空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省的應(yīng)用分析

河南省工業(yè)情報(bào)標(biāo)準(zhǔn)信息中心 劉大可

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省的應(yīng)用分析

河南省工業(yè)情報(bào)標(biāo)準(zhǔn)信息中心 劉大可

能源是國家的重要戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)資源，也是綜合國力的重要組成部分。隨著人民生活水平的提高，能源緊缺的問題也日益顯現(xiàn)，節(jié)能減排已成為我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極其緊迫的任務(wù)。在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，賓館、醫(yī)院、學(xué)校、酒店、美容美發(fā)等服務(wù)行業(yè)發(fā)展迅猛，這些行業(yè)熱水的耗能很大。為了盡可能地減少耗能，提高效益，本文，筆者在收集分析相關(guān)資料和調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南省的氣候特點(diǎn)，選擇節(jié)能效果較好的新型空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行分析，對其應(yīng)用進(jìn)行了探討并提出建議。

一、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的原理

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是將空氣源熱泵機(jī)組和太陽能熱水裝置兩種高效熱水設(shè)備有機(jī)組合在一起，通過精確的智能控制系統(tǒng)，在光照充足的情況下利用太陽能加熱，在太陽能不足時(shí)開啟空氣源熱泵熱水機(jī)組，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電熱管對水加熱到所需規(guī)定的溫度，以滿足不同用戶的需求。該系統(tǒng)同時(shí)具備了環(huán)保節(jié)能和運(yùn)行穩(wěn)定的功能，既保證了熱水溫度又降低了運(yùn)行成本，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

1.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的構(gòu)成?？諝庠礋岜幂o助太陽能熱水系統(tǒng)主要有3部分構(gòu)成：即太陽能熱水裝置、空氣源熱泵熱水機(jī)組、控制器部分。另外有熱水保溫水箱、連接管道等輔助部分。

（1）太陽能熱水裝置。其主要部件為太陽能集熱器，即利用太陽能加熱水溫的熱水器。它的最大優(yōu)勢是在日照充足的條件下，整個(gè)體系運(yùn)行成本幾乎為零，而且使用維護(hù)簡單、壽命長、節(jié)能、安全，這也是目前在太陽能比較豐富的地區(qū)應(yīng)用廣泛且作為主要能源的重要原因。其缺點(diǎn)是：當(dāng)天氣條件不利（如光照不足、夜間等情況）或者屋面可放置集熱器的面積有限時(shí)，不能保證用戶所需的熱水溫度，此時(shí)必需用電輔助加熱，但耗能會大大增加。

（2）空氣源熱泵熱水機(jī)組。該機(jī)組是一種利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用蒸汽壓縮循環(huán)，將低溫?zé)嵩矗諝饣蛩┑臒崃哭D(zhuǎn)移到較高溫的被加熱水中，來制取生活熱水和采暖熱水的新型設(shè)備。空氣源熱泵熱水機(jī)組作為高效集熱并轉(zhuǎn)移熱量的裝置，可以將低溫?zé)崮芟蚋邷責(zé)崮苻D(zhuǎn)移。它的最大優(yōu)勢是只要室外環(huán)境溫度在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)（-10～50℃）就可以全天候直供熱水，彌補(bǔ)了太陽能熱水裝置本身存在的缺陷，節(jié)約了用電。

（3）控制器部分。該部分主要有溫度傳感器、壓力控制器、恒溫控制器、電磁閥、電子控制芯片等組成，用來自動(dòng)調(diào)節(jié)熱水達(dá)到所需溫度。

2.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的控制原理?？諝庠礋岜幂o助太陽能熱水系統(tǒng)如圖1所示。太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器控制，當(dāng)中央控制器檢測到太陽能熱水單元出水口熱水溫度達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉空氣源熱泵機(jī)組并開啟閥門，使熱水進(jìn)入熱水水箱；當(dāng)中央控制器檢測到熱水達(dá)不到要求的溫度時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵，使熱水同時(shí)進(jìn)入熱水水箱，以保證熱水箱水溫達(dá)到用戶的要求。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)主要在4種情況下運(yùn)行。

（1）太陽能直接加熱，根據(jù)太陽能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，利用集熱器采集的熱量通過中間換熱器輸送到熱水箱。

（2）陰天或多云天氣，當(dāng)太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫時(shí)，熱泵機(jī)組啟動(dòng)，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內(nèi)熱水。在秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度，熱泵機(jī)組的制熱效率下降且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時(shí)，熱泵輔助加熱循環(huán)啟動(dòng)，高于環(huán)境溫度的低溫太陽能熱水進(jìn)入熱泵機(jī)組輔助換熱器內(nèi)，預(yù)熱了所通過的空氣，使熱泵效率提高，防止蒸發(fā)器結(jié)霜，節(jié)約了熱泵機(jī)組的耗電量。

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

（4）連續(xù)雨雪天氣，空氣源熱泵機(jī)組直接加熱，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機(jī)組提供，太陽能熱水裝置處于待機(jī)狀態(tài)。

二、河南省的氣候特點(diǎn)

河南省位于北緯31°23～36°22，東經(jīng)110°21～116°39，地跨暖溫帶和北亞熱帶，總面積為16.7萬km2。屬于暖溫帶的地域比較廣闊，占全省面積的70.1%。全省全年可得太陽輻射的總時(shí)數(shù)為4 428.1～4 432 h，因地理環(huán)境和云霧的影響，全省實(shí)際日照時(shí)數(shù)為2 000～2 600 h，日照率大致為45%～55%，其分布趨勢為平原多于山區(qū)，黃河以北大部分在2 400～2 600 h，西部山地為2 000 h。根據(jù)日照站的實(shí)際觀測，河南全年太陽輻射量為113～510.7 kJ/cm2。各地區(qū)之間的差異比較明顯，如信陽固始縣比北部的安陽偏多33.7 kJ/cm2。從時(shí)間上看也有明顯的變化，最低月值為12月份，全省大部分地區(qū)不到25.1 kJ/cm2；最高月值為6，7月份，一般在54.4 kJ/cm2以上。

以鄭州市為例，鄭州地處河南中部，冷暖適中，四季分明，年平均降雨量640.9mm，夏季平均最高氣溫30℃，冬季平均最低氣溫-0.84℃，全年日照時(shí)間約為2 400 h。以上數(shù)據(jù)表明河南省的太陽能資源雖不算很豐富，但還是有很大利用空間的，適合空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的使用。

三、各種類型熱水加熱裝置耗能和經(jīng)濟(jì)性對比

各種類型熱水系統(tǒng)熱效益見表1，各種類型熱水加熱裝置經(jīng)濟(jì)性對比見表2。

表 1 各種類型熱水系統(tǒng)熱效率

表 2 各種類型熱水加熱裝置經(jīng)濟(jì)性對比

從表1，表2中可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是目前最經(jīng)濟(jì)的熱水系統(tǒng)。太陽能熱水系統(tǒng)受天氣因素影響很大，需經(jīng)常開啟輔助加熱管。而傳統(tǒng)的輔助加熱模式與電熱水器并無兩樣，能耗較大，使用空氣源熱泵技術(shù)替代傳統(tǒng)的電熱管加熱，能耗就大幅降低；單獨(dú)使用空氣源熱泵熱水器相比燃煤鍋爐運(yùn)行的費(fèi)用差距并不是很大，空氣源熱泵作為輔助加熱太陽能熱水，可充分利用河南省太陽能資源，從而達(dá)到環(huán)保節(jié)能、降低使用費(fèi)用的目的。目前，鄭州等城市因環(huán)保的需要，小型燃煤鍋爐已全面禁用，商業(yè)用熱水只能選用燃?xì)?、燃油和電熱水器，但成本極高。因此，推廣應(yīng)用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)對節(jié)能減排增效是一種優(yōu)化的選擇。

四、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)目前存在的問題。

1.投資較大。由于空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是2種高效熱水裝置的結(jié)合，因此首次購用成本較大，目前市場商用機(jī)型成本比傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)高出40%～60%，但應(yīng)用成本較低，相信今后在市場競爭中會生產(chǎn)出性價(jià)比更高的產(chǎn)品。

2.系統(tǒng)占用空間較大。傳統(tǒng)太陽能熱水器就有占用樓面空間大、高層建筑不便安裝等問題，該系統(tǒng)也存在同樣的問題。這與建筑行業(yè)、制造業(yè)、服務(wù)行業(yè)等的技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新緊密相關(guān)，隨著科研水平的提高，產(chǎn)品不斷升級，會逐漸解決這些問題，以滿足各種用戶的需求。

五、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省應(yīng)用建議

目前，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)已在我國深圳、北京、上海、杭州、云南等地推廣應(yīng)用，均取得良好的使用效果。國家針對此系統(tǒng)已經(jīng)制定出產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，將引導(dǎo)這種新型節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品走向快速發(fā)展的道路。河南省地處中原，人口眾多，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較弱，資源消耗大，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用推廣對于河南省節(jié)能減排將會起到良好的作用。因此，筆者提出如下建議。

1.抓住機(jī)遇開發(fā)利用。國家十二五發(fā)展規(guī)劃和河南省十二五發(fā)展規(guī)劃，均把節(jié)能減排列為重中之重。今年5月，財(cái)政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)我國綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見》，明確綠色建筑不僅要節(jié)能，還要節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境目的，并通過建立財(cái)政激勵(lì)機(jī)制、健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及評價(jià)標(biāo)識體系、推進(jìn)相關(guān)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多種手段，力爭到2020年，綠色建筑占新建建筑比重超過30%。開發(fā)推廣空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)符合發(fā)展方向和國家政策，為河南省城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)提供新型節(jié)能設(shè)備，具有廣闊的市場前景。

2.目前，北京、浙江、深圳等省市已經(jīng)成立了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)專業(yè)公司，并取得了顯著的節(jié)能成果和經(jīng)濟(jì)效益。建議河南省有關(guān)高校、科研單位和相關(guān)企業(yè)盡快對此類產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，把握市場動(dòng)向，盡快開發(fā)出具有市場競爭力的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

3.根據(jù)河南省的實(shí)際情況，建議開發(fā)過程分2步走。首先，開發(fā)600 L以上的商用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，其次，再開發(fā)600L以下的家用熱水系統(tǒng)。600 L以上的商用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)因產(chǎn)品大多為用戶定制，生產(chǎn)批量小，生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制和售后服務(wù)難度均小于600 L以下的家用型空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，更易取得成功。

4.國家針對此系統(tǒng)已經(jīng)制定出產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，《家用空氣源熱泵輔助型太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》（GB/T23889-2009）于2010年1月開始實(shí)施，且商用600 L以上產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)（儲水箱容積大于0.6 m3）技術(shù)規(guī)范》（GB/T 26973-2011）于2012年8月1日將要實(shí)施。空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)當(dāng)前在河南省市場的認(rèn)知度較低，需要加大宣傳力度，加快宣傳和貫徹以上標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，使河南省環(huán)保型熱水裝置設(shè)備及相關(guān)服務(wù)行業(yè)向更高的層次邁進(jìn)。

5.加大對安裝維修人員的培訓(xùn)，做好人員的技術(shù)儲備?？諝庠礋岜幂o助太陽能熱水系統(tǒng)安裝難度較大，安裝人員需具有安裝太陽能熱水裝置和熱泵熱水機(jī)組的雙重經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。國家將要實(shí)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)的施工安裝、試運(yùn)行與驗(yàn)收都提出了明確規(guī)定，對推廣和安裝公司提出了更加嚴(yán)格的要求，安裝人員必須具有較高的技術(shù)水準(zhǔn)和良好的職業(yè)素養(yǎng)，應(yīng)加強(qiáng)對人員的職業(yè)培訓(xùn)，建立優(yōu)良的服務(wù)隊(duì)伍。