太陽能和空氣源熱泵組合熱水系統應用與效用分析

譚李勇

【摘要】太陽能和空氣源熱泵組合利用可再生能源，為建筑物提供所需的熱源和冷源。本文結合工程實例分析了太陽能和空氣源熱泵組合熱水系統在節能環保和經濟效益方面的優勢。

【關鍵詞】太陽能；空氣源；建筑節能；應用；效用

引言：近幾年來，我國的經濟一直以較快的速度穩定增長，但是同樣，能源供應與經濟增長的矛盾也凸顯了出來。我國能源總量相對可觀，但是人均占有量卻遠比世界平均水平要低。同時，能源工業技術水平比較低，能源消耗量大，利用率低等矛盾逐漸顯露出來，這一切造成了國內能源緊張的局面。目前，我國的建筑行業中，只有大概5%的建筑能達到節能標準，建造和使用的建筑直接或間接地消耗能源占社會總量的46.7%，為了緩解能源危機，保證子孫后代的利益，節約能源、減少消耗，開發利用新能源已經成了人們非常重視的話題。

一、太陽能和空氣源熱泵供水原理及優勢

1.太陽能供水原理及優勢

太陽能熱水系統主要由太陽能集熱器、熱水貯水箱以及熱水送水管組成，系統的核心部分是太陽能集熱器。系統內部的太陽能集熱器能夠接受太陽能輻射并向其系統內部傳遞熱量，從而實現太陽能供水原理。我國太陽能集熱器的類型主要有三種：一是平板型、二是全玻璃真空管型、三是真空熱管型。金屬板集熱器的特點是熱效能高，能夠在短時間內產生大量熱水；同時還具備性價比高和耐候性強的特點，但其抗凍能力并不強。全玻璃真空管類型的集熱器能夠適用于低溫環境，但是對高壓和暴曬環境極為敏感。而真空太陽能集熱器是三者中抗凍能力最強的集熱器，其抗壓性能及耐候性能較好。（補充優勢內容）

2.空氣源熱泵供水原理及優勢

空氣源熱泵的工作原理是運用了能量階梯轉換的方法，利用這種方法，熱泵系統獲得少量電能就可高效運轉起來，獲得更高的動力驅動。空氣中吸收到的低熱能量通過熱泵轉化為高位熱能就是其基本原理，這種轉化可以用來制備熱水。該機組主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥四個部分組成。

空氣源熱泵需要傳熱介質才能與環境中的空氣進行熱交換，傳熱介質即是通常所說的冷媒，傳熱介質的特點是其沸點較低，冷媒吸收空氣中的熱能之后會由液態直接變為氣態，氣體進入壓縮機中進行壓縮，這一過程需要利用少量電量，氣體經過壓縮機就變為高溫、高壓氣體；這部分高溫、高壓的氣體通過冷凝系統進行熱度交換之后，高溫、高壓氣體的溫度下降，致使其釋放出大量的熱能，同時氣態的熱氣又被轉化成液態，可進行第二次利用，這種循環往復的交替使用不但減少浪費，還節約了能源。冷水吸收了熱量，溫度也能再次升高。正是這種介質之間的不斷循環，把空氣中的熱能不斷帶入到冷水當中，從而達到換熱的效果。

二、太陽能-空氣源熱泵組合熱水供應系統

太陽能-空氣源熱泵技術不僅能夠彌補兩種熱泵系統的不足，還能通過簡單的集成技術將兩種熱泵有機地結合起來。目前，我國太陽能-空氣源熱泵組合系統主要分為兩種：一是以太陽能熱水器為主，空氣源熱泵作為輔助系統；該種系統在天氣情況良好的情況下利用太陽能作為直接能源制取熱水，而在天氣陰天或者太陽能集熱器無法正常工作的情況下，可以切換為空氣源熱泵進行工作，為用戶提供舒適的熱水。另一種組合方式是利用空氣源熱泵為主要熱水供應系統，太陽能作為輔助熱源。通過太陽能集熱器來解決空氣源熱泵性能下降的問題，而在空氣源熱泵工作性能良好的狀況下，主要使用空氣源熱泵工作，從而彌補太陽能熱水供應系統不確定性的問題。

三、太陽能-空氣源熱泵組合熱水系統與傳統熱水供應系統分析

1.工程概況

在一萬人的學校，其日常用水量為150立方米，最大小時用水量為20立方米，設計出水溫度為55℃。假設在學校中可以利用電熱水器、燃氣系統以及太陽能-空氣源熱泵作為熱水的供應系統。為了節約建筑物的總體能源，降低能耗，計劃在校內使用太陽能-空氣源熱泵供水系統。鑒于當地的實際情況，在使用空氣源熱泵進行熱水供應時，還需引入輔助熱源才能提升整個系統的效率。在空氣源熱泵中加入輔助蒸發器，即可滿足要求。在日產工作中使用空氣源熱泵進行熱水供應，而當環境溫度較低時，可以使用太陽能系統對冷水進行加熱，從而實現不間斷熱水循環，提高整個系統運行的穩定性和安全性。下面將從幾個方面對三個系統進行能效分析，以此論證太陽能-空氣源熱泵組合熱水系統的優勢。

2.工程經濟效益分析

假設該地區的電價為0.7元/（KW·h），天然氣價格為2.5元/立方米；電和天然氣的單位熱值分別為3.6MJ/（KW·h）和35.27MJ/立方米；同時假設一臺電熱水器的價格為2200元，一臺燃氣熱水器的價格為1800元，其熱效率分比為百分之八十和百分之九十。并假設太陽能-空氣源熱泵系統的性能系數為3.4，結合公式：W= Qdmax×C×Δt對每日的日耗熱量進行計算；公式中w是一天的耗熱量，單位是KJ；Qdmax一天中使用熱水的最大量，單位是KG；C是水的比熱容，單位是4200J/（kg？k）；Δt是水溫的溫差。在該工程中出水溫度是55℃，全年平均冷水溫度是10.75℃。

由公式可計算出該校一年內的總耗熱量為W= 365×150×1000×4.2×44.25=1.02×1010KJ，假設使用電熱水器給校園提供熱水，則年耗電量可達M電=1.02×1010/（0.9×3.6）=

結語：

總而言之，通過工程實例分析不難發現，利用太陽能和空氣源熱泵組合的熱水系統的綜合性能要優于傳統的熱源熱水系統。傳統的熱源系統不僅能夠節約柴油及電能，在緩解能源危機的同時還能創造更大的經濟效益。太陽能是取之不盡，用之不竭的，加之現階段空氣源熱泵運行效率還在不斷提升，兩者混合使用能夠大大降低建筑的綜合能耗，為節約國家能源做出大力貢獻。

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