太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)分析

李金海

（北京江森自控有限公司（杭州辦事處），浙江 杭州 310030）

引言

杭州市地處中北亞熱帶過(guò)渡區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，光照充足，雨量豐沛。年平均太陽(yáng)總輻射量在100～110千卡／平方厘米之間，日照時(shí)數(shù) 1800～2100小時(shí)，日照百分率（某時(shí)段內(nèi)實(shí)際日照時(shí)數(shù)與該地理論上可照時(shí)數(shù)的百分比）41～48%。年平均氣溫和月平均氣溫,年平均氣溫15.3℃～17℃，年平均降水量在1100～1600毫米之間，年雨日130～160天。杭州屬三類(lèi)光照地區(qū)，具有較好的太陽(yáng)能資源，適合開(kāi)發(fā)和利用。

結(jié)合本地區(qū)某大學(xué)食堂太陽(yáng)能改造工程實(shí)例，原來(lái)采用的蒸汽采暖方式，費(fèi)用高昂，故我方考察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況后，考慮經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等要求，經(jīng)研究采用“太陽(yáng)能+空氣熱泵”綜合應(yīng)用供應(yīng)熱水。在夏季陽(yáng)光充足時(shí)利用太陽(yáng)能提供所需的熱水，在冬季和陰雨天氣太陽(yáng)能不足時(shí)利用空氣源熱泵熱水機(jī)組來(lái)補(bǔ)充提供熱水。這樣不管春夏秋冬、白天黑夜、下雨下雪、系統(tǒng)都可以源源不斷的從空氣中吸收低品位熱量用于制生活熱水所需要的熱量，保證用水溫度及用水量，最大程度節(jié)能。

1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)介紹

1.1 太陽(yáng)能介紹

1.1.1 自動(dòng)定時(shí)上水

由于水具有很強(qiáng)的時(shí)間性，主要集中在早晨、中午和傍晚，系統(tǒng)可采用定時(shí)補(bǔ)水（最低水位，保證一次用水量），同時(shí)結(jié)合溫控補(bǔ)水方式。

1.1.2 溫差循環(huán)（強(qiáng)制循環(huán)）

如果集熱器和儲(chǔ)熱水箱中的溫度相差達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)(如15℃)，循環(huán)泵啟動(dòng)，把集熱器中的熱水頂入儲(chǔ)熱水箱中，把儲(chǔ)水箱中相對(duì)水溫較低的水進(jìn)入集熱器當(dāng)中進(jìn)行再次加熱；由于泵的循環(huán)作用，使集熱器和儲(chǔ)熱水箱中的溫度相差小于設(shè)定下限值時(shí)（如5℃），循環(huán)停止，并等待下一次循環(huán)的到來(lái)。如此不斷循環(huán)，使儲(chǔ)熱水箱中的水溫提升。

1.1.3 輔助加熱

輔助加熱采用約克空氣源熱泵（YWHA45*4，制熱量 45KW*4）及電加熱（180KW），并優(yōu)先啟動(dòng)空氣源加熱系統(tǒng)。系統(tǒng)均采用定時(shí)加溫，即在設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)水箱內(nèi)水溫，如未達(dá)到使用要求溫度時(shí)，熱泵自動(dòng)啟動(dòng)加溫，直至溫度達(dá)到時(shí)自動(dòng)停止（自動(dòng)控制，與太陽(yáng)能系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)）。電加熱輔助加熱系統(tǒng)在低環(huán)溫狀態(tài)進(jìn)行啟動(dòng)，以保證熱水正常供應(yīng)。

1.1.4 防凍循環(huán)及過(guò)熱保護(hù)

系統(tǒng)設(shè)置防凍循環(huán)，當(dāng)集熱器聯(lián)箱內(nèi)水溫低于了10℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入防凍循環(huán)，確保系統(tǒng)安全。由于學(xué)校在夏季等高溫季節(jié)基本無(wú)用水動(dòng)作或用水較少，而太陽(yáng)能資源則達(dá)到全年最大化，系統(tǒng)內(nèi)可能出現(xiàn)極高溫，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)作，系統(tǒng)設(shè)置全面過(guò)熱保護(hù)措施，使系統(tǒng)在高溫狀態(tài)下可自我保護(hù)，且在工況正常時(shí)系統(tǒng)亦能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1.1.5 管道增壓循環(huán)

由于用水高峰段流量較大，為保證系統(tǒng)供水正常及壓力平穩(wěn)，系統(tǒng)采用變頻增壓供水，確保供水壓力穩(wěn)定且與當(dāng)?shù)刈詠?lái)水基本一致。

1.1.6 恒溫出水

由于用水要求水溫不能高于60度，因此系統(tǒng)出水安裝恒溫出水設(shè)備，設(shè)定水溫60度，在水箱內(nèi)水溫較高時(shí)，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)節(jié)出水溫度，使其穩(wěn)定在60度水溫。

1.1.7 保溫措施

高溫?zé)崴艿啦捎?0mm橡塑保溫管套管進(jìn)行保溫，外用鋁箔進(jìn)行防護(hù)，保護(hù)保溫層不被氧化，提高使用壽命。

1.1.8 電線及信號(hào)線布置

電線及信號(hào)線必須套有電線管及信號(hào)線管，做到強(qiáng)弱電分離，確保系統(tǒng)運(yùn)行不受干擾。

1.1.9 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用分組控制，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。單組的檢修不影響其他幾組的運(yùn)作；優(yōu)先使用較熱熱水，使熱水得到充分利用。

2 空氣源熱泵介紹：

2.1 空氣源熱泵熱水器又稱(chēng)熱泵熱水器，由熱泵吸收空氣熱源制取熱水，節(jié)能效率是電熱水器的3.5倍以上，比太陽(yáng)能熱水器還要節(jié)能，是目前世界上最為先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保熱水系統(tǒng)。

2.2 空氣源熱泵運(yùn)行原理：

熱泵熱水器是一種高效集熱并轉(zhuǎn)移熱量的裝置，由壓縮機(jī)、空氣換熱器、水換熱器、膨脹閥和風(fēng)機(jī)等部件組成。它運(yùn)用逆卡諾循環(huán)原理，通過(guò)壓縮機(jī)做功，使工質(zhì)產(chǎn) 生物理相變（氣態(tài)——液態(tài)——?dú)鈶B(tài)），利用這一往復(fù)循環(huán)相變過(guò)程不斷吸熱和放熱，將熱量從低溫源（周?chē)諝猓┨崛〉綔囟容^高的水箱中，以加熱水箱中的水供 用戶使用。

2.3 具體工作流程如下：

低溫的工質(zhì)（冷凝劑）在蒸發(fā)器中低溫汽化，生成低溫低壓蒸汽，同時(shí)由于汽化而吸收周?chē)h(huán)境的熱量；低溫低壓的蒸汽在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)中被壓縮并升溫成為高溫高壓的蒸汽；高溫高壓的蒸汽被送到水箱內(nèi)的熱交換器中液化放出熱成為液態(tài)制冷劑，放出的熱量將水箱中的水加熱；液態(tài)的制冷劑在通過(guò)膨脹閥或毛細(xì)管后生成低壓低溫的制冷劑，又返回到蒸發(fā)器中準(zhǔn)備再次汽化。

3 改造后經(jīng)濟(jì)效益分析

使用太陽(yáng)能熱水工程，其節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。以下是具體計(jì)算所用的數(shù)據(jù)及部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源。

用水量為：設(shè)計(jì)水量約30噸。

按當(dāng)?shù)毓庹涨闆r為（110kal/cm2）4600MJ/m2·年計(jì)算，本次工程設(shè)計(jì)采光面積為400m2。則全年吸收太陽(yáng)光能約：920GJ。(太陽(yáng)集熱器效率按50%計(jì)算)則全年相當(dāng)于節(jié)約電能：920GJ/(3.6MJ·KWH-1·95%)≈27 萬(wàn) KWH（按95%效率計(jì)算）。

采用太陽(yáng)能+空氣能輔助系統(tǒng)后，由于太陽(yáng)能無(wú)法完全滿足供水，不足部份由空氣源（極端條件下啟動(dòng)電加熱）進(jìn)行輔助加熱，另由于學(xué)校平均年均使用9個(gè)月，太陽(yáng)能系統(tǒng)年均吸收有用熱量為690GJ；而全年使用熱水為8100噸（按設(shè)計(jì)水量充分利用計(jì)算），加熱水至使用溫度需要熱量為1360GJ，因此全年有670GJ熱量需通過(guò)空氣能進(jìn)行補(bǔ)充。

結(jié)論

可見(jiàn)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)工程經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。同時(shí)太陽(yáng)能又是綠色能源，采用太陽(yáng)能系統(tǒng)后，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯。

[1]GB/T19141-2003《家太陽(yáng)熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》

[2]GB/T18713《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》

[3]GB/T20095-2006《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》

[4]GB50364-2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》

[5]GB/T18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》

[6]GB/T4271-2006《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》