摘要：太陽能中央熱水系統(tǒng)一般采用各種能源的熱水爐作為輔助熱源，目前，空氣源熱泵作為輔助熱源的應(yīng)用也越來越多。本文介紹了一種太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的工作原理和各組成部分的設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞：太陽能空氣源熱泵,輔助加熱,熱水系統(tǒng)

　　引言

　　空氣源熱泵作為一種較為成熟的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，因其制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來越多的采用空氣源熱泵設(shè)備作為熱源。空氣源熱泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便，在集中熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。但空氣源熱泵的一個(gè)主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數(shù)隨著室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區(qū)。

　　為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行的性能，擴(kuò)大它的使用區(qū)域，這里提出一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低溫太陽能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽能和空氣源熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。

　　1 太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)介紹

　　1.1 太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)基本組成

　　太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為：太陽能集熱器和太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。

　　1.2 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組原理

　　為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，主要有三種方式：一是依靠外界輔助熱源來提高熱泵低溫制熱性能，比如通過電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機(jī)周圍敷設(shè)相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運(yùn)行出力等等;二是通過改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級(jí)壓縮的空氣源熱泵，設(shè)中間補(bǔ)氣回路的空氣源熱泵等;三是采用變頻系統(tǒng)，低溫工況下讓壓縮機(jī)高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時(shí)向壓縮機(jī)工作腔噴液以防止其過熱，從而使空氣源熱泵機(jī)組能夠正常運(yùn)行。

　　太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的。在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了輔助換熱器�？諝庠礋岜迷诘蜏丨h(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對(duì)較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。

　　1.3 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組性能特點(diǎn)

　　與普通的空氣源熱泵相比較，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：

　　(1)COP值顯著提高

　　在同樣的環(huán)境溫度下，太陽能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有明顯的提高。

　　(2)防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時(shí)間

　　由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機(jī)組的化霜次數(shù)和時(shí)間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證空氣源熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷的運(yùn)行。

　　(3)改善空調(diào)壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命

　　在環(huán)境溫度較低時(shí)，空氣源熱泵壓縮機(jī)的壓縮比急劇升高，壓縮機(jī)的排氣溫度常常會(huì)超過壓縮機(jī)允許的工作范圍，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁的啟停，無法正常工作，長(zhǎng)此以往，將會(huì)損傷壓縮機(jī)的整體性能，減少空氣源熱泵設(shè)備的使用壽命。通過太陽能作為輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機(jī)的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機(jī)在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問題，并且可以使整個(gè)空氣源熱泵機(jī)組的使用壽命有效延長(zhǎng)。

　　2 太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的工作原理

　　太陽能與太陽能輔助加熱的空氣源熱泵結(jié)合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長(zhǎng)補(bǔ)短，使二者互為補(bǔ)充，互為備用：在日照充足時(shí)優(yōu)先使用太陽能加熱熱水，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的低溫?zé)崴�作為空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運(yùn)行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對(duì)比較穩(wěn)定高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的熱水供應(yīng)�？諝庠礋岜弥茻徇^程本質(zhì)上是對(duì)空氣中蘊(yùn)藏的太陽熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，空氣源熱泵機(jī)組作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)的熱量中，只有小部分來自電能，所以太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)大大提高了太陽能利用率，減少了對(duì)一次能源的消耗。

　　太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的運(yùn)行主要有以下四種工況：

　　(1)太陽能加熱生活熱水

　　在大部分日照良好的晴天，系統(tǒng)按此工況工作，此時(shí)太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，利用太陽能集熱器采集的熱量經(jīng)換熱器輸送到熱水箱。

　　(2)太陽能輔助空氣源熱泵機(jī)組加熱生活熱水

　　當(dāng)陰天或多云天氣，當(dāng)太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫不足以直接加熱生活熱水時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組啟動(dòng)，加熱熱水箱內(nèi)生活熱水。在秋冬季節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度低于空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時(shí)，空氣源熱泵輔助加熱循環(huán)啟動(dòng)，高于環(huán)境溫度的低溫太陽能熱水進(jìn)入空氣源熱泵機(jī)組輔助換熱器內(nèi)，預(yù)熱通過的空氣，使空氣源熱泵效率提高，并切具有防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用，可以節(jié)約空氣源熱泵機(jī)組的耗電量。

　　(3)太陽能和空氣源熱泵機(jī)組同時(shí)加熱生活熱水

　　在晴天日照良好時(shí)，如果熱水系統(tǒng)的耗熱量大于太陽能集熱系統(tǒng)的有效供熱量或太陽能集熱器的數(shù)量較少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽能和空氣源熱泵機(jī)組同時(shí)工作向熱水系統(tǒng)供熱。

　　(4)空氣源熱泵機(jī)組直接加熱生活熱水

　　在連續(xù)的雨雪天氣，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機(jī)組提供。此時(shí)，太陽能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，空氣源熱泵機(jī)組單獨(dú)工作對(duì)熱水箱加熱。

　　3 太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組功率的確定

　　太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在晴好天氣作為太陽能集熱系統(tǒng)的輔助熱源設(shè)備，在太陽能資源不足時(shí)或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源保證熱水的正常供應(yīng)，所以其制熱功率應(yīng)按照整個(gè)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行確定。對(duì)于全日制中央熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵機(jī)組功率按照熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)熱負(fù)荷確定;對(duì)于非全日制中央熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵機(jī)組的功率應(yīng)根據(jù)最大用水量、熱水箱容積、加熱時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行確定。

　　3.2太陽能集熱器面積的確定

　　太陽能集熱器一般是固定角度安裝，其單位面積日有效得熱量隨季節(jié)的變化和每日內(nèi)太陽輻照強(qiáng)度的變化，并不是一個(gè)固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運(yùn)行工況、所在地氣象參數(shù)和太陽輻照量等。不同的太陽能集熱器類型具有不同的集熱效率，其有效得熱量也不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數(shù)和太陽輻照資料進(jìn)行分析計(jì)算，取全年平均值。

　　3.3 太陽能集熱系統(tǒng)形式

　　對(duì)于太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)既作為熱水加熱的主要熱源又作為熱泵機(jī)組的輔助熱源，并且應(yīng)能承受較低的環(huán)境溫度，所以應(yīng)采用閉式間接加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)應(yīng)采用防凍液溶液。

　　4 結(jié)論

　　4.1 運(yùn)行可靠性分析

　　太陽能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)�；�利用已有30余年的歷史，空氣源熱泵的大量應(yīng)用也有數(shù)十年的歷史，太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)將太陽能與空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在不影響二者原有運(yùn)行功能的條件下，使其運(yùn)行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)能源消耗。

　　4.2 節(jié)能效益分析

　　根據(jù)我國北方大部分地區(qū)的太陽輻照資料，按照衛(wèi)生熱水系統(tǒng)平均耗熱量和太陽能集熱器日平均得熱量確定太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器面積，太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽能直接加熱可滿足熱水系統(tǒng)全年60—80%的熱量需求， 其余20—40%熱量由空氣源熱泵機(jī)組供應(yīng)，其平均COP可達(dá)3.0，即其所供應(yīng)熱量有65%以上來自太陽能集熱器不能直接利用的太陽能和空氣熱能。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，集熱系統(tǒng)吸收的太陽能的利用率接近100%，輔助加熱的電力消耗只占系統(tǒng)總能耗的7—14%，較常規(guī)能源的熱水系統(tǒng)可至少節(jié)能85%以上。

　　通過上述分析可見，太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)是一種性能可靠，環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽能及少量的電能，對(duì)環(huán)境沒有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽輻照良好的我國大部分地區(qū)都可推廣應(yīng)用。