太阳能热泵系统分析

摘 要：介绍了某学校食堂太阳能热泵系统与蒸汽采暖方式比较进行分析,对太阳能系统、空气源热泵系统作了详细的介绍，包括运行原理，工作流程，以及改造后带来的经济效益和社会效益作了分析。

关键词：太阳能-热泵系统；工程案例；改造

中图分类号：U173.3文献标识码：A

引言

杭州市地处中北亚热带过渡区，温暖湿润，四季分明，光照充足，雨量丰沛。年平均太阳总辐射量在100～110千卡／平方厘米之间，日照时数 1800～2100小时，日照百分率（某时段内实际日照时数与该地理论上可照时数的百分比）41～48％。年平均气温和月平均气温, 年平均气温15.3℃～17℃，年平均降水量在1100～1600毫米之间，年雨日130～160天 。杭州属三类光照地区，具有较好的太阳能资源，适合开发和利用。

结合本地区某大学食堂太阳能改造工程实例，原来采用的蒸汽采暖方式，费用高昂，故我方考察现场实际情况后，考虑经济、节能、环保等要求，经研究采用“太阳能+空气热泵”综合应用供应热水。在夏季阳光充足时利用太阳能提供所需的热水，在冬季和阴雨天气太阳能不足时利用空气源热泵热水机组来补充提供热水。这样不管春夏秋冬、白天黑夜、下雨下雪、系统都可以源源不断的从空气中吸收低品位热量用于制生活热水所需要的热量，保证用水温度及用水量，最大程度节能。

1 太阳能热泵系统介绍

1.1 太阳能介绍

1.1.1 自动定时上水

由于水具有很强的时间性，主要集中在早晨、中午和傍晚，系统可采用定时补水（最低水位，保证一次用水量），同时结合温控补水方式。

1.1.2 温差循环（强制循环）

如果集热器和储热水箱中的温度相差达到设定上限值时(如15℃)，循环泵启动，把集热器中的热水顶入储热水箱中，把储水箱中相对水温较低的水进入集热器当中进行再次加热；由于泵的循环作用，使集热器和储热水箱中的温度相差小于设定下限值时（如5℃），循环停止，并等待下一次循环的到来。如此不断循环，使储热水箱中的水温提升。

1.1.3 辅助加热

辅助加热采用约克空气源热泵（YWHA45*4，制热量45KW*4）及电加热（180KW），并优先启动空气源加热系统。系统均采用定时加温，即在设定时间，系统自动检测水箱内水温，如未达到使用要求温度时，热泵自动启动加温，直至温度达到时自动停止（自动控制，与太阳能系统联动）。电加热辅助加热系统在低环温状态进行启动，以保证热水正常供应。

1.1.4 防冻循环及过热保护

系统设置防冻循环，当集热器联箱内水温低于了10℃时，系统自动转入防冻循环，确保系统安全。由于学校在夏季等高温季节基本无用水动作或用水较少，而太阳能资源则达到全年最大化，系统内可能出现极高温，为保证系统正常运作，系统设置全面过热保护措施，使系统在高温状态下可自我保护，且在工况正常时系统亦能恢复正常工作状态。

1.1.5 管道增压循环

由于用水高峰段流量较大，为保证系统供水正常及压力平稳，系统采用变频增压供水，确保供水压力稳定且与当地自来水基本一致。

1.1.6 恒温出水

由于用水要求水温不能高于60度，因此系统出水安装恒温出水设备，设定水温60度，在水箱内水温较高时，设备可自动调节出水温度，使其稳定在60度水温。

1.1.7 保温措施

高温热水管道采用30mm橡塑保温管套管进行保温，外用铝箔进行防护，保护保温层不被氧化，提高使用寿命。

1.1.8 电线及信号线布置

电线及信号线必须套有电线管及信号线管，做到强弱电分离，确保系统运行不受干扰。

1.1.9 系统特点

本系统采用分组控制，提高了整个系统的可靠性。单组的检修不影响其他几组的运作；优先使用较热热水，使热水得到充分利用。

2 空气源热泵介绍：

2.1 空气源热泵热水器又称热泵热水器，由热泵吸收空气热源制取热水，节能效率是电热水器的3.5倍以上，比太阳能热水器还要节能，是目前世界上最为先进的节能环保热水系统。

2.2 空气源热泵运行原理：

热泵热水器是一种高效集热并转移热量的装置，由压缩机、空气换热器、水换热器、膨胀阀和风机等部件组成。它运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功，使工质产 生物理相变（气态——液态——气态），利用这一往复循环相变过程不断吸热和放热，将热量从低温源（周围空气）提取到温度较高的水箱中，以加热水箱中的水供 用户使用。

2.3 具体工作流程如下：

低温的工质（冷凝剂）在蒸发器中低温汽化，生成低温低压蒸汽，同时由于汽化而吸收周围环境的热量；低温低压的蒸汽在电机驱动的压缩机中被压缩并升温成为高温高压的蒸汽；高温高压的蒸汽被送到水箱内的热交换器中液化放出热成为液态制冷剂，放出的热量将水箱中的水加热；液态的制冷剂在通过膨胀阀或毛细管后生成低压低温的制冷剂，又返回到蒸发器中准备再次汽化。

3 改造后经济效益分析

使用太阳能热水工程，其节能效果和经济效益是十分显著的。以下是具体计算所用的数据及部分数据来源。

用水量为：设计水量约30吨。

按当地光照情况为（110kal/cm2）4600MJ/m2·年计算，本次工程设计采光面积为400m2。则全年吸收太阳光能约：920GJ。(太阳集热器效率按50%计算)则全年相当于节约电能：920GJ/(3.6MJ·KWH-1·95%)≈27万KWH（按95%效率计算）。

采用太阳能+空气能辅助系统后，由于太阳能无法完全满足供水，不足部份由空气源（极端条件下启动电加热）进行辅助加热，另由于学校平均年均使用9个月，太阳能系统年均吸收有用热量为690GJ；而全年使用热水为8100吨（按设计水量充分利用计算），加热水至使用温度需要热量为1360GJ，因此全年有670GJ热量需通过空气能进行补充。

结论

可见太阳能热泵系统工程经济效益十分显著。同时太阳能又是绿色能源，采用太阳能系统后，经济效益和社会效益非常明显。

参考文献

[1]GB/T19141-2003《家太阳热水系统技术条件》

[2]GB/T18713《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

[3]GB/T20095-2006《太阳能热水系统性能评定规范》

[4]GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》

[5]GB/T18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》

[6]GB/T4271-2006《太阳能集热器热性能试验方法》

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