太陽能與熱泵系統節能分析及熱水箱設計研究

摘要；隨著經濟社會的不斷發展，對能源的需求越來越大，而能源的供需矛盾也日益突出，尋找清潔能源、可持續發展成為迫切要求。太陽能與熱泵系統節能的實現，是以太陽能節能為主、熱泵系統節能為輔，該節能方法在現實生活中已經得到廣泛應用。但是，在節能技術設計方面尚且存在一些問題，在設計不合理的影響下，太陽能與熱泵系統達不到想要的節能效果。對此，本文根據近幾年測試的數據及經驗，分別對太陽能及熱泵系統做出節能分析，并對熱水箱設計進行簡單探討。

關鍵詞：太陽能；熱泵系統；節能分析；熱水箱設計

中圖分類號： TU832 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

在經濟社會發展的同時，節能成為世界工業發展的首要任務。太陽能熱泵熱水系統結合了太陽能利用技術和熱泵技術兩者的優點，是一種新型節能環保的熱水系統。在“十二五”規劃上，節能減排成為我國的新興產業，同時還提出很多節能措施，這些措施能夠減少能源消耗，在一定程度上緩解自然污染、環境破壞的速度。尤其是太陽能和熱泵系統，它們的應用使生活熱水節能量達到45%以上，本文將根據相關資源分布情況，來詳細分析太陽能與熱泵系統的節能。

一、太陽能與熱泵系統節能分析

太陽能與熱泵系統，是熱水箱的重要組成部分，對太陽能與熱泵系統進行能量控制，將有利于完善和改進熱水系統，使熱水箱能夠最大限度發揮供熱功能。太陽能與熱泵系統節能作為“節能減排”的主要目標，我國早在2001年就提出太陽能、熱泵系統在建筑一體化中的節能措施。我國對太陽能資源分布和太陽能評估做了詳細的調查和分析，并得出相關結果和結論[1]。

（一）太陽能資源分布情況分析

1、太陽能資源豐富區。資源豐富區是指太陽輻照量在6700MJ/m2.a以上的地區，是太陽能資源等級最高的地區。例如新疆南部、西藏北部、甘肅、青海等海拔高的地區。海拔高縮短了太陽與地面的照射距離，使這些地區能夠接受更多的日照，提高了太陽輻照量。

2、太陽能資源較富區。是指太陽輻照量在5400-6700MJ/m2.a之間的地區，這些地區大多是靠北的山丘地區，最具有代表性的地區有內蒙古呼倫貝爾、北京、天津、山西等有一定海拔的地區。這些地區是太陽能應用得最多的地區，因為這些地區除了自然環境優勢外，還有經濟發達的優勢。

3、太陽能資源一般區。是指太陽輻照量在4200-5400MJ/m2.a之間的地區，這些地區海拔一般較低，并且處于平原地區，例如黑龍江、山東、安徽、湖南、福建等。這些地區太陽照射的距離較長，太陽輻照量相對較低。

4、太陽能資源貧乏區。是指太陽輻照量低于4200MJ/m2.a以下的地區，這些地區大多分布在盆地或盆地附近的地區，因為大多盆地的海拔都低于地平面，增加了這些地區與太陽的距離，使太陽輻照量降低。例如四川、貴州西部、云南南部、廣西等地。

（二）一般熱泵系統制熱系數分析

熱泵系統制熱系數是指熱泵COP值與環境溫度值的正比例關系。例如，某熱泵廠家提供的壓輸機制熱系數中，熱泵COP值與環境溫度值的關系分析中發現，當環境溫度低于10℃時，COP值才剛好達到2.0；環境溫度達到20℃時，COP值達到3.0；環境溫度達到30℃時，COP值達到4.0；環境溫度超過30℃時，COP值超過4.0。從這些數據不難看出，環境溫度值與COP值是呈正比例關系，并且是以1：10%的比例增加[2]。

COP值是衡量熱泵系統供熱的指標，也是衡量熱泵系統的節能指標，該指標隨著環境溫度的提高而提高的特點，與太陽能隨著太陽輻照量增加而增加的特點具有一致性。兩者都需要太陽提供一個溫度較高的環境，才能更好的進行供熱工作，因此有效的節能方法，是以太陽能為供熱主體，以熱泵系統供熱為輔助。

（三）太陽能與熱泵系統節能評估

太陽能與熱泵系統節能評估，要求明確掌握太陽輻照量、集熱器面積、集熱器效率、環境溫度、COP值等指標[3]。該評價是太陽能與熱泵系統節能的目標和標準，下面將簡單分析太陽能與熱泵系統節能的評估，并做出相關的數據分析。

這里以云南東部某地區為例，該地區集熱器的熱效率平均為60%，按照春夏秋冬季節的相關溫度數據，推算出集熱器面積，集熱器熱效率與面積，決定太陽能可承受的熱能消耗為熱水箱供熱量的60%，熱泵系統為40%。該地區年平均氣溫為20℃，可以判斷當地實際太陽照射時間和面積，并得出太陽能與熱泵供熱系統全年大約節能86.8%，實際節能72.5%。

二、熱水箱設計

（一）熱水箱設計存在的問題

傳統熱水箱的設計，要求太陽能與熱泵系統同時使用一個熱水箱，這在很大程度上影響了太陽能與熱泵系統的供熱效率。因為在供熱過程中，太陽能供熱不足時，才會使用熱泵系統供熱，使供熱過程復雜，延緩了供熱速度。為了提高供熱速度，很多用戶不得不花精力去增加太陽能與熱泵系統的供應量，導致熱水箱設計時出現很多問題，集中體現在工程造價和熱量控制兩方面。

一方面，為了提高太陽能與熱泵系統供熱量，設計師會花資金去設計一個更大的熱水器供用戶使用，供熱量提高了，但造價一般用戶難以接受，這樣會導致用戶量下降。另一方面，熱量的控制主要受季節影響。夏季太陽能提供的熱量就能滿足用戶的需求，無需熱泵系統提供熱量，屬于節能效果最佳的季節；秋季，大部分的熱量是太陽能提供的，少數熱量是由熱泵系統提供。

（二）熱水箱設計的措施

第一，增設熱水箱，熱水箱可以分成兩個，分別供太陽能和熱泵系統使用，其水箱的容量可達10t，這樣做的目的是為了減少擴大水箱體積帶來的額外花費，在一定程度上控制了熱水箱的工程造價，以便用戶能夠接受。同時，也降低了太陽能與熱泵系統的供熱成本，提高了供熱效率，滿足用戶的熱量使用需求。第二，用真空管將兩個水箱連接起來，兩水箱的連接是為了解決因季節變化而不能及時供熱的問題，兩個水箱分別吸收太陽、熱泵系統提供的熱能，一般先使用太陽能提供的熱量，儲存熱泵系統提供的熱量，解決冬季熱量供應不及時的問題。

該設計與傳統水箱的設計相比，具有很多的優勢，在這里筆者簡單總結如下：第一，能夠使太陽能得到充分利用，最大限度節約了熱能；第二，該系統集太陽能熱水箱、熱泵系統熱水箱于一體，兩者是相互聯系的，可以進行統一控制，不需要另行設計；第三，為熱泵系統提供了足夠的加熱時間和空間。

結語

開發新能源和節能是尋求能源出路的兩大重要途徑 ，太陽能熱泵供熱系統以其顯著的節能性和環保性具有廣闊的發展前景。熱泵技術是一種很好的節能型空調制冷供熱技術，太陽能與熱泵系統是熱水箱最重要的供熱源，它的節能直接影響“節能減排”目標的實現。因此，要加強太陽能與熱泵系統的節能力度。本文通過分析太陽輻照量、集熱器熱效率、集熱器面積、環境溫度和COP值等指標，可以計算出相對條件下太陽能與熱泵系統的節能量，為熱水箱的改進設計提供依據。

參考文獻

[1]鄭榮進，莊麟，池清，等.溫室太陽能與地源熱泵聯合供暖系統熱力學分析[J].農業機械學報，2013，04：233-238+232.

[2]肖菊，丁文萍，楊敏芝.工程型太陽能熱泵熱水系統節能效益分析[J].河南科學，2013，06：829-832.

[3]熊慧靈，劉何清，李永存.太陽能-溶液-熱泵干燥系統節能分析[J].建筑節能，2015，05：56-60.

作者簡介

朱冰（1983年12月14日-）；男；漢族；湖北鐘祥人；本科；工程師；主要從事建筑給排水工程設計工作。