阐述太阳能关于太阳能空气源热泵集成热水系统

【摘要】太阳能热水系统具有绿色、传统和运行成本低等优点，而空气源热泵热水系统则具有可靠、环保、安全、节能等优点，将这两者有机的联合，使之优势互补、扬长避短，不仅可以全年供应连续的热水而且还可以节能减排，其发展必然热水系统热源设备的走向和趋势。本文介绍了有关于太阳能集热器的面积算法，并介绍了有关于维持系统热水温度和热水量稳定的方法，并具体介绍了我国不同地区所适应的不同的太阳能热水系统。
【关键词】太阳能热水系统；空气源热泵热水系统；集成
随着我国城镇化和工业化的进程不断加快，我国对能源的消耗和需求日趋增加，而太阳能作为可再生能源不仅清洁而其永不枯竭。当前用太阳能对水进行低温加热是利用太阳能技术中最纯熟、最具经济竞争力、产业化成熟且应用广泛的方面。太阳能热泵是将热泵技术和利用太阳能热的相关技术相结合的产物，其以少量的电能为代价实现了周围低温向高温环境的转变，极大的提高了能量的使用效率。通过合理利用太阳能热水系统和空气源热泵的集成系统，对该系统采用最佳的模式进行运行，不仅可以有效减少电能消耗而且还能使得太阳能的利用率发挥大最大值，对保护环境、节约能源有着重要的意义。

一、太阳能空和气源热泵的相关配置

1.1 阳能集热器的配置

太阳辐射照度、日用热水量、贮热水箱内热水的温度、冬季平均水温、太阳能保证率、系统效率和集热器效率等因素都能影响太阳能集热器面积的大小。直接加热系统的集热器总面积算法如下：
（1）
其中Fj1代表直接集热器总面积（㎡），Grd代表每日最大的热水用量（㎏），c表示水的比热容为4.187 kJ/（kg.℃），t1表示水最初的温度，而t2表示水在贮热水箱内所设置的温度，J表示所在地集热器的采

源于：毕业设计论文模板www.udooo.com

光表面每年太阳辐照量的平均值，（kJ/m2），f表示太阳能的保证率而g1表示的是所在地集热器每年太阳能集热效率的平均值，g2表示的是管道和贮热水箱的热损失率（0.15—0.3）。而间接加热系统的集热器总面积算法如下：
（2）
中Fj2表示的直接集热器总面积（㎡），Uhx表示的是换热器传热系数，[W/（m2℃）]，FRUL表示的是集热器总热损失系数[W（m2·℃）]， Ahk表示的是换热器换热面积。

1.2 空气源热泵热水机组容量的配置

从上述算式中我们可以看到太阳能集热器并非产生所有的热水，而是要由空气源热泵机组协助产生一部分热水，其每日热水用量比重为（1一f）。该式只能算出天气处于晴天状态下每天空气源热泵机组所产生的热水用量，但是对阴雨天，特别是连续雨天时，日辐照量几乎为0。此时，建筑内部所需的全部日热水用量是由空气源热泵机组单独生产完成的。其日加热量的计算公式如下：
（3）
其中Qk表示的是热泵热水机组每日所需的加热量（kJ）；Grd表示的是每天热水用量最大值（kg）；L1热泵机组进水的温度；L2的是热泵机组出水的温度。其日加热量的计算也可用如下公式表达：
（4）
其中NR表示的是空气源热泵热水机组每日的加热总量（kW）。
当空气源热泵热水机组确定了的每日加热的总容量后，可以以其每日的运作时长来进一步对每小时的加热容量进行确定。总体而言，为了保护空气源热泵热水机组的使用时限，从长远看以期提升热水机组的利用效率，空气源热泵热水机组每天的最佳使用时间为10小时，最长不可高于13小时。
从上式可以看出空气源热泵热水机组有着多种的小时加热容量可供选择，若每日运作时长不同，其每小时的加热容量也随之发生改变，若运作时间短则其每小时的加热容量值则较正常值偏大；若运作时间长则其每小时的热容量值则较正常值偏小[3]。调节范围、使用寿命和初投资三者相互间的关系决定着热泵热水机组没小时的加热容量。若小高层或多层居住建的屋面面积有限，无法容纳太阳能集热器时，通过对空气源热泵热水机组的容量进行调整，同样可以满足用户的要求。

二、不同太阳能地区太阳能空气源热泵集成热水系统

2.1太阳能资源丰富地带

我国西南部的太阳能资源丰富，其整体太阳曝辐射量范围达到5400-6700左右，昆明为该地区太阳能资源的典型代表城市，其平均每年的日照时间大约是2300小时， 其日照射率大约是57%左右，其平均每年的辐射总量大约是5783MJ/㎡，太阳能热水系统在该地区应用广泛。其太阳能空气源热泵集成热水系统的设计方案如下，为非直膨并联式系统。
这个系统的独特之处在于双集热水箱的设置，且其属串联形式的结构。2号集热水箱装置有热泵机组冷凝器，这样可以提高单元太阳能热水吸收的辐射热的利用率，有效的降低了对传统能源的耗损。当系统运作时，主要运用集热器的进出口处的调节循环水温差的控制器对循环水泵进行控制，与空气源热泵机组没有必然关系。1号水箱主要功能是存储太阳能热水体系所生成的热水，若1号水箱其上部水温大于50℃，V3和V1会关闭，而V2则开启，直接由太阳能热水系统向居民供应热水，太阳能空气源热泵集成热水系统在这种情况下以太阳能热水器的常规模式运；若1号水箱其上部水温低于45℃，V3和V1会开启，而V2则关闭，太阳能热水系统生成的热水流入2号水箱，并以空气源热泵机组对其生成的热水进行深度加热[4]。由于环境温度对该系统有着很大的影响，其适用于太阳能资源丰富地区，可实现定时供热。如果该系统连续进行供热，则必须使热泵系统处于持续开启的状态，这样极易耗损机组寿命。

2.2 太阳能资源一般地区

我国西北部的太阳能资源处于一般水平，其整体太阳曝辐射量范围为4200-5400左右，西安为该地区太阳能资源的典型代表城市，其平均每年的日照时间大约是1711小时，其日照射率大约是55%左右，其平均每年的辐射总量大约是4500MJ/㎡，每年的平均气温为l3℃。冬季气温较高且气候干燥，夏季炎热，其气候条件适用于太阳能空气源热泵集成热水系统。文中以西安地区的气象资料作为计算基础，其太阳能空气源热泵集成热水系统的设计方案如下，为非直膨并联式系统。
这个系统的独特之处在于单集热水箱的设置，集热水箱中装置有热泵机组冷凝器，此设计安排有助于有效提升联合运行两种热源时的性能，能够有效的降低管路和水箱的散热损失量。在该系统中还增设了循环水泵，若天气情况不佳，不能单纯依靠太阳能热水系统满足生活热水供应时，则需打开热泵机组，通过旁通循环泵对箱内热水循环加热，以此提高水箱内冷凝盘管和水之间的换热效率，加快水温的提升速度[5]。不过同上述系统一样，环境温度对该系统有着很大的影响，其不适合在太阳资源贫瘠的地区使用，如果该系统连续进行供热，则必须使热泵系统处于持续开启的状态，这样极易耗损机组寿命。
参考文献：
王伟.南晓红.马俊.李飞.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨[J]. 制冷与空调. 201

1.25（5）

陈新..空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的设计和应用[J].建筑节能.201

1.39（10）

[3]周光辉.刘寅.张岑.陈圣洁.太阳能辅助空气源复合热泵冬季供热特性实验研究[J].太阳能学报.201

1.32（11）

[4]徐保林.张向华.太阳能——空气源热泵热水系统应用分析[J].城市建设理论研究（电子版.2012（5）
[5]廖乃雄.太阳能与空气源热泵结合供热水系统设计问题研究[J].大众科技2011（9）