太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析及熱水箱設計研究

摘要；隨著經濟社會的不斷發(fā)展，對能源的需求越來越大，而能源的供需矛盾也日益突出，尋找清潔能源、可持續(xù)發(fā)展成為迫切要求。太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的實現(xiàn)，是以太陽能節(jié)能為主、熱泵系統(tǒng)節(jié)能為輔，該節(jié)能方法在現(xiàn)實生活中已經得到廣泛應用。但是，在節(jié)能技術設計方面尚且存在一些問題，在設計不合理的影響下，太陽能與熱泵系統(tǒng)達不到想要的節(jié)能效果。對此，本文根據近幾年測試的數據及經驗，分別對太陽能及熱泵系統(tǒng)做出節(jié)能分析，并對熱水箱設計進行簡單探討。

關鍵詞：太陽能；熱泵系統(tǒng)；節(jié)能分析；熱水箱設計

中圖分類號： TU832 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

在經濟社會發(fā)展的同時，節(jié)能成為世界工業(yè)發(fā)展的首要任務。太陽能熱泵熱水系統(tǒng)結合了太陽能利用技術和熱泵技術兩者的優(yōu)點，是一種新型節(jié)能環(huán)保的熱水系統(tǒng)。在“十二五”規(guī)劃上，節(jié)能減排成為我國的新興產業(yè)，同時還提出很多節(jié)能措施，這些措施能夠減少能源消耗，在一定程度上緩解自然污染、環(huán)境破壞的速度。尤其是太陽能和熱泵系統(tǒng)，它們的應用使生活熱水節(jié)能量達到45%以上，本文將根據相關資源分布情況，來詳細分析太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能。

一、太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

太陽能與熱泵系統(tǒng)，是熱水箱的重要組成部分，對太陽能與熱泵系統(tǒng)進行能量控制，將有利于完善和改進熱水系統(tǒng)，使熱水箱能夠最大限度發(fā)揮供熱功能。太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能作為“節(jié)能減排”的主要目標，我國早在2001年就提出太陽能、熱泵系統(tǒng)在建筑一體化中的節(jié)能措施。我國對太陽能資源分布和太陽能評估做了詳細的調查和分析，并得出相關結果和結論[1]。

（一）太陽能資源分布情況分析

1、太陽能資源豐富區(qū)。資源豐富區(qū)是指太陽輻照量在6700MJ/m2.a以上的地區(qū)，是太陽能資源等級最高的地區(qū)。例如新疆南部、西藏北部、甘肅、青海等海拔高的地區(qū)。海拔高縮短了太陽與地面的照射距離，使這些地區(qū)能夠接受更多的日照，提高了太陽輻照量。

2、太陽能資源較富區(qū)。是指太陽輻照量在5400-6700MJ/m2.a之間的地區(qū)，這些地區(qū)大多是靠北的山丘地區(qū)，最具有代表性的地區(qū)有內蒙古呼倫貝爾、北京、天津、山西等有一定海拔的地區(qū)。這些地區(qū)是太陽能應用得最多的地區(qū)，因為這些地區(qū)除了自然環(huán)境優(yōu)勢外，還有經濟發(fā)達的優(yōu)勢。

3、太陽能資源一般區(qū)。是指太陽輻照量在4200-5400MJ/m2.a之間的地區(qū)，這些地區(qū)海拔一般較低，并且處于平原地區(qū)，例如黑龍江、山東、安徽、湖南、福建等。這些地區(qū)太陽照射的距離較長，太陽輻照量相對較低。

4、太陽能資源貧乏區(qū)。是指太陽輻照量低于4200MJ/m2.a以下的地區(qū)，這些地區(qū)大多分布在盆地或盆地附近的地區(qū)，因為大多盆地的海拔都低于地平面，增加了這些地區(qū)與太陽的距離，使太陽輻照量降低。例如四川、貴州西部、云南南部、廣西等地。

（二）一般熱泵系統(tǒng)制熱系數分析

熱泵系統(tǒng)制熱系數是指熱泵COP值與環(huán)境溫度值的正比例關系。例如，某熱泵廠家提供的壓輸機制熱系數中，熱泵COP值與環(huán)境溫度值的關系分析中發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度低于10℃時，COP值才剛好達到2.0；環(huán)境溫度達到20℃時，COP值達到3.0；環(huán)境溫度達到30℃時，COP值達到4.0；環(huán)境溫度超過30℃時，COP值超過4.0。從這些數據不難看出，環(huán)境溫度值與COP值是呈正比例關系，并且是以1：10%的比例增加[2]。

COP值是衡量熱泵系統(tǒng)供熱的指標，也是衡量熱泵系統(tǒng)的節(jié)能指標，該指標隨著環(huán)境溫度的提高而提高的特點，與太陽能隨著太陽輻照量增加而增加的特點具有一致性。兩者都需要太陽提供一個溫度較高的環(huán)境，才能更好的進行供熱工作，因此有效的節(jié)能方法，是以太陽能為供熱主體，以熱泵系統(tǒng)供熱為輔助。

（三）太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能評估

太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能評估，要求明確掌握太陽輻照量、集熱器面積、集熱器效率、環(huán)境溫度、COP值等指標[3]。該評價是太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的目標和標準，下面將簡單分析太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的評估，并做出相關的數據分析。

這里以云南東部某地區(qū)為例，該地區(qū)集熱器的熱效率平均為60%，按照春夏秋冬季節(jié)的相關溫度數據，推算出集熱器面積，集熱器熱效率與面積，決定太陽能可承受的熱能消耗為熱水箱供熱量的60%，熱泵系統(tǒng)為40%。該地區(qū)年平均氣溫為20℃，可以判斷當地實際太陽照射時間和面積，并得出太陽能與熱泵供熱系統(tǒng)全年大約節(jié)能86.8%，實際節(jié)能72.5%。

二、熱水箱設計

（一）熱水箱設計存在的問題

傳統(tǒng)熱水箱的設計，要求太陽能與熱泵系統(tǒng)同時使用一個熱水箱，這在很大程度上影響了太陽能與熱泵系統(tǒng)的供熱效率。因為在供熱過程中，太陽能供熱不足時，才會使用熱泵系統(tǒng)供熱，使供熱過程復雜，延緩了供熱速度。為了提高供熱速度，很多用戶不得不花精力去增加太陽能與熱泵系統(tǒng)的供應量，導致熱水箱設計時出現(xiàn)很多問題，集中體現(xiàn)在工程造價和熱量控制兩方面。

一方面，為了提高太陽能與熱泵系統(tǒng)供熱量，設計師會花資金去設計一個更大的熱水器供用戶使用，供熱量提高了，但造價一般用戶難以接受，這樣會導致用戶量下降。另一方面，熱量的控制主要受季節(jié)影響。夏季太陽能提供的熱量就能滿足用戶的需求，無需熱泵系統(tǒng)提供熱量，屬于節(jié)能效果最佳的季節(jié)；秋季，大部分的熱量是太陽能提供的，少數熱量是由熱泵系統(tǒng)提供。

（二）熱水箱設計的措施

第一，增設熱水箱，熱水箱可以分成兩個，分別供太陽能和熱泵系統(tǒng)使用，其水箱的容量可達10t，這樣做的目的是為了減少擴大水箱體積帶來的額外花費，在一定程度上控制了熱水箱的工程造價，以便用戶能夠接受。同時，也降低了太陽能與熱泵系統(tǒng)的供熱成本，提高了供熱效率，滿足用戶的熱量使用需求。第二，用真空管將兩個水箱連接起來，兩水箱的連接是為了解決因季節(jié)變化而不能及時供熱的問題，兩個水箱分別吸收太陽、熱泵系統(tǒng)提供的熱能，一般先使用太陽能提供的熱量，儲存熱泵系統(tǒng)提供的熱量，解決冬季熱量供應不及時的問題。

該設計與傳統(tǒng)水箱的設計相比，具有很多的優(yōu)勢，在這里筆者簡單總結如下：第一，能夠使太陽能得到充分利用，最大限度節(jié)約了熱能；第二，該系統(tǒng)集太陽能熱水箱、熱泵系統(tǒng)熱水箱于一體，兩者是相互聯(lián)系的，可以進行統(tǒng)一控制，不需要另行設計；第三，為熱泵系統(tǒng)提供了足夠的加熱時間和空間。

結語

開發(fā)新能源和節(jié)能是尋求能源出路的兩大重要途徑 ，太陽能熱泵供熱系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能性和環(huán)保性具有廣闊的發(fā)展前景。熱泵技術是一種很好的節(jié)能型空調制冷供熱技術，太陽能與熱泵系統(tǒng)是熱水箱最重要的供熱源，它的節(jié)能直接影響“節(jié)能減排”目標的實現(xiàn)。因此，要加強太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能力度。本文通過分析太陽輻照量、集熱器熱效率、集熱器面積、環(huán)境溫度和COP值等指標，可以計算出相對條件下太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量，為熱水箱的改進設計提供依據。

參考文獻

[1]鄭榮進，莊麟，池清，等.溫室太陽能與地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)熱力學分析[J].農業(yè)機械學報，2013，04：233-238+232.

[2]肖菊，丁文萍，楊敏芝.工程型太陽能熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析[J].河南科學，2013，06：829-832.

[3]熊慧靈，劉何清，李永存.太陽能-溶液-熱泵干燥系統(tǒng)節(jié)能分析[J].建筑節(jié)能，2015，05：56-60.

作者簡介

朱冰（1983年12月14日-）；男；漢族；湖北鐘祥人；本科；工程師；主要從事建筑給排水工程設計工作。