空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的应用研究

空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的应用研究

刘雨曦 1 丁玎 1 刘忠林 2

1 上海水石建筑规划设计股份有限公司重庆分公司， 400010

2 中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司,400042

摘要：太阳能和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。本文从空气源热泵辅助太阳能热水系统的原理和运行模式出发，结合地区的气候特点，模拟研究了该系统在夏热冬冷地区的最佳匹配模式，促进空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的推广应用。

关键词：空气源热泵辅助太阳能热水；夏热冬冷；最佳匹配模式；效益分析

1 引言

近年来，太阳能热水系统因其节能环保的优势在我国得到了迅猛的发展，但是常规的太阳能热水系统加热周期长，无法全天候供热水，在冬季和阴雨天气下需要辅助热源加热。空气源热泵以环境空气中蕴含的丰富低品位能作为其热源，具有处处都有，随取随用的特点，其运行不受阴雨天气的影响而实现四季供热，特别适合冬季气温不太低的夏热冬冷地区。

结合太阳能热水系统和空气源热泵的各自特点，提出将这两个系统进行有机

结合，组成空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的方案。用空气源热泵作为辅助

热源能弥补常规太阳能热水系统的缺陷，既克服了太阳能低密度、不稳定的缺陷，又弥补了空气源热泵寒冷季节效率较低的不足，因此能够实现高效、全天候运行，

这对降低热水能耗，实现建筑节能、环保具有重要意义。

2 空气源热泵辅助太阳能热水系统的构成和运行模式

2.1系统构成和工作原理

空气源热泵辅助太阳能热水系统主要由太阳能集热单元、空气源热泵单元和供热单元组成。其中太阳能集热单元主要包括太阳能集热器阵、太阳能热水循环泵、制热水箱、阀件及其管道；空气源热泵单元主要包括压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、热泵循环泵、制热水箱；供热单元主要包括供热水箱、热水增压泵、补水泵、阀件及其管道。系统运行原理如图1所示：

图1 空气源热泵辅助太阳能热水系统原理图

2.2 系统运行模式

如上图1所示，太阳能与空气源热泵热水系统在不同天气情况下，按太阳能、太阳能与空气双热源热泵、空气源热泵三种不同模式运行，既充分利用太阳能，提高热泵效率，同时在太阳辐射不足时，从空气中获取热量进行补充，有效提高了系统全年各种天气工况下的运行稳定性和可靠性。

（1）模式一，太阳能集热单元单独运行直接加热生活热水。在正常晴好天气，太阳辐射充足时（如夏季晴天），太阳能热水循环泵启动，太阳能集热单元充分将制热水箱的低温水加热到50℃后，太阳能热水循环泵停止工作，此时阀门F2、F3、F4、F6开启，阀门F1和F5关闭。此运行模式系统集热量全部来自太阳能，系统能耗最少。

（2）模式二，空气源热泵辅助太阳能集热单元加热生活热水。当太阳辐射强度不高时（如夏季多云天气或冬春秋季晴天），白天由太阳能集热单元先加热制热水箱的低温水，水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水机组加热，当水箱水温达到设定值时，空气源热泵热水机组自动关闭，其实质相当于用一套空气源热泵替代了传统的电加热器。此时阀门Fl、F2、F3、F4、F6打开，F5关闭。此运行模式系统集热量来自太阳能和空气，是该系统主要的运行模式。

（3）模式三，空气源热泵机组直接加热生活热水。在连续阴雨天或夜间，无太阳辐射能可利用时，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供，此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对水箱加热，阀门F1、F3、F4、F5、F6开启，阀门F2关闭，此运行模式得热量来自空气，系统能耗相对较大。此外，当定时供水可以满足系统要求，仅运行制热水箱能保障安全用水时，Fl、F3、F4、F5打开，F2、F6关闭，可实现单水箱运行，由制热水箱直接供水。

3 系统在夏热冬冷地区的最佳匹配研究

3.1重庆地区集热器最佳倾斜角的确定

《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中指出“集热器倾角应与当地纬度一致，如系统侧重在夏季使用，其倾角宜为当地纬度减10⁰；如系统侧重在冬季使用，其倾角宜为当地纬度加10⁰。”重庆地理纬度为29.58⁰，且重庆地区夏季太阳辐射远远大于冬季太阳辐射，太阳能集热系统侧重于在夏季使用，因此若按《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中的规定，重庆地区集热器的安装倾角应为29.58⁰或19.58⁰，这与本文计算所得到的0⁰最佳安装倾角稍有差异。

分别以最佳倾角0⁰和规范中给定的29.58⁰或19.58⁰作为倾角，对集热器倾斜面上的月平均日太阳辐射量和全年总太阳辐射量做进一步分析。1～12月份不同倾斜面上的月平均日太阳辐射量大小顺序为0⁰>19.58⁰>29.58⁰。三种倾角太阳能集热器倾斜面上全年接收到的总太阳辐射量大小顺序为0⁰>19.58

⁰>29.58⁰。最佳集热器倾角0⁰相较传统观点以19.58⁰或当地纬度29.58⁰作为集热器倾角，太阳能集热器每年每平方米可分别多获得79.52 MJ和205.37 MJ的太阳能。因此，通过综合比较，为获得更多的太阳辐射量，从全年范围来看，重庆地区太阳能集热器的最佳安装倾斜角为0⁰，即水平安装。

图2 不同倾角集热器全年总太阳辐射量的变化

3.2 重庆地区空气源热泵开启时间研究

由于太阳辐射的强弱会影响热泵的开启时间，本小节在不改变机组运行环境和运行工况的前提下，着重于改变热泵机组的开启时间，研究热泵不同开启时间对热泵单元能耗的影响，以寻求能耗最低的系统最优运行模式。从13:00开始，每间隔半小时延迟开启热泵（至17:30），并以每10分钟间隔的室外气温和太阳辐射量为计算依据，编制Matlab计算程序，计算热泵机组在不同开启时间下，每10分钟间隔内水箱的水温、空气源热泵单元的制热量、轴功率、机组COP随热泵运行时间的变化。

通过模拟研究得出，重庆地区全年不同月份，热泵机组存在一个最佳的开启时间，使得热泵单元运行能耗最低。即：1月热泵机组的最佳开启时间为13:00，2月为13:30，3月为14:30，4月为15:00，5月为17:00，6月为17:00，7月阴雨天为13:30，8月阴雨天为15:00，9月为16:30，10月为14:30，11月为13:30，12月为13:00。呈现出起始水温高时最佳时间点靠后移，起始水温低时最佳时间点靠前移的规律。

4 系统效益分析

对重庆地区空气源热泵辅助太阳能热水系统及其他几种常规热水系统（燃气锅炉、空气源热泵热水、太阳能系统+电辅热）在节能效益、经济效益和环保效益三个方面进行了比较。节能效益分析中，该系统年总节省量为343909.38MJ，该系统的年运行能耗等价标煤为8.62tce，为几种方案中的最低值；在以电能为能源的几种热水方案中，该系统每天单位热水能耗最低，仅为9.34 kWh／t。经济效益分析中，采用动态费用年值法，得出空气源热泵辅助太阳能热水系统的费用年值最低，为3.34万元；并分析了资金贷款利率和能源价格变化对各方案动态费用年值的影响，当资金贷款利率在10%以下时，空气源热泵辅助太阳能热水系统的动态费用年值受利率变化的影响较小；当各能源价格以相同的幅度增长时，该系统的动态费用年值受能源价格变化的影响最小，具有较高的经济竞争优势。环保效益分析中，计算了使用年限内该系统相对于其他热水方案的C0₂减排量，在全球气候变暖的大环境下，该系统因使用可再生清洁能源，具有较好的环保效益。

5 结语

空气源热泵辅助太阳能热水系统，将空气源热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，既有太阳能热水器的优点，又可以保证系统全天候运行。该系统在夏热冬冷地区的运用具有一定的应用潜力，可带来良好的社会效益和环境效益。

参考文献

［1］冯诗愚,胡伟.热泵辅助太阳能中央热水系统年运行热性研究［J］.太阳能学报，2008，29（3）：59-62.

［2］阮学峰.中国太阳能热利用技术在建筑中的应用［J］.中国西部科技，2009（22）：18-20.

［3］杨庆，候军霞.空气源热泵辅助建筑一体化太阳能热水系统的经济性分析［J］.给水排水，2007，（33）：193-196.