太陽能輔助空氣源熱泵在工程中的應(yīng)用探討

楊靜竹　管麗萍

摘要：隨著社會的不斷發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們的生活條件也在不斷的改善，對建筑內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。太陽能供暖依靠太陽能資源，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，但是常規(guī)的采暖方式會受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響，不能全天候的運行，部分時間還需依靠電加熱獲取能量，存在著較大的地域及氣候限制。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，熱泵逐漸被各個領(lǐng)域所應(yīng)用。本文提出，將熱泵技術(shù)與太陽能相結(jié)合可以改善傳統(tǒng)太陽能的不足，實現(xiàn)全天候的運行。本文主要介紹太陽能輔助空氣源熱泵的原理，同時列舉工程實例來探討其應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;原理;價值;應(yīng)用

目前我國生活熱水工程在發(fā)展過程中消耗的能源越來越多，隨著可持續(xù)發(fā)展的推進(jìn)，降低生活熱水工程在總能耗中的占比是目前社會關(guān)注的熱點話題。太陽能是重要的可再生能源，空氣源熱泵的出現(xiàn)能夠以消耗部分太陽能作為補償，實現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩吹礁邷責(zé)嵩吹倪w移。

1 太陽能輔助空氣源熱泵應(yīng)用的意義

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程中，各領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨罅恳苍诓粩嗟脑黾樱瑢?dǎo)致能源消耗、環(huán)境污染日益嚴(yán)重。因此對能源的供應(yīng)提出了更高的要求，今后的發(fā)展方向應(yīng)該是節(jié)能型、低耗型的。生活熱水工程主要是指為滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑崮苄枨笏ㄔO(shè)的工程。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范，在民用生活熱水工程設(shè)計的階段就要考慮節(jié)能的問題，要求各地在供暖系統(tǒng)的建立中推廣使用太陽能，要求新建住宅、賓館、酒店以及商用樓等統(tǒng)一安裝太陽能系統(tǒng)。但是在我國南方的地區(qū)，沒有集中供暖熱源可用，多數(shù)居民應(yīng)用電加熱進(jìn)行取暖，而且部分地區(qū)受到季節(jié)天氣的影響，很多時候不能應(yīng)用太陽能來獲取熱水，通過上述途徑獲取熱水增加了對城市能源的消耗，同時也提高了熱水系統(tǒng)的運營成本[1]。因此通過輔助裝置來改善氣候?qū)μ柲軕?yīng)用的限制有著重要的意義，能夠降低能源消耗，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展。

2 空氣源熱泵的原理

空氣源熱泵的運行原理是逆卡諾循環(huán)，熱泵通過壓縮機做功，該過程能夠使介質(zhì)發(fā)生物理變化，實現(xiàn)從氣態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的過程，在此過程中不斷的往復(fù)循環(huán)，不斷的吸熱、放熱，從而將冷水逐步加溫變成熱水，最終滿足采暖需求[2]。但是空氣源熱泵自身也具有一定的局限性，其供熱的能力、性能系數(shù)等都會隨著室外溫度的降低而下降，主要還是適用于最低氣溫不超過-10℃的地區(qū)，所以在極寒地區(qū)的應(yīng)用并不是很廣泛。

3 太陽能輔助空氣源熱泵的應(yīng)用條件

在施工圖設(shè)計階段，通常是將熱泵機放置在光照充足的建筑屋面上，但是在多數(shù)民用建筑的屋面上，通常會預(yù)留設(shè)備機房的位置，同時布置一些水暖管道，這樣就可能導(dǎo)致管道交匯密集，對熱泵裝置的外形尺寸選擇有較大的限制。同時在設(shè)計熱泵制熱系統(tǒng)之前，需要對當(dāng)?shù)氐牡赜蚣皻庀髼l件進(jìn)行分析，考慮在實際的建設(shè)中是否需要增加輔助加熱系統(tǒng)。在通常的設(shè)計過程中，認(rèn)為最低溫度低于-10℃的地區(qū)在選擇空氣源熱泵機組的同時要設(shè)置輔助熱源。我國華東、華南大部分地區(qū)冬季室外溫度不是很低 ，能夠滿足熱泵的運行要求，可以不考慮設(shè)置，這樣就降低了設(shè)計的復(fù)雜性、工程的初投資和后期的維護(hù)費用。

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)又被稱為太陽能熱泵，主要是以空氣源熱泵作為供熱主體，太陽能作為附加的一種裝置。空氣源熱泵產(chǎn)生熱能的過程，實質(zhì)是提取空氣中的太陽能，據(jù)熱泵工作原理，系統(tǒng)整個的運行過程中僅消耗少量電能。太陽能輔助空氣源熱泵可以分為直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)、非直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)兩種類型。直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)是指將制冷劑作為太陽能集熱的工質(zhì)，將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器，通過熱泵的循環(huán)作用冷凝，將熱釋放給被加熱的對象;非直膨式是指將水、空氣及防凍液等作為工質(zhì)，分為串聯(lián)、并聯(lián)、雙熱源三種形式。

4 技術(shù)方案設(shè)計及實例

在后期太陽能輔助空氣源熱泵的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)不斷的優(yōu)化該裝置在嚴(yán)寒地區(qū)的使用性能，提高其地域適應(yīng)性，為寒冷、農(nóng)村等地區(qū)提供更好的技術(shù)支撐。對于農(nóng)村民用建筑建設(shè)來說，高投資、運行及維護(hù)的復(fù)雜性會阻礙技術(shù)的進(jìn)一步推廣，因此在設(shè)計上應(yīng)當(dāng)在原有空氣源熱泵的基礎(chǔ)上，遵循易操作、低成本及技術(shù)可靠的原則進(jìn)行設(shè)備研發(fā)。具體來說，有以下幾種方式：①單一空氣源熱泵供熱：在沒有光照的情況下空氣源熱泵從空氣中獲取熱的單一運行模式。②單一空氣源熱泵供冷：主要是在炎熱的夏季對建筑供冷。③太陽能輔助空氣源熱泵：主要是在室外溫度較低的白天，當(dāng)有太陽輻射熱可利用的時候，提高運行效率。通過對較寒冷的哈爾濱和北京兩個城市的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，分五種工況來研究熱泵蒸發(fā)器溫度發(fā)生變化后其制熱性能系數(shù)的變化。通過初步計算，在其他條件完全相同的情況下，如果只改變蒸發(fā)器空氣的進(jìn)口溫度，熱泵的制熱性能系數(shù)會增加，溫度每增加1℃，熱泵的制熱性能系數(shù)就會增加0.06[3]。在寒冷的冬季利用空氣源熱泵進(jìn)行供熱時，溫度每增加1℃，制熱性能系數(shù)就會增加0.04-0.07，保守計算取0.05。通過該項研究說明，熱泵蒸發(fā)器溫度的升高，能夠在一定程度上提高空氣源熱泵制熱性能系數(shù)。

綜上所述，與單一的太陽能或空氣源熱泵系統(tǒng)相比，太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅能夠有效的增加制熱量，提高熱泵的制熱性能系數(shù)，減少單一系統(tǒng)的地域限制，從而能夠高效、安全、穩(wěn)定地運行。同時太陽能輔助空氣源熱泵能夠提取空氣中的熱能，減少能源消耗，具有較顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉志輝，陳哲.北方農(nóng)村地區(qū)冬季太陽能光熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)輔助采暖運行監(jiān)測分析[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2019，57（6）：476-55.