空氣源熱水器優(yōu)于太陽能熱水器應(yīng)用引發(fā)的思考

胡一凡，戚玉麗，王煒瑋，李杰英，龍 丹

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

我國太陽能熱水器市場持續(xù)快速發(fā)展了20年，從未出現(xiàn)過市場萎縮現(xiàn)象[1]。但是，這種發(fā)展勢(shì)頭在近期得到了改變。2013年實(shí)施的浙江省《民用建筑綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/1092-2013) “8.1.2 十二層及以下(十二層以上的上部六層)的住宅建筑應(yīng)為全體住戶配置太陽能熱水系統(tǒng)。有集中生活熱水需求的公共建筑宜優(yōu)先采用太陽能熱水系統(tǒng)、空氣能熱水系統(tǒng)等可再生能源系統(tǒng)……”。"另根據(jù)第8.1.2條條文說明：……在某些不具備安裝太陽能集熱器的建筑或建筑中的某些部位可選用空氣能熱泵等節(jié)能設(shè)備加熱生活熱水[2]。實(shí)際使用過程中目前不少住宅、公建等原先規(guī)定使用太陽能熱水系統(tǒng)的地方基本已被空氣源熱泵熱水系統(tǒng)代替。從以下幾方面我們思考下原因：

1 思考

1.1 空氣源熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁簡上的思考

依據(jù)《太陽能與空氣源熱泵水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB33 1034-2016中計(jì)算方法的規(guī)定[3]：在確定設(shè)備型號(hào)時(shí)太陽能熱水系統(tǒng)系統(tǒng)計(jì)算分類較細(xì)，集熱面積計(jì)算中加熱方式分為直接加熱和間接加熱方式兩種；供水方式又分為集中式系統(tǒng)和分散式系統(tǒng)，而空氣源熱泵則無需分類,而且在與其他工種的合作中，太陽能熱水系統(tǒng)需要與建筑、結(jié)構(gòu)等多工種合作，如確定建筑屋面面積是否足夠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算重力荷載和風(fēng)荷載效應(yīng)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算重力荷載、風(fēng)荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)等。而且設(shè)計(jì)圖中太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖內(nèi)容較多，需要畫出集熱面積和管道系統(tǒng)，而熱泵系統(tǒng)只需要提供設(shè)備平臺(tái)，畫上示意圖例即可完成。

1.2 空氣源熱水器與太陽能熱水器安裝便利上的思考

儲(chǔ)水設(shè)施、水泵、連接管及其他部件、控制系統(tǒng)和輔助熱源設(shè)施等內(nèi)容太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)安裝均相同，但太陽能集熱器和空氣源熱泵熱水機(jī)組安裝不同。太陽能集熱器需要良好的光照條件，一般布置在屋面，布置時(shí)要保證集熱器與前方遮光物或集熱器前后排之間的最小距離，前、后排集熱器之間還應(yīng)留有安裝、維護(hù)操作的足夠間距，排列整齊有序，管線穿屋面時(shí)，應(yīng)在屋面預(yù)埋防水套管。而空氣源熱泵機(jī)組則只需要布置在通風(fēng)條件良好的室外平臺(tái)或地面上，熱泵安裝時(shí)機(jī)組基礎(chǔ)(懸掛)高度離地面不低于15cm，其離開墻面的距離不少于15cm，兩臺(tái)熱泵機(jī)組相對(duì)布置時(shí)，其間距宜大于1m。熱泵機(jī)組需要遠(yuǎn)離人員密集區(qū)域，避免其排氣方向近距離(3米內(nèi))正對(duì)其它住戶的門窗。相比之下，由于屋面面積有限，集熱器的布置比熱泵機(jī)組的布置更受限制，更加占空間；同時(shí)集熱器安裝還應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的操作規(guī)程，保證集熱器的密封效果，由此集熱器的安裝比熱泵機(jī)組的安裝注意事項(xiàng)更多，安裝更為費(fèi)時(shí)費(fèi)力。未來城市化減緩帶來的新建筑減少、 勞動(dòng)力成本上漲、 城市建筑越來越高導(dǎo)致的屋頂不足等挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致太陽能的使用條件越來越嚴(yán)苛，而空氣源熱泵熱水器則不會(huì)遇到這種問題。

1.3 空氣源熱水器與太陽能熱水器運(yùn)行管理上的思考

太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)靥栞椛淞看_定采光面積，主要適用于在太陽能資源豐富的地區(qū)以及太陽能系統(tǒng)設(shè)備投資低廉的場合，在運(yùn)行設(shè)計(jì)階段[4]，太陽能熱水系統(tǒng)一般分為七大系統(tǒng)，有自然循環(huán)系統(tǒng)、定溫放水系統(tǒng)、溫差循環(huán)系統(tǒng)、定溫放水+溫差循環(huán)系統(tǒng)、定溫分區(qū)供水、副水箱上定溫放水系統(tǒng)、定溫管道循環(huán)系統(tǒng)。在陽光充足的情況下，太陽能熱水系統(tǒng)能很好地運(yùn)行。而空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)熱泵熱負(fù)荷選取合適的熱泵機(jī)組因此適用于在太陽能資源貧乏的地區(qū)或太陽能系統(tǒng)設(shè)備投資高昂的場合，在低溫環(huán)境中，空氣源熱泵的能效則較低，需要采取措施進(jìn)行改進(jìn)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)有直熱式和循環(huán)式兩種[5]。 實(shí)際運(yùn)行中沒有統(tǒng)一的方案，根據(jù)用戶要求的不同，則運(yùn)行方案也不同，小型供水工程中，直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)優(yōu)于循環(huán)式熱泵，它改進(jìn)了循環(huán)式熱泵的水溫不穩(wěn)定，供熱水不及時(shí)的弊端，在用水高峰期用戶水溫不受影響，熱水也不需要等待?？諝庠礋岜脽崴饕蚩稍谌魏螘r(shí)候產(chǎn)熱水，儲(chǔ)水箱配置僅為最大供熱水量的50%～70%即可滿足要求，熱泵熱水器儲(chǔ)水箱較小。而典型的太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行方式中，太陽熱水器的儲(chǔ)水箱要按全天最大供熱水量配置，而且儲(chǔ)熱水箱的容量有限，當(dāng)其儲(chǔ)熱水箱滿時(shí)，多余的熱水無法補(bǔ)充箱內(nèi)造成浪費(fèi)，而通過加熱水循環(huán)泵，提高太陽能換熱效率的同時(shí)，又會(huì)增加循環(huán)泵的維護(hù)費(fèi)用。而對(duì)于公共建筑，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，熱泵工作時(shí)間，供水時(shí)間，增壓泵運(yùn)行時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定，從而將熱水供應(yīng)時(shí)間控制在早、中、晚三個(gè)用水高峰的時(shí)間段，而太陽能熱水系統(tǒng)的加熱時(shí)間更為漫長，根據(jù)天氣的情況，若是日照條件不好，熱水則很難及時(shí)供應(yīng)。

1.4 空氣源熱水器與太陽能熱水器的投資成本比較

從投資方面來看，太陽能與空氣源熱水器在前期投資都比較大，但在后期運(yùn)行的投入，要達(dá)到相同條件，即不受天氣影響持續(xù)供水，空氣源比太陽能熱水器要節(jié)省的多。不同類型、容量、品牌、功能的太陽能熱水器價(jià)格存在差別，目前市場上的太陽能熱水器主要分為真空管和平板太陽能，這兩種類型的太陽能熱水器價(jià)格差別比較大。真空太陽能管熱水器造價(jià)低廉，安裝比較簡單市場占有率大，一般120L的真空管太陽能熱水器價(jià)格在6000～8000元左右。相同水容量的熱水器，平板太陽能熱水器價(jià)格大概比真空管高出40%。一般200L的太陽能熱水器價(jià)格在3萬元左右。目前，我國國內(nèi)市場上，一臺(tái)空氣能熱水器(熱泵熱水器)200L的家用機(jī)價(jià)位一般在6000元以上，而一臺(tái)150L家用機(jī)的市場售價(jià)一般也在5000到55000元之間。有數(shù)據(jù)表明：要讓120L水從15℃上升到55℃，太陽能熱水器費(fèi)用為1.48元，而空氣源熱泵熱水器約為0.95元。太陽能在日照充分條件下運(yùn)行成本幾乎為零，但太陽能無法全天候工作，陰雨天氣需考慮輔助電加熱，在同等條件下太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用是空氣源熱泵熱水機(jī)組1.4倍。但是空氣源熱水器進(jìn)入我國市場時(shí)間較短，不少空氣源熱泵熱水器生產(chǎn)廠家都不大，大部分是組裝和貼牌，質(zhì)量得不到保證，有的廠家偷工減料，靠價(jià)格競爭，相關(guān)的管理制度不夠完善，企業(yè)參差不齊，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前還不規(guī)范。

2 解決辦法

熱泵熱水器目前主要朝著能源高效率、綠色環(huán)保、舒適健康、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)、建筑一體化、智能化先進(jìn)制造、安全可靠等方向發(fā)展，需要解決的技術(shù)瓶頸目前包括能效、可靠性、HCFC替代、熱泵除霜、高效換熱、噪聲振動(dòng)以及防腐蝕等。在市場消費(fèi)升級(jí)的推動(dòng)下,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)已成為熱水器行業(yè)發(fā)展的一條主線。從整體來看,電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌⒖諝庠礋岜脽崴饕约疤柲軣崴鞫继幵谵D(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。熱水器企業(yè)既面臨日益嚴(yán)格的產(chǎn)品安全、能源效率、綠色環(huán)保等要求,也需要積極探索與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)融合。

目前，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展很快，利用這些新技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合能有效推動(dòng)其發(fā)展。比如，熱水太慢、水量不足以及能耗過高等問題困擾熱水器行業(yè)，“物聯(lián)網(wǎng)+熱水器”模式也許能夠提供解決這些問題的新思路。研發(fā)產(chǎn)品能通過自主學(xué)習(xí)了解消費(fèi)者的使用習(xí)慣、設(shè)備的特性和運(yùn)行情況等信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能、高效、省錢的效果。

就目前的技術(shù)水平物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)能夠做到對(duì)熱水器的遠(yuǎn)程控制，并且在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)有了應(yīng)用。以Niagara平臺(tái)創(chuàng)建了一個(gè)通用環(huán)境，可連接任何嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)，而無需考慮設(shè)備的制造廠家以及使用的通訊協(xié)議。該系統(tǒng)將太陽能充分利用于熱水器裝置中，對(duì)于日照時(shí)間較長的地區(qū)，可合理利用太陽能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能，是編程人員足不出戶就可編程或修改邏輯，這對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)具有重要意義。

熱泵的耗能相較于電加熱與其他傳統(tǒng)的能源使用有所具有的優(yōu)勢(shì)是節(jié)能，且相較于太陽能更為穩(wěn)定，但是熱泵在低溫環(huán)境下的效率低，于是解決熱泵在低溫環(huán)境下的效率問題就顯得尤為重要了，這將極大促進(jìn)熱泵的應(yīng)用，也符合當(dāng)前節(jié)能減排的要求。

目前歐美市場上常見低溫?zé)岜玫募夹g(shù)功課著眼點(diǎn)有：(1)室外機(jī)盤管增加放水肋片涂層，減少霜凍現(xiàn)象；(2)縮短化霜時(shí)間；(3)多級(jí)壓縮和變頻運(yùn)行；(4)優(yōu)化室內(nèi)外盤管容量；(5)在多臺(tái)壓縮機(jī)之間設(shè)置中間冷卻器和旁通制冷劑環(huán)路；(6)根據(jù)熱負(fù)荷選定壓縮機(jī)功率；(7)選用新型制冷劑，如混合制冷劑或二氧化碳；(8)增加室外盤管除霜循環(huán)，或安裝室外機(jī)保護(hù)罩等。

3 總結(jié)

城市化的快速發(fā)展帶來的大量新建筑使得太陽能熱水器市場曾經(jīng)紅火一時(shí)，而當(dāng)前城市化減緩帶來的新建筑減少、勞動(dòng)力成本上漲、城市建筑越來越高導(dǎo)致的屋頂不足等挑戰(zhàn)使得太陽能熱水器市場逐漸萎縮，設(shè)計(jì)繁簡、安裝、運(yùn)行管理、投資成本均影響著太陽能熱水系統(tǒng)的發(fā)展。同理空氣源熱水系統(tǒng)要在市場上站住腳跟，現(xiàn)階段，應(yīng)在提升產(chǎn)品質(zhì)量、解決技術(shù)難點(diǎn)，融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)上，使空氣源熱水器達(dá)到真正節(jié)能的目的，滿足用戶的使用要求

[1] 邱壽豐.太陽能熱水器市場萎縮的歷史及原因[J].能源與環(huán)境，2014(6)：47-48.

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