太陽能熱泵系統分析

李金海

（北京江森自控有限公司（杭州辦事處），浙江 杭州 310030）

引言

杭州市地處中北亞熱帶過渡區，溫暖濕潤，四季分明，光照充足，雨量豐沛。年平均太陽總輻射量在100～110千卡／平方厘米之間，日照時數 1800～2100小時，日照百分率（某時段內實際日照時數與該地理論上可照時數的百分比）41～48%。年平均氣溫和月平均氣溫,年平均氣溫15.3℃～17℃，年平均降水量在1100～1600毫米之間，年雨日130～160天。杭州屬三類光照地區，具有較好的太陽能資源，適合開發和利用。

結合本地區某大學食堂太陽能改造工程實例，原來采用的蒸汽采暖方式，費用高昂，故我方考察現場實際情況后，考慮經濟、節能、環保等要求，經研究采用“太陽能+空氣熱泵”綜合應用供應熱水。在夏季陽光充足時利用太陽能提供所需的熱水，在冬季和陰雨天氣太陽能不足時利用空氣源熱泵熱水機組來補充提供熱水。這樣不管春夏秋冬、白天黑夜、下雨下雪、系統都可以源源不斷的從空氣中吸收低品位熱量用于制生活熱水所需要的熱量，保證用水溫度及用水量，最大程度節能。

1 太陽能熱泵系統介紹

1.1 太陽能介紹

1.1.1 自動定時上水

由于水具有很強的時間性，主要集中在早晨、中午和傍晚，系統可采用定時補水（最低水位，保證一次用水量），同時結合溫控補水方式。

1.1.2 溫差循環（強制循環）

如果集熱器和儲熱水箱中的溫度相差達到設定上限值時(如15℃)，循環泵啟動，把集熱器中的熱水頂入儲熱水箱中，把儲水箱中相對水溫較低的水進入集熱器當中進行再次加熱；由于泵的循環作用，使集熱器和儲熱水箱中的溫度相差小于設定下限值時（如5℃），循環停止，并等待下一次循環的到來。如此不斷循環，使儲熱水箱中的水溫提升。

1.1.3 輔助加熱

輔助加熱采用約克空氣源熱泵（YWHA45*4，制熱量 45KW*4）及電加熱（180KW），并優先啟動空氣源加熱系統。系統均采用定時加溫，即在設定時間，系統自動檢測水箱內水溫，如未達到使用要求溫度時，熱泵自動啟動加溫，直至溫度達到時自動停止（自動控制，與太陽能系統聯動）。電加熱輔助加熱系統在低環溫狀態進行啟動，以保證熱水正常供應。

1.1.4 防凍循環及過熱保護

系統設置防凍循環，當集熱器聯箱內水溫低于了10℃時，系統自動轉入防凍循環，確保系統安全。由于學校在夏季等高溫季節基本無用水動作或用水較少，而太陽能資源則達到全年最大化，系統內可能出現極高溫，為保證系統正常運作，系統設置全面過熱保護措施，使系統在高溫狀態下可自我保護，且在工況正常時系統亦能恢復正常工作狀態。

1.1.5 管道增壓循環

由于用水高峰段流量較大，為保證系統供水正常及壓力平穩，系統采用變頻增壓供水，確保供水壓力穩定且與當地自來水基本一致。

1.1.6 恒溫出水

由于用水要求水溫不能高于60度，因此系統出水安裝恒溫出水設備，設定水溫60度，在水箱內水溫較高時，設備可自動調節出水溫度，使其穩定在60度水溫。

1.1.7 保溫措施

高溫熱水管道采用30mm橡塑保溫管套管進行保溫，外用鋁箔進行防護，保護保溫層不被氧化，提高使用壽命。

1.1.8 電線及信號線布置

電線及信號線必須套有電線管及信號線管，做到強弱電分離，確保系統運行不受干擾。

1.1.9 系統特點

本系統采用分組控制，提高了整個系統的可靠性。單組的檢修不影響其他幾組的運作；優先使用較熱熱水，使熱水得到充分利用。

2 空氣源熱泵介紹：

2.1 空氣源熱泵熱水器又稱熱泵熱水器，由熱泵吸收空氣熱源制取熱水，節能效率是電熱水器的3.5倍以上，比太陽能熱水器還要節能，是目前世界上最為先進的節能環保熱水系統。

2.2 空氣源熱泵運行原理：

熱泵熱水器是一種高效集熱并轉移熱量的裝置，由壓縮機、空氣換熱器、水換熱器、膨脹閥和風機等部件組成。它運用逆卡諾循環原理，通過壓縮機做功，使工質產 生物理相變（氣態——液態——氣態），利用這一往復循環相變過程不斷吸熱和放熱，將熱量從低溫源（周圍空氣）提取到溫度較高的水箱中，以加熱水箱中的水供 用戶使用。

2.3 具體工作流程如下：

低溫的工質（冷凝劑）在蒸發器中低溫汽化，生成低溫低壓蒸汽，同時由于汽化而吸收周圍環境的熱量；低溫低壓的蒸汽在電機驅動的壓縮機中被壓縮并升溫成為高溫高壓的蒸汽；高溫高壓的蒸汽被送到水箱內的熱交換器中液化放出熱成為液態制冷劑，放出的熱量將水箱中的水加熱；液態的制冷劑在通過膨脹閥或毛細管后生成低壓低溫的制冷劑，又返回到蒸發器中準備再次汽化。

3 改造后經濟效益分析

使用太陽能熱水工程，其節能效果和經濟效益是十分顯著的。以下是具體計算所用的數據及部分數據來源。

用水量為：設計水量約30噸。

按當地光照情況為（110kal/cm2）4600MJ/m2·年計算，本次工程設計采光面積為400m2。則全年吸收太陽光能約：920GJ。(太陽集熱器效率按50%計算)則全年相當于節約電能：920GJ/(3.6MJ·KWH-1·95%)≈27 萬 KWH（按95%效率計算）。

采用太陽能+空氣能輔助系統后，由于太陽能無法完全滿足供水，不足部份由空氣源（極端條件下啟動電加熱）進行輔助加熱，另由于學校平均年均使用9個月，太陽能系統年均吸收有用熱量為690GJ；而全年使用熱水為8100噸（按設計水量充分利用計算），加熱水至使用溫度需要熱量為1360GJ，因此全年有670GJ熱量需通過空氣能進行補充。

結論

可見太陽能熱泵系統工程經濟效益十分顯著。同時太陽能又是綠色能源，采用太陽能系統后，經濟效益和社會效益非常明顯。

[1]GB/T19141-2003《家太陽熱水系統技術條件》

[2]GB/T18713《太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》

[3]GB/T20095-2006《太陽能熱水系統性能評定規范》

[4]GB50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》

[5]GB/T18708-2002《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》

[6]GB/T4271-2006《太陽能集熱器熱性能試驗方法》