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計要求。

　　關鍵詞：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，因其制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，集中熱水供應系統(tǒng)也越來越多的采用空氣源熱泵設備作為熱源。空氣源熱泵結(jié)構(gòu)簡單，不需要專用機房，安裝使用方便，在集中熱水供應方面具有不可替代的優(yōu)勢。但空氣源熱泵的一個主要缺點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)境下制熱運行的性能，擴大它的使用區(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熱水供應保證率，做到全年、全天候供應熱水。

　　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組，其他輔助設備與常規(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、在壓縮機周圍敷設相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運行出力等等;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，比如采用雙級壓縮的空氣源熱泵，設中間補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高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時向壓縮機工作腔噴液以防止其過熱，從而使空氣源熱泵機組能夠正常運行。

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

　　1.3 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組性能特點

　　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組在低溫工況下運行具有如下幾個明顯的特點：

　　(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，機組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機組有明顯的提高。

　　(2)防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時間

　　由于輔助熱源的加熱作用，提高了進入蒸發(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，機組的化霜次數(shù)和時間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證空氣源熱泵機組連續(xù)不間斷的運行。

　　(3)改善空調(diào)壓縮機工作環(huán)境，延長機組使用壽命

　　在環(huán)境溫度較低時，空氣源熱泵壓縮機的壓縮比急劇升高，壓縮機的排氣溫度常常會超過壓縮機允許的工作范圍，從而導致壓縮機頻繁的啟停，無法正常工作，長此以往，將會損傷壓縮機的整體性能，減少空氣源熱泵設備的使用壽命。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的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問題，并且可以使整個空氣源熱泵機組的使用壽命有效延長。

　　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，其目的在于取長補短，使二者互為補充，互為備用：在日照充足時優(yōu)先使用太陽能加熱熱水，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的低溫熱水作為空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對比較穩(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。空氣源熱泵制熱過程本質(zhì)上是對空氣中蘊藏的太陽熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個熱水系統(tǒng)的運行過程中，空氣源熱泵機組作為輔助熱源運行所供應的熱量中，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，減少了對一次能源的消耗。

　　太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的運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組加熱生活熱水

　　當陰天或多云天氣，當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，空氣源熱泵機組啟動，加熱熱水箱內(nèi)生活熱水。在秋冬季節(jié)，當環(huán)境溫度低于空氣源熱泵的經(jīng)濟運行溫度時，空氣源熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時，空氣源熱泵輔助加熱循環(huán)啟動，高于環(huán)境溫度的低溫太陽能熱水進入空氣源熱泵機組輔助換熱器內(nèi)，預熱通過的空氣，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)約空氣源熱泵機組的耗電量。

　　(3)太陽能和空氣源熱泵機組同時加熱生活熱水

　　在晴天日照良好時，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組同時工作向熱水系統(tǒng)供熱。

　　(4)空氣源熱泵機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組提供。此時，太陽能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，空氣源熱泵機組單獨工作對熱水箱加熱。

　　3 太陽能——空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)設計

　　3.1 太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組功率的確定

　　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組在晴好天氣作為太陽能集熱系統(tǒng)的輔助熱源設備，在太陽能資源不足時或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源保證熱水的正常供應，所以其制熱功率應按照整個熱水系統(tǒng)的設計熱負荷進行確定。對于全日制中央熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵機組功率按照熱水系統(tǒng)設計小時熱負荷確定;對于非全日制中央熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵機組的功率應根據(jù)最大用水量、熱水箱容積、加熱時間等參數(shù)進行確定。

　　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)太陽輻照強度的變化，并不是一個固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運行工況、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，所以在實際應用中一般根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數(shù)和太陽輻照資料進行分析計算，取全年平均值。

　　3.3 太陽能集熱系統(tǒng)形式

　　對于太陽能——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組的輔助熱源，并且應能承受較低的環(huán)境溫度，所以應采用閉式間接加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)應采用防凍液溶液。

　　4 結(jié)論

　　4.1 運行可靠性分析

　　太陽能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)模化利用已有30余年的歷史，空氣源熱泵的大量應用也有數(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有機結(jié)合，在不影響二者原有運行功能的條件下，使其運行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，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組供應，其平均COP可達3.0，即其所供應熱量有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。在整個系統(tǒng)運行中，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)都可推廣應用。