太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)輔助熱源空氣源熱泵的配置

康付堂 蚌埠鐵路水電有限責(zé)任公司

目前，越來(lái)越多的鐵路公寓、職工培訓(xùn)基地、療養(yǎng)院、站段浴池等場(chǎng)所采用太陽(yáng)能作為其中央熱水系統(tǒng)的主要熱源。這些場(chǎng)所一般要求衛(wèi)生熱水在一定的時(shí)間段內(nèi)或全天24h連續(xù)供應(yīng)，為滿足太陽(yáng)能不足時(shí)的用熱需求，使太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的投資更加經(jīng)濟(jì)，通常采用電加熱器或電鍋爐、燃煤或燃油（氣）鍋爐、市政熱力等作為太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)的輔助熱源。

空氣源熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)主要應(yīng)用于建筑物的采暖空調(diào)領(lǐng)域。因熱泵制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來(lái)越多的采用熱泵設(shè)備作為熱源（見參考文獻(xiàn)[1]）。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便，在衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)外，現(xiàn)在已有多個(gè)品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場(chǎng)。

將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能結(jié)合供應(yīng)生活、洗浴熱水，在大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)中，空氣源熱泵無(wú)疑是一種比較理想的輔助加熱設(shè)備，空氣源熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)結(jié)合，熱泵為輔助熱源，最大限度的利用太陽(yáng)能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽(yáng)能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。

1 太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)組成

1.1 太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)基本組成

太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽(yáng)能循環(huán)泵、熱水加熱循環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。

1.2 太陽(yáng)能與空氣源熱泵機(jī)組

1.2.1 輔助空氣源熱泵機(jī)組工作原理

為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。依靠外界熱空氣輔助熱源來(lái)提高熱泵低溫制熱性能，在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽(yáng)能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對(duì)較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。

1.2.2 太陽(yáng)能與輔助空氣源熱泵機(jī)組性能特點(diǎn)（見參考文獻(xiàn)[2]）

太陽(yáng)能與輔助空氣源熱泵機(jī)組中央熱水系統(tǒng)運(yùn)行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)。

（1）COP顯著提高。在同樣的環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有了明顯的提高。

（2）防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時(shí)間。由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機(jī)組的化霜次數(shù)和時(shí)間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷地運(yùn)行。

1.3 太陽(yáng)能集熱器

目前在太陽(yáng)能熱水工程中通常采用的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種（見參考文獻(xiàn)[3]）。對(duì)于全年使用的比較大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)，要求太陽(yáng)能集熱器應(yīng)具有一定的承壓能力，較高的集熱效率，較小的管道阻力，抗凍能力強(qiáng)，易于維護(hù)。在這幾種太陽(yáng)能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然集熱效率高，市場(chǎng)占有率大，但因其不能承壓運(yùn)行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，絕大部分都被用作家用太陽(yáng)能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽(yáng)能集熱器，可以承壓運(yùn)行，適用于在大型的太陽(yáng)能熱水工程中應(yīng)用。 我們目前采用熱管式真空管集熱器，它是在全玻璃真空管集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，是最適宜在中央熱水供應(yīng)系統(tǒng)中采用的太陽(yáng)能集熱器類型。熱管式真空管集熱器利用熱管傳熱，干性連接，管內(nèi)不走水，具有熱容小、傳熱快、耐冰凍、耐熱沖擊、承壓強(qiáng)、保溫好、無(wú)滲漏、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其集熱效率高于其它形式的集熱器，并且可以水平安裝，簡(jiǎn)化安裝支架，減少安裝場(chǎng)地面積，避免集熱器影響建筑外觀，在太陽(yáng)能和建筑結(jié)合方面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)工作原理

太陽(yáng)能與太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵結(jié)合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長(zhǎng)補(bǔ)短，使二者互為補(bǔ)充，互為備用，在日照充足時(shí)優(yōu)先使用太陽(yáng)能加熱熱水，利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱水作為洗浴，溫度不夠熱空氣源熱泵可輔助加熱。這種組合形式，使二者均在相對(duì)比較穩(wěn)定高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的衛(wèi)生熱水供應(yīng)。根據(jù)熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，熱泵機(jī)組作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)的熱量中，只有一小部分來(lái)自電能，所以太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)大大提高了太陽(yáng)能利用率，減少了對(duì)一次能源的消耗。

太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的運(yùn)行主要有以下三種工況。

2.1 太陽(yáng)能加熱生活熱水

在大部分日照良好的晴天，系統(tǒng)按此工況工作，此時(shí)太陽(yáng)能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽(yáng)能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量通過(guò)中間換熱器輸送到熱水箱。

2.2 太陽(yáng)能輔助熱泵機(jī)組加熱生活熱水

當(dāng)陰天或多云天氣，當(dāng)太陽(yáng)能集熱溫度低于熱水箱水溫不足以直接加熱生活熱水時(shí)，熱泵機(jī)組啟動(dòng)，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內(nèi)生活熱水。在秋冬季節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度時(shí)，熱泵機(jī)組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時(shí)，熱泵輔助加熱循環(huán)啟動(dòng)，太陽(yáng)能熱水進(jìn)入熱泵機(jī)組輔助換熱器內(nèi)，預(yù)熱通過(guò)的空氣，使熱泵效率提高，并切具有防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用，可以節(jié)約熱泵機(jī)組的耗電量。

2.3 太陽(yáng)能和熱泵機(jī)組同時(shí)加熱生活熱水

在晴天日照良好時(shí)，如果熱水系統(tǒng)的耗熱量大于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的有效供熱量或太陽(yáng)能集熱器的數(shù)量較少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽(yáng)能和熱泵機(jī)組同時(shí)工作向熱水系統(tǒng)供熱。

3 太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 輔助空氣源熱泵機(jī)組功率的確定

太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，輔助空氣源熱泵機(jī)組在晴好天氣作為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的輔助熱源設(shè)備，在太陽(yáng)能資源不足時(shí)或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源保證熱水的正常供應(yīng)，所以其制熱功率應(yīng)按照整個(gè)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行確定。對(duì)于全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機(jī)組功率按照熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)熱負(fù)荷確定，對(duì)于非全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機(jī)組的功率應(yīng)根據(jù)最大用水量、熱水箱容積、加熱時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行確定（具體參見文獻(xiàn)[4]）。

3.2 太陽(yáng)能集熱器面積的確定

太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器的面積應(yīng)以熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷或根據(jù)實(shí)際情況確定的太陽(yáng)能供熱量作為基本依據(jù)，并分析計(jì)算項(xiàng)目所在地單位面積的太陽(yáng)能集熱器平均每日有效得熱量，從而確定太陽(yáng)能集熱器的安裝面積。

熱水工程中，太陽(yáng)能集熱器一般是固定角度安裝，其單位面積日有效得熱量隨季節(jié)和每日內(nèi)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化，并不是一個(gè)固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運(yùn)行工況、所在地氣象參數(shù)和太陽(yáng)輻照量等。不同的集熱器類型具有不同的集熱效率，其有效得熱量也不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)集熱器生產(chǎn)廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數(shù)和太陽(yáng)輻照資料進(jìn)行分析計(jì)算，取全年平均值。

4 太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)實(shí)用價(jià)值

4.1 運(yùn)行可靠性分析

作為太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分，太陽(yáng)能和空氣源熱泵都是技術(shù)成熟的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)?；靡延?0余年的歷史，空氣源熱泵的大量應(yīng)用也有數(shù)十年的歷史，太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)將空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在不影響二者原有運(yùn)行功能的條件下，使其運(yùn)行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)能源消耗。

4.2 節(jié)能效益分析

根據(jù)我國(guó)北方大部分地區(qū)的太陽(yáng)輻照資料，按照衛(wèi)生熱水系統(tǒng)平均耗熱量和太陽(yáng)能集熱器日平均得熱量確定太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器面積，太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能直接加熱可滿足熱水系統(tǒng)全年60-80%的熱量需求，其余20-40%熱量由太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組供應(yīng)，熱泵平均COP可達(dá)3.0，即其所供應(yīng)熱量有65%以上來(lái)自集熱器不能直接利用的太陽(yáng)能和空氣熱能。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，集熱器吸收的太陽(yáng)能的利用率接近100%，輔助加熱的電力消耗只占系統(tǒng)總能耗的7-14%，較常規(guī)能源的熱水系統(tǒng)可至少節(jié)能85%以上。

通過(guò)上述分析可見，太陽(yáng)能-熱泵中央熱水系統(tǒng)是一種性能可靠，環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽(yáng)能及少量的電能，對(duì)環(huán)境沒有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽(yáng)輻照良好的我國(guó)大部分地區(qū)都可推廣應(yīng)用。統(tǒng)和熱水供應(yīng)，冬天采暖運(yùn)行時(shí)節(jié)約常規(guī)能源60%以上，在我國(guó)大部分冬冷夏熱地區(qū)，本系統(tǒng)也可與建筑物采暖空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮最大的節(jié)能作用。

5 項(xiàng)目應(yīng)用

2007年，我們?cè)诎霾宏环焦咀隽颂?yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)作為試點(diǎn)，主要功能為集中生活、洗浴熱水供應(yīng)。該工程屋頂水平安裝200m2熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組輸出功率28kW。2007年11月調(diào)試完畢進(jìn)入試運(yùn)行階段，根據(jù)初步測(cè)試資料，系統(tǒng)在冬季晴天太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可滿足系統(tǒng)90%左右的設(shè)計(jì)供熱量，陰雨天氣熱泵機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，利用10℃左右的低溫太陽(yáng)能熱水熱泵輔助熱源，制熱性能有明顯提高。根據(jù)蚌埠地區(qū)的氣象條件和太陽(yáng)輻照資料，該系統(tǒng)年綜合節(jié)能率可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的90%以上的目標(biāo)。