太陽能熱水系統(tǒng)引入空氣源熱泵和管路系統(tǒng)的探討

艾 磊

（青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 青海西寧 810000）

0 引言

現(xiàn)階段，為了滿足高原地區(qū)農(nóng)村居民的熱水需求，安裝了大量的太陽能熱水器。但由于高原地區(qū)特性，冬季嚴(yán)寒、晝夜溫差大、極端低溫的出現(xiàn)可能導(dǎo)致太陽能熱水系統(tǒng)管網(wǎng)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，甚至直接發(fā)生凍裂，導(dǎo)致供熱系統(tǒng)癱瘓。因此，如何保障高原地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)不受低溫影響，成了當(dāng)前所有科研機(jī)構(gòu)的研究方向，本文通過對空氣源熱泵技術(shù)的運(yùn)行原理進(jìn)行分析， 探討了高原地區(qū)農(nóng)村太陽能熱水系統(tǒng)引入空氣源熱泵的可行性， 旨在保障高原地區(qū)農(nóng)村居民正常的熱水供應(yīng)，降低能源消耗，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 高原地區(qū)太陽能供暖發(fā)展的現(xiàn)狀

與其他地區(qū)相比，高原地區(qū)日照充足，其年、月總太陽輻射都較高。 高原地區(qū)全年晝夜溫差較大，尤其是冬季最為明顯，可達(dá)20℃～30℃。高原地區(qū)海拔較高，且氣壓、含氧量、空氣密度較低，造成空氣十分干燥，特別是冬季最為干燥，空氣中相對濕度僅為5%～15%。同時，高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，污染不易治理?；诖?，在為高原地區(qū)農(nóng)村改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時，環(huán)境保護(hù)問題也應(yīng)得到重視。

近些年來， 在國家與相關(guān)高原地區(qū)政府的政策支持下，高原地區(qū)開展了大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)，一大批新能源企業(yè)進(jìn)入建設(shè)，建立了一批太陽能供暖示范工程，取得了顯著成效。 高原地區(qū)綠色建筑更是受到廣泛關(guān)注，許多高校和科研機(jī)構(gòu)都針對太陽能等優(yōu)等能源[1]設(shè)置了科研項目，力求在高效利用太陽能供暖的同時，降低能源消耗。

2 高原地區(qū)太陽能供暖模式探討

高原城市地區(qū)的太陽能建筑， 從初期建設(shè)至今已有10 多年，建立了許多示范性工程，但是仍然存在一些問題，一些建筑企業(yè)為追求經(jīng)濟(jì)效益，對項目沒有清晰的認(rèn)識，缺乏對建筑類型和施工技術(shù)的深入探究，部分企業(yè)甚至沒有做任何保溫措施， 就直接開始安裝太陽能供暖設(shè)備，造成其后期運(yùn)行和維護(hù)困難，導(dǎo)致資金沒有得到有效利用。 與高原城市地區(qū)相比，農(nóng)村地區(qū)相對貧窮，基本沒有供熱設(shè)施[2]，卻占有太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展的自然優(yōu)勢，應(yīng)發(fā)展低成本的太陽能利用技術(shù)，以保障該地區(qū)的熱水供應(yīng)，解決因晝夜溫差大所造成的取暖問題。 針對高原地區(qū)農(nóng)村已有的太陽能熱水系統(tǒng)， 在保障其太陽能供暖管網(wǎng)保溫的同時， 也要通過空氣集熱器保障室內(nèi)各圍護(hù)構(gòu)建的保溫， 通過蓄熱解決氣候?qū)μ柲芄芫W(wǎng)所造成的影響。

隨著高原地區(qū)建設(shè)進(jìn)程的加快， 許多高層建筑拔地而起，這也造成了一些問題出現(xiàn)，城市內(nèi)建筑樓層較高，且密度加大，造成太陽能集熱系統(tǒng)的安裝十分困難，導(dǎo)致其不能使用農(nóng)村所采用的太陽能技術(shù)。針對此類情況，為建設(shè)太陽能集熱系統(tǒng)保障居民正常使用熱水， 可以選擇一些沒有農(nóng)牧的空曠地區(qū)，進(jìn)行安裝鋪設(shè)，建立能源互補(bǔ)熱站， 通過借助熱蓄調(diào)系統(tǒng)可以解決高原地區(qū)城市供暖問題。這樣的供暖模式更集中，也使后期維護(hù)管理更加方便。針對太陽能集熱系統(tǒng)夏季閑置的問題，可以采用太陽能光伏系統(tǒng)進(jìn)行解決，保障城市用熱和用電，從而保障太陽能的利用效率。對于一些高原地區(qū)城市，傳統(tǒng)的供暖方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的供暖需求， 太陽能供暖的發(fā)展可以承擔(dān)一部分供暖需求，從而組成新的組合供暖模式。

3 電伴熱系統(tǒng)和空氣源熱泵對管道進(jìn)行保護(hù)的原理

3.1 電伴熱系統(tǒng)對管道進(jìn)行保護(hù)的原理

現(xiàn)階段，高原農(nóng)村地區(qū)的管道系統(tǒng)保護(hù)，大多數(shù)都采用加裝保溫層及安裝電伴熱來減少熱損失，使管道內(nèi)外溫度保持恒定，從而保護(hù)供熱管道。 通常情況下管道電伴熱系統(tǒng)組成包括以下幾個部分：發(fā)熱電纜供電電源系統(tǒng)、管道防凍電纜加熱系統(tǒng)、管道電伴熱智能控制報警系統(tǒng)。 其中單根的伴熱電纜單元包括以下幾個部分：空氣開關(guān)、溫度傳感器、溫控器、故障蜂鳴報警器等。 溫度傳感器通常被安裝在加熱管上，方便工作時隨時查看溫度。 想要達(dá)到加熱防凍的效果，就需要在工作前將溫控器設(shè)好溫度， 在與溫度傳感器測量的溫度進(jìn)行比較，在達(dá)到一定溫度后，通過控制箱的報警裝置和空氣開關(guān)切斷電源。

3.2 空氣源熱泵技術(shù)對管道進(jìn)行保護(hù)的原理

電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行保溫處理的原理為： 為管道提供熱量，使損失熱量得到補(bǔ)充，從而保證管道系統(tǒng)內(nèi)外不會出現(xiàn)較大熱損失的情況。 空氣源熱泵進(jìn)行保溫處理的原理為：吸收空氣中低溫?zé)崮埽⒅畨嚎s，通過壓縮機(jī)將其最終轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，從而加熱水和提高周圍溫度。通過上述描述可以發(fā)現(xiàn)，兩樣技術(shù)的應(yīng)用，都是為了保持供熱管道內(nèi)外的熱量達(dá)到平衡，發(fā)揮其制熱性能[3]，防止管道在極端天氣下出現(xiàn)凍裂，讓供熱系統(tǒng)得到保護(hù)。 另外，兩種加熱方式的原理相同，且后者更加節(jié)能，與前者相比后者節(jié)能效果更加明顯， 消耗更低的能源卻有更為明顯的供熱效果。

4 高原地區(qū)農(nóng)村太陽能熱水系統(tǒng)引入空氣源熱泵的可行性

4.1 高原地區(qū)農(nóng)村應(yīng)用空氣源熱泵技術(shù)的方式

高原地區(qū)農(nóng)村冬季更加嚴(yán)寒， 也就意味著太陽能熱水系統(tǒng)的效率不高，同時如果不采取優(yōu)質(zhì)的保溫措施，可能造成熱水的使用出現(xiàn)問題， 甚至造成供熱管道出現(xiàn)凍結(jié)。雖然電伴熱和電輔助技術(shù)可以解決相關(guān)問題，但是也造成了更多的電能消耗。 因此，想要降低電力消耗，滿足節(jié)能減排的發(fā)展需求，就需要引入空氣源熱泵技術(shù)，來保障能源消耗滿足相關(guān)要求， 同時提高供熱系統(tǒng)的使用年限。 空氣源熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)相比， 更加安全、節(jié)能，高效[4]，因為其不是采用電熱元件直接加熱，不會出現(xiàn)漏電情況。 結(jié)合空氣源熱泵機(jī)組與太陽能熱水系統(tǒng)的方式。想要形成一個良好的循環(huán)系統(tǒng)，需要將太陽能熱水系統(tǒng)的進(jìn)出水口進(jìn)行連接，使其相互連通，并在上面加裝止回閥和循環(huán)泵， 重點應(yīng)保證空氣源熱泵機(jī)組要安裝在進(jìn)水前端。 這樣的安裝方式， 可以在太陽照射充足時，保證熱水系統(tǒng)能夠正常工作，即使關(guān)閉泵前閥門，空氣源熱泵也不會得到啟用， 不會影響熱水系統(tǒng)的原有運(yùn)行。太陽照射不充足時，也不會導(dǎo)致凍裂情況出現(xiàn)對太陽能熱水系統(tǒng)造成影響，在農(nóng)村居民不用水時，只要系統(tǒng)水源得到補(bǔ)充，關(guān)閉進(jìn)水閥門也不會造成影響，只要空氣源熱泵保持低功率運(yùn)行，就能一直輔助供熱系統(tǒng)加熱，從而保持水溫恒定。 農(nóng)村居民用水時，即使用量不大，造成循環(huán)泵不工作，但空氣源熱泵會一直處于工作狀態(tài)，以中功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，保證高原地區(qū)農(nóng)村居民的熱水使用。農(nóng)村居民用水量大且時間較長時， 空氣源熱泵會以高功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)， 從而保證居民的熱水供應(yīng)。 當(dāng)農(nóng)村居民用水結(jié)束后，供熱系統(tǒng)會自動補(bǔ)水，并保持空氣源熱泵一直進(jìn)行低功率工作。

4.2 控制溫度

高原地區(qū)農(nóng)村經(jīng)常會有極端天氣出現(xiàn)， 強(qiáng)烈的降溫考驗著供熱管道系統(tǒng)。為了保護(hù)管道系統(tǒng)，可以將排水閥門關(guān)閉， 并根據(jù)溫度傳感器測量的溫度與事先溫控器設(shè)好的溫度相比較，當(dāng)溫度低于設(shè)好的溫度時，供熱系統(tǒng)會自動將空氣源熱泵機(jī)組和循環(huán)泵開啟， 并對水箱內(nèi)水進(jìn)行循環(huán)加熱，加熱后就停止工作。當(dāng)管道問題再次降低后又開始熱循環(huán)工作，如此反復(fù)，就可以保護(hù)官網(wǎng)系統(tǒng)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會出現(xiàn)有霜凍情況發(fā)生。

4.3 空氣源熱泵技術(shù)引入高原農(nóng)村地區(qū)熱水系統(tǒng)后產(chǎn)生的積極作用

太陽能建筑經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)， 技術(shù)已趨向成熟，尤其在平原地區(qū)，得到了良好的開發(fā)利用。 由于高原地區(qū)溫差較大，加上冬季極端寒冷，導(dǎo)致系統(tǒng)不像在平原地區(qū)那樣穩(wěn)定。后期的維護(hù)保養(yǎng)也十分困難，工作人員如果操作不當(dāng)就可能導(dǎo)致管道凍裂。 為了保障太陽能熱水系統(tǒng)的正常使用， 高原地區(qū)農(nóng)村家庭需要消耗更多的電量， 這也是造成高原地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)得不到更多推廣的主要原因。 但另一方面，高原地區(qū)太陽能資源豐富，如果引入空氣源熱泵技術(shù)就可以很好解決耗電的問題，其具體表現(xiàn)如下：

（1）空氣源熱泵技術(shù)的引入，可以通過輔助加熱和熱量補(bǔ)充這兩種形式來對管道進(jìn)行保溫處理，而且這種技術(shù)的引入，也僅需要采用更加簡單的保溫結(jié)構(gòu)。 與電伴熱技術(shù)相比，其加熱方式更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全，將其引入到高原地區(qū)， 可以防止高原地區(qū)農(nóng)村熱水系統(tǒng)管網(wǎng)出現(xiàn)凍裂。

（2）空氣源熱泵技術(shù)的引入，主要以太陽能技術(shù)為主，熱泵技術(shù)為輔助，保持對熱水系統(tǒng)的一直供熱。這種技術(shù)的應(yīng)用， 可以使熱水系統(tǒng)在一年中大多數(shù)時間只以太陽能進(jìn)行供熱， 降低了能源消耗的同時也方便后期維護(hù)保養(yǎng)，節(jié)省了資金，也提高了供應(yīng)熱水的能效比。

（3）空氣源熱泵技術(shù)與電伴熱技術(shù)不同，不需要依靠電熱元件進(jìn)行加熱， 其加熱主要是將空氣中蘊(yùn)含的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，就能實現(xiàn)對水加熱。 其耗電量也更低，降低了電力消耗。 空氣源熱泵的使用壽命更長，可以達(dá)到10 年以上，具有經(jīng)濟(jì)效益[5]，只需要3～5 年的時間就能收回投資，并開始盈利。

5 空氣源熱泵技術(shù)引入高原地區(qū)農(nóng)村熱水系統(tǒng)存在的困難

（1）與傳統(tǒng)集中熱水系統(tǒng)相比，空氣源熱泵技術(shù)更加穩(wěn)定，其機(jī)組可以直接對水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱水也更加穩(wěn)定。 同時，其也存在一定的問題，直接使用空氣源熱泵機(jī)組為高原地區(qū)農(nóng)村家庭提供熱水，雖然該地區(qū)日照足，太陽輻射強(qiáng)，但是與傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)相比較，空氣源熱泵機(jī)組需要消耗更多的電量， 這對于高原地區(qū)農(nóng)村居民來說并不經(jīng)濟(jì)。另外由于當(dāng)前技術(shù)不夠成熟，且其機(jī)組設(shè)備復(fù)雜，體積大，造成安裝還存在很多問題。

（2）高原地區(qū)冬季嚴(yán)寒，普通的空氣源熱泵機(jī)組只能保證春、夏、秋三季的正常工作，冬季極端低溫的出現(xiàn)，超過了普通空氣源機(jī)組工作的最低溫度， 導(dǎo)致其制熱量和性能系數(shù)明顯降低[6]。 高原地區(qū)農(nóng)村與城市相比，冬季溫度更低，普通機(jī)組不能滿足農(nóng)村居民的生活需要。必須要使用二氧化碳空氣源熱泵才能保證供應(yīng)熱水， 但是這種設(shè)備又需要更高造價，成本的增加限制了其建設(shè)應(yīng)用，因此，想要滿足高原地區(qū)農(nóng)村家庭的熱水供應(yīng)，仍然需要不斷探索更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實用的供熱新技術(shù)。

6 結(jié)論

綜上所述，太陽能作為一種新能源，與傳統(tǒng)能源相比更加環(huán)保，其可重復(fù)利用的特點也滿足國家發(fā)展的要求?？諝庠礋岜眉夹g(shù)相比傳統(tǒng)供熱技術(shù)更加安全、 節(jié)能、環(huán)保，若將這兩者進(jìn)行融合，必然可以滿足高原地區(qū)農(nóng)村家庭的熱水需求。現(xiàn)階段，空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用到高原地區(qū)農(nóng)村家庭之中還存在一定的困難， 但是隨著技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，困難一定會被克服，當(dāng)這項技術(shù)的實施后，也必然帶動高原地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。