太陽能輔助空氣源熱泵系統工程運行分析研究

郭偉霞　楊少兵　水亞萍　訾雪婷

摘要：如今隨著人們生活水平不斷提升，太陽能在人們的日常生活中也越來越常見，因此太陽能、空氣能作為可再生能源，在建筑節能中越來越受到人們的重視。正是由于太陽能、空氣源熱泵在生活中的重要地位，因此本次研究通過對兩者的優劣分析，以高臺縣為例，結合實際工程經驗，提出利用太陽能與空氣源熱泵聯合供熱系統在保證供暖熱水供應、節約和環境保護等方面的優越性。最后，結合具體案例對其技術、經濟進行分析，結果顯示：太陽能輔助空氣源熱泵聯合供暖熱水系統比傳統供暖熱水系統具有更高的節能和經濟價值，具有很好的應用前景。

關鍵詞：空氣式太陽能真空管集熱器；相變蓄能；空氣源熱泵；集中供暖熱水系統；建筑節能

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近幾年，我國經濟持續高速發展，但能源緊張的矛盾卻越來越突出。我國目前的能源資源比較匱乏，人均能耗與國際平均水平相比有很大差距。而能源產業技術水平低、能源消耗高、能源利用率低，也是我國能源資源緊缺的因素之一。目前，在全國建筑中，95%的建筑沒有達到節能要求，建筑和使用建筑間接消耗的能源占到全國建筑的46.7%。為了解決目前的能源問題，節能減排、開發新的能源資源越來越受到人們的關注。正是基于上述原因，文章主要以甘肅省張掖市高臺縣太陽能輔助空氣源熱泵系統運行情況為例，對該地區太陽能輔助空氣源熱泵系統的運行基本情況進行分析、總結、概括，期望能夠為后續研究提供一定的理論基礎。

1太陽能在建筑供暖熱水系統中的應用

傳統的供暖熱水加熱方式包括燃煤鍋爐加熱、燃氣鍋爐加熱、燃油鍋爐加熱、電加熱等。但由于采用的都是非再生能源，其利用效率低、燃燒不完全、熱損失大，不但會產生大量的能量浪費，而且產生的氮氧化物、CO2、SO2等有害氣體也會對環境產生影響。開發可再生、無污染的新型、潔凈可再生能源已是大勢所趨。太陽能供暖熱水系統主要有集中式和分散式兩種。傳統的集中式太陽能供暖熱水系統主要有直流系統、自然循環直接加熱系統和強制循環直接加熱系統，強迫循環、間接加熱等；傳統的分散式太陽能供暖熱水系統主要有緊湊式、分離式直接加熱、分離式間接加熱等。太陽能供暖熱水系統主要包括太陽能集熱器、熱水儲罐、熱水管道3個模塊，太陽能集熱器是決定太陽能集熱器熱效率的重要因素，是太陽能熱水系統中的一種組件，它接收到太陽輻射，并將熱傳輸到它的內部介質（水）。現有的太陽能集熱器有平板式、全玻璃真空管、真空熱管3種。板狀太陽能集熱器采用板狀的金屬管，具有高熱效率、高熱量、可承受壓力的特點；具有良好的風干性能，價格低廉，但是沒有抗寒性，適合在冬天不結冰的廣東、云南、海南。全玻璃真空管太陽能集熱器具有一定的耐寒性，冬天溫度為-20℃～0℃，但不能耐高溫，不能無水，不能進行空曬，否則容易破裂。真空熱管太陽能集熱器具有良好的抗寒性，適合于冬季-40℃～0℃環境下使用，具有承壓、耐風吹日曬、不易爆的特點。因此在甘肅省張掖市高臺縣的實際項目施工過程中，根據實際工程需要，選擇這種模式作為開工基礎。

2熱泵在建筑供暖熱水系統中的應用

熱泵是一種行之有效地解決能源等級不合理利用的方法。它能夠利用高級能源的潛能，把“廢熱”中的能量抽取出來，讓它的溫度上升，這樣就能獲得更多的熱量，而不是直接轉化成更高級的能源。熱泵機組的工作效率根據 COP=制熱（制冷）/輸入功率進行評估。如果一臺熱泵熱水器的 COP 是3，也就是1 kW·h 的電量，就可以得到3 kW·h 的熱能，這比電加熱的熱水器要節省三分之二的能源。在常規工作條件下，熱泵機組的 COP 一般超過4。不同的循環工質，不同的壓縮機類型，不同的容量，不同的類型，不同的熱泵系統，COP 的變化也不同。在實際運行過程中，對熱泵機組COP 影響最大的是蒸發器和冷凝器的外部介質（空氣或水）的工作溫度及其變化。一般情況下，在設備的容許溫度范圍內，當蒸發器外介質溫度較低時，COP 值較低，或較高的凝汽器外介質溫度較高。相反，COP 值較高。熱泵系統一般分為兩類：一種是空氣源熱泵，另一種是地源熱泵?？諝庠礋岜脽崴到y一般包括4部分：空氣源熱泵、輔助熱源、儲熱、熱水管網；地源熱泵熱水系統一般包括低溫熱源、水源熱泵、貯（換）熱、熱水管網等4類，有時還需要附加熱源。根據地源熱源的不同，地源熱泵系統可分為地表水、地源熱泵、地埋管地源熱泵系統。

3 太陽能和空氣源熱泵組合供暖熱水系統應用實例

3.1 工程概況

項目位于甘肅省張掖市高臺縣地區，全稱為甘肅省白龍江農林業科技有限責任公司鍋爐改造更新空氣源供暖項目，改造原因為供暖燃煤鍋爐到達更換期限，為符合環保政策要求需更換清潔供暖設備，具體的供暖范圍為辦公樓：供暖面積 4 367.98 m2，五層框架結構，有保溫，末端采用地暖；酒廠辦公樓：供暖面積 805.34 m2，二層磚混結構，無保溫，末端采用鑄鐵暖氣片；供暖要求：20 ℃±2 ℃，如圖1所示。

整個工程施工投入相比于同類型工程投入一般，并且工程受地理位置限制比較小，但工程能夠最終順利施工，對于地區采暖工程具有比較重要的意義。

3.2 供暖熱水系統

該地區常年氣溫在0 ℃以上，但冬季氣溫偏低，日照時間和日照強度充足，因此，供暖熱水系統主熱源選用空氣源熱泵，輔助熱源選用太陽能，盡最大可能利用了免費熱能。該項目的供暖系統是集中供暖，在本方案中，以熱泵技術為基礎，通過集成空氣源、太陽能光熱及儲能技術為城市別墅、新農村、企業、學校、醫院、酒店、宿舍等提供清潔能源供暖。空氣式太陽能集熱器吸收太陽光，將太陽光轉化為大量熱能，并通過內置的相變蓄能芯存儲，冷空氣通過集熱器后由蓄能芯釋放的熱量將冷空氣加熱為熱空氣，由風機將熱空氣送入空氣源熱泵主機，空氣源熱泵主機將熱空氣吸收、轉換產生大量熱能，加熱循環傳熱介質；傳熱介質在循環泵的作用下循環至室內各個散熱末端，為房間供暖。系統將太陽能與熱泵高效融合，大大提高了系統的能效比，降低了用戶的運行費用。從上述內容中能夠看出，在進行項目施工的過程中，綜合考慮了整個工程實際情況，并且在施工過程中，對系統效率提升進行了測試、分析及概括，具體如圖2所示。

根據圖3、圖4數據對比分析可知，在空氣式太陽能真空管集熱器作用下設備2號溫控區域內空氣源熱泵蒸發器吸收溫度比外界環境溫度高0.5℃～1.5℃，依據熱輻射原理設備1號溫控區域可高2.5℃～3.5℃，整體可提升溫度約2.5℃，根據空氣熱泵特性，溫度提升2.5℃，機組效率提升約5%。若將由1組空氣式太陽能真空管集熱器變為2組，太陽能風機風量增加1倍，則空氣熱泵效率提升10%。

3.3工程社會經濟效益分析

設備運行費用預估：11月份20000元，12月份35000元，1月份35000元，2月份25000元，3月份20000元，共計135000元，其中其他設備用電18000元。因此空氣源熱泵供暖期間總運行費用為117000元，采暖季內運行費用為22.61元/m2，比改造前燃煤鍋爐供暖運行費用35元/m2可節省55%，節能效果顯著。

該項目利用太陽能與空氣源熱泵聯合供熱，以取代傳統的煤氣（油式）鍋爐，既可節省能源，又可降低運營費用，并可顯著減少對周邊環境的污染。本論述以太陽能熱水系統全年獨立運轉為例，對其經濟效益進行了分析。此外，熱泵熱水機組的單位容積熱水費用只有其32.59%。與液化天然氣熱水鍋爐相比，空氣源熱泵熱水機組的節能效果更加顯著，單位容積熱水的成本只有液化天然氣熱水的19.82%。太陽能熱水系統和空氣源熱泵熱水系統都有很大的節約空間，二者相結合，既能充分利用太陽能，又能節約運營費用；同時，它還可以有效地利用空氣源熱泵對太陽能的不確定進行補償，使整個系統運行更加安全可靠。

4工程存在的細節問題及處理辦法

4.1工程存在的主要問題

本次施工過程中，整個工程存在的主要問題包括以下幾個方面：首先，主機基礎施工時，出現水泥面聚水現象，二次返工；其次，在開展項目施工的過程中，對整個工程現場勘查不夠仔細，遺漏觀察水泵原始型號；最后，首次方案擬定時需建設泵房，二次確認方案為不建設，最終施工時需建設泵房，具體情況雙方均說不清楚。從以上內容中能夠看出，在本次項目施工過程中，對很多施工細節，還存在著一定的不足之處，對此需要進行及時調整及優化處理。

4.2工程存在問題的處理措施

針對該工程施工過程中存在的各種細節問題，為了能夠保質、保量按期交工，筆者所在單位也進行了施工手段的及時調整，具體措施如下：首先，提前做好現場勘查記錄表格，確保不遺漏每一項，這是對整個工程細節方面的把控，也是監管過程中重要的一個環節，對完善問題有著至關重要的幫助；其次，在雙方誤會的處理方面，統一設計方案模板，避免計量單位不統一的問題，并且在項目開展過程中，不定時根據現場勘查合理配置主設備，盡可能一次配置合理；再次，在保證施工進度的同時，及時與甲方溝通具體工程量，確保報價全部包含甲方工程量；最后，因商砼方量缺少許導致，以后需加強監督分包方的重要工作節點，減少返工，防止因返工延誤總工期。從工程最終的效益情況來看，通過對整個工程項目所出現問題的及時處理以及調節，在最大限度上保障了整個工程的質量，并且讓工程能夠最終按時交付。

5結束語

太陽能熱水器的使用越來越普遍，但是傳統的太陽能熱水器由于受到天氣條件的限制，無法實現全天工作。空氣源熱泵機組是一種高效的節能設備，它的開發和應用日益受到人們的關注。特別是在冬天，室外氣溫低于0℃時，出現結霜化的問題。通過工程實例說明，采用空氣式太陽能與空氣源熱泵相結合的供暖熱水系統替代傳統的熱源供暖熱水系統，不僅可以節約傳統的柴油、天然氣、電力，還可以減少傳統燃料、天然氣、電力，從而減輕目前的能源緊張狀況，提高經濟效益；另外，太陽能是一種清潔、無污染的可再生能源，而空氣源熱泵是一種高效、低污染的熱機，二者的結合可減少對環境的污染。隨著我國政府越來越重視建筑節能，這種新型材料的應用將會有很大的發展空間。

在本次研究過程中，通過以甘肅省張掖市高臺縣的具體工程施工實例為研究對象，深入分析并且發現在整個工程施工開展環節中可能出現的各種問題。從分析當中能夠看出，目前太陽能輔助空氣源熱泵系統運行方面的研究，無論從理論深度還是專業技術層面，我國仍處于發展上升階段，對此需要相關從業者及時更新優化技術，培育創新理念，保障太陽能輔助空氣源熱泵系統運行良好、健康發展。

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