适用于冬季气温在-40~0℃的地区，可承压，耐空晒，不易爆管。

2热泵在建筑热水系统中的应用

热泵是解决能量等级不合理使用的有效手段。它可以利用高级别能量所具有的潜力，去提取周围环境或将被排放的“废热”中的能量，使其温度升高，从而得到远比这些高级别能量直接转换时更多的热能。热泵机组用COP（性能系数）=制热（冷）功率/输入功率来评价其运行效率。假如1台以电能驱动的热泵热水器的COP为3，即消耗1kW•h的电能，将可以获得3kW•h的热能，与只可以将电能作1∶1交换的电加热热水器相比，热泵可以节约2/3的能量。在标准工况下，热泵机组的COP值通常大于4。对于不同循环工质、不同压缩机类型、不同容量和种类的热泵机组，其COP值还会有差异。在运行中影响热泵机组COP值的主要因素是蒸发器和冷凝器外部介质（空气或水）的工作温度，以及它们之间的温差。通常在机组允许的温度范围内，蒸发器外部介质温度越低，或冷凝器外部介质温度越高时，COP值越低。反之，COP值越高。热泵系统通常分为空气源热泵系统和地源热泵系统。空气源热泵热水系统通常由空气源热泵、辅助热源、贮（换）热、热水管网等4部分组成；地源热泵热水系统通常由低温热源、水源热泵、贮（换）热、热水管网等4部分组成，有时也需设辅助热源。地源热泵系统按低温热源不同又可分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统。

3太阳能和空气源热泵组合热水系统应用实例

3.1工程概况

该项目总用地面积约13000m2，总建筑面积为25000m2，共有10栋多层建筑，层数为3～7层并有退台及坡屋面设计处理。整个小区设集中热水供应系统，保证全天24h不间断供应热水，管网内热水温度不低于55℃。

3.2热水系统及加热设备该

地区常年气温在0℃以上，日照时间和日照强度充足，因此，热水系统主热源选用太阳能，辅助热源选用空气源热泵。本工程采用集中热水系统。设计中，太阳能热水系统与空气源热泵热水系统均按在各自独立运行时可满足最高日热水用水量考虑。太阳能集热器选用平板型集热器。在地下室热水机房内设置容积为50m3的不锈钢装配式热水贮水箱和容积为5m3的热泵加热水箱。热水由一组变频调速水泵加压后供应各用水点，同时热水回水至热泵加热水箱，整个系统为立管循环，由连接温度控制系统的电磁阀控制循环的启闭，以确保管网内水温不低于55℃。当日照时间和日照强度充足时，太阳能集热器组产生的热水量可满足最高日用水量的要求，此时，所有热水均由太阳能集热器组提供，空气源热泵仅用于补充整个管网的热损失；当遇到阴雨天气或日照时间和日照强度不能满足要求时，则启动空气源热泵补充热水贮水量，以满足最高日热水用水量的要求。整个系统通过空气源热泵对热泵加热水箱的循环加热，实现对管网热损失的补偿及对热水贮水量的补充。在此过程中的运行控制均由温度及水位传感自动控制系统完成。

3.3工程社会经济效益分析

本工程采用太阳能和空气源热泵组合热水系统替代传统的燃气（油）锅炉热水系统，不仅节约了能源，降低了运行成本，而且大大减少了建筑对周围环境的污染。下面按全年太阳能热水系统独立运行情况对其经济效益进行分析。另外，空气源热泵热水机组生产单位体积热水的成本仅为天然气热水锅炉生产单位体积热水成本的32.59%。空气源热泵热水机组与液化气热水锅炉相比，其节能效果更为明显，生产单位体积热水的成本仅为液化气热水锅炉的19.82%。太阳能热水系统与空气源热泵热水系统均具有较大的节能空间，将两者结合应用，不仅可以最大限度地利用太阳能，降低运行成本，而且能够有效利用空气源热泵补偿太阳能的不确定性，使整个热水系统在运行中更加安全、可靠。

4结束语

近年来,太阳能热水器的应用日益普及,但常规太阳能热水器易受气候的影响,不能全天候运行。空气源热泵热水机组作为一种高效节能装置,其开发利用得到了越来越广泛的重视,但当室外温度降低时,空气源热泵机组的供热量及效率也随之下降,尤其当冬季室外温度降到0℃以下时机组存在结霜除霜的问题。通过工程实例分析可以看出，用太阳能和空气源热泵组合热水系统取代传统热源热水系统应用于建筑中，一方面能够节约柴油、天然气、电等传统能源，缓解当前日益严重的能源危机，创造更大的经济价值；另一方面，由于太阳能为清洁、无污染的可再生能源，空气源热泵是高效率、低污染的热机，两者配合使用大大降低了建筑本身对周围环境的污染。随着国家对建筑节能的重视不断加大，这一应用领域将迎来更加广阔的发展空间。

参考文献

[1]姜海勇.中国能源现状及未来发展战略[J].深圳特区科技,2006(4):42-44.

[2]吴珊.大型建筑成能耗黑洞[N].中国青年报,2005-05-25(4).

[3]建设部工程质量安全监督与行业发展司,中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施———节能专篇（给水排水）[S].北京:中国计划出版社,2007.