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熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)主要應(yīng)用于建筑物的采暖空調(diào)領(lǐng)域。因熱泵制熱在節(jié)能降耗及環(huán)保方面的良好表現(xiàn)，衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)也越來(lái)越多的采用熱泵設(shè)備作為熱源[2]。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要專用機(jī)房，安裝使用方便，在衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)外，現(xiàn)在已有多個(gè)品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場(chǎng)。但空氣源熱泵的一個(gè)主要缺點(diǎn)是供熱能力和供熱性能系數(shù)隨著室外氣溫的降低而降低，所以它的使用受到環(huán)境溫度的限制，一般適用于最低溫度-10℃以上的地區(qū)[3]。
將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能結(jié)合供應(yīng)生活熱水，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多這方面的研究，主要有兩種方式，一種是直接以空氣源熱泵作為太陽(yáng)能系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，另一種是利用太陽(yáng)能熱水為低溫?zé)嵩椿驅(qū)⑻?yáng)能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。前者以太陽(yáng)能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔，解決太陽(yáng)能供熱的連續(xù)性問(wèn)題，但仍舊無(wú)法擺脫環(huán)境溫度對(duì)熱泵制熱性能的影響；后者完全以太陽(yáng)能作為熱泵熱源，大大提高了太陽(yáng)能的利用效率，但太陽(yáng)能資源不足時(shí)仍需要增加其它輔助熱源，并且熱泵供熱能力受太陽(yáng)能集熱量的限制，規(guī)模一般比較小。
在大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)中，空氣源熱泵無(wú)疑是一種比較理想的輔助加熱設(shè)備，為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行的性能，擴(kuò)大它的使用區(qū)域，結(jié)合國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱泵研究中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我們研制了一種適合于低溫環(huán)境中工作的太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新型的采用低溫太陽(yáng)能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽(yáng)能和熱泵互為輔助熱源，最大限度的利用太陽(yáng)能，解決陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽(yáng)能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。
1、太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)組成
1.1太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)基本組成
太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分為太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組，其他輔助設(shè)備與常規(guī)的中央熱水系統(tǒng)相同，包括太陽(yáng)能循環(huán)泵、熱水加熱環(huán)泵、換熱器、熱水箱及控制器等。
1.2太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組
1.2.1太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組工作原理
為使空氣源熱泵在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外眾多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，歸納起來(lái)主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來(lái)提高熱泵低溫制熱性能，比如通過(guò)電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機(jī)周圍敷設(shè)相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運(yùn)行出力等等；二是通過(guò)改善制冷劑循環(huán)系統(tǒng)來(lái)提高熱泵的低溫制熱性能，比如采用雙級(jí)壓縮的空氣源熱泵，設(shè)中間補(bǔ)氣回路的空氣源熱泵等；三是采用變頻系統(tǒng)，低溫工況下讓壓縮機(jī)高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時(shí)向壓縮機(jī)工作腔噴液以防止其過(guò)熱，從而使熱泵機(jī)組能夠正常運(yùn)行。
太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組是基于上述第一種方式而產(chǎn)生的，如圖2所示。在機(jī)組的蒸發(fā)器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)，高于環(huán)境溫度的太陽(yáng)能熱水流經(jīng)該輔助換熱器，與將進(jìn)入蒸發(fā)器的室外空氣進(jìn)行熱量交換提高其溫度，從而使制冷劑在相對(duì)較高的環(huán)境里蒸發(fā)吸熱，提高了蒸發(fā)溫度，改善了壓縮機(jī)的工作狀況。
2、太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組
1.2.2太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組性能特點(diǎn)[7]
與普通的空氣源熱泵相比較，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行具有如下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：
?。?）COP顯著提高
在同樣的環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能輔助加熱使制冷劑系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度得以提高，機(jī)組的制熱性能系數(shù)較普通空氣源熱泵機(jī)組有了明顯的提高，熱泵制熱性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化情況。
?。?）防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少除霜時(shí)間
由于輔助熱源的加熱作用，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度，使其結(jié)霜的可能性降低，這樣就可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使其保持較高的換熱效率，同時(shí)，機(jī)組的化霜次數(shù)和時(shí)間也大大減少，可以節(jié)省大量的電能，并保證熱泵機(jī)組連續(xù)不間斷的運(yùn)行。
（3）改善空調(diào)壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命
在環(huán)境溫度較低時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的壓縮比急劇升高，壓縮機(jī)的排氣溫度常常會(huì)超過(guò)壓縮機(jī)允許的工作范圍，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁的啟停，無(wú)法正常工作，長(zhǎng)此以往，將會(huì)損傷壓縮機(jī)的整體性能，減少空調(diào)設(shè)備的使用壽命。通過(guò)太陽(yáng)能作為輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，間接的改善了壓縮機(jī)的工作環(huán)境，不但解決了壓縮機(jī)在外界低溫環(huán)境下不能正常工作的問(wèn)題，并且可以使整個(gè)熱泵機(jī)組的使用壽命有效延長(zhǎng)。
1.2.3太陽(yáng)能輔助換熱器的設(shè)計(jì)
輔助換熱器位于熱泵蒸發(fā)器的外側(cè)，作為熱泵機(jī)組的一個(gè)部件與熱泵機(jī)組同步設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用和蒸發(fā)器同樣外型尺寸和材質(zhì)的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過(guò)溫升及其與熱泵蒸發(fā)器的間距應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽(yáng)能水溫、環(huán)境溫度及熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度、排風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
1.3太陽(yáng)能集熱器
目前在太陽(yáng)能熱水工程中通常采用的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種[8]。對(duì)于全年使用的比較大型的太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)，要求太陽(yáng)能集熱器應(yīng)具有一定的承壓能力，比較高集熱效率，比較小的管道阻力，抗凍能力強(qiáng)，易于維護(hù)。在這幾種太陽(yáng)能集熱器中，全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高，市場(chǎng)占有率大，但因其不能承壓運(yùn)行，容易凍裂，不適宜用在大面積的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，絕大部分都被用作家用太陽(yáng)能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽(yáng)能集熱器，可以承壓運(yùn)行，適用于在大型的太陽(yáng)能熱水工程中應(yīng)用。
平板集熱器是應(yīng)用比較早的一種太陽(yáng)能集熱裝置，一直以來(lái)也是世界太陽(yáng)能市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種低溫?zé)崴訜犷I(lǐng)域，但隨著真空管太陽(yáng)能集熱器的出現(xiàn)，受其自身結(jié)構(gòu)的局限，在集熱效率上已不具備優(yōu)勢(shì)，因防凍問(wèn)題以及集熱性能受季節(jié)和環(huán)境影響較大，目前主要在南方冬季氣溫較高的地區(qū)應(yīng)用，在北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行效果欠佳，不推薦在大型熱水工程中應(yīng)用。
U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)產(chǎn)品，三者的共同特點(diǎn)都具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，可以承壓運(yùn)行，但從集熱效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安裝維護(hù)難度等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，熱管式真空管集熱器是最適宜在中央熱水供應(yīng)系統(tǒng)中采用的太陽(yáng)能集熱器類型，U型管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器次之。熱管式真空管集熱器利用熱管傳熱，干性連接，管內(nèi)不走水，具有熱容小、傳熱快、耐冰凍、耐熱沖擊、承壓強(qiáng)、保溫好、無(wú)滲漏、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，U型管式真空管集熱器和直流式集熱器利用真空管內(nèi)同心套管直接對(duì)工質(zhì)加熱，除了具有運(yùn)行溫度高、承壓能力強(qiáng)和耐熱沖擊性能好等特點(diǎn)外，其集熱效率高于其它形式的集熱器，并且可以水平安裝，簡(jiǎn)化安裝支架，減少安裝場(chǎng)地面積，避免集熱器影響建筑外觀，在太陽(yáng)能和建筑結(jié)合方面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但其安裝程序比熱管式真空管集熱器復(fù)雜，接口較多，運(yùn)行中有漏水隱患，系統(tǒng)維護(hù)成本相對(duì)較高。
2、太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的工作原理
太陽(yáng)能與太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵結(jié)合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長(zhǎng)補(bǔ)短，使二者互為補(bǔ)充，互為備用，在日照充足時(shí)優(yōu)先使用太陽(yáng)能加熱熱水，利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的低溫?zé)崴鳛樘?yáng)能輔助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運(yùn)行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對(duì)比較穩(wěn)定高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的衛(wèi)生熱水供應(yīng)?？諝庠礋岜弥茻徇^(guò)程本質(zhì)上是對(duì)空氣中蘊(yùn)藏的太陽(yáng)熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，熱泵機(jī)組作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)的熱量中，只有一小部分來(lái)自電能，所以太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)大大提高了太陽(yáng)能利用率，減少了對(duì)一次能源的消耗。
太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的運(yùn)行主要有以下四種工況：
（1）太陽(yáng)能加熱生活熱水
在大部分日照良好的晴天，系統(tǒng)按此工況工作，此時(shí)太陽(yáng)能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽(yáng)能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量通過(guò)中間換熱器輸送到熱水箱。
（2）太陽(yáng)能輔助熱泵機(jī)組加熱生活熱水
當(dāng)陰天或多云天氣，當(dāng)太陽(yáng)能集熱溫度低于熱水箱水溫不足以直接加熱生活熱水時(shí)，熱泵機(jī)組啟動(dòng)，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內(nèi)生活熱水。在秋冬季節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度時(shí)，熱泵機(jī)組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時(shí)，熱泵輔助加熱循環(huán)啟動(dòng)，高于環(huán)境溫度的低溫太陽(yáng)能熱水進(jìn)入熱泵機(jī)組輔助換熱器內(nèi)，預(yù)熱通過(guò)的空氣，使熱泵效率提高，并切具有防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用，可以節(jié)約熱泵機(jī)組的耗電量。
?。?）太陽(yáng)能和熱泵機(jī)組同時(shí)加熱生活熱水
在晴天日照良好時(shí)，如果熱水系統(tǒng)的耗熱量大于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的有效供熱量或太陽(yáng)能集熱器的數(shù)量較少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽(yáng)能和熱泵機(jī)組同時(shí)工作向熱水系統(tǒng)供熱。
?。?）熱泵機(jī)組直接加熱生活熱水
在連續(xù)的雨雪天氣，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機(jī)組提供。此時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，熱泵機(jī)組單獨(dú)工作對(duì)熱水箱加熱。
3、太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組功率的確定
太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組在晴好天氣作為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的輔助熱源設(shè)備，在太陽(yáng)能資源不足時(shí)或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源保證熱水的正常供應(yīng)，所以其制熱功率應(yīng)按照整個(gè)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行確定。對(duì)于全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機(jī)組功率按照熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)熱負(fù)荷確定，對(duì)于非全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機(jī)組的功率應(yīng)根據(jù)最大用水量、熱水箱容積、加熱時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行確定，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。熱泵機(jī)組的額定制熱功率不小于中央熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，在冬季比較寒冷的地區(qū)，可適當(dāng)加大機(jī)組的型號(hào)，使其盡量在一天中氣溫比較高的時(shí)段內(nèi)運(yùn)行，在較短的時(shí)間內(nèi)滿足系統(tǒng)的用熱需求。
3.2太陽(yáng)能集熱器面積的確定
太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器的面積應(yīng)以熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷或根據(jù)實(shí)際情況確定的太陽(yáng)能供熱量作為基本依據(jù)，并分析計(jì)算項(xiàng)目所在地單位面積的太陽(yáng)能集熱器平均每日有效得熱量，從而確定太陽(yáng)能集熱器的安裝面積。
熱水工程中，太陽(yáng)能集熱器一般是固定角度安裝，其單位面積日有效得熱量隨季節(jié)的變化和每日內(nèi)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化，并不是一個(gè)固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運(yùn)行工況、所在地氣象參數(shù)和太陽(yáng)輻照量等。不同的集熱器類型具有不同的集熱效率，其有效得熱量也不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)集熱器生產(chǎn)廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數(shù)和太陽(yáng)輻照資料進(jìn)行分析計(jì)算，取全年平均值。
3.3太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)形式
對(duì)于太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)既作為熱水加熱的主要熱源又作為熱泵機(jī)組的輔助熱源，并且應(yīng)能承受較低的環(huán)境溫度，所以應(yīng)采用閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)采用防凍液溶液。
4、太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的實(shí)用意義
4.1運(yùn)行可靠性分析
作為太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分，太陽(yáng)能和空氣源熱泵都是技術(shù)成熟的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)?；靡延?0余年的歷史，空氣源熱泵的大量應(yīng)用也有數(shù)十年的歷史[10]，太陽(yáng)能熱泵中央熱水系統(tǒng)將太陽(yáng)能與空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在不影響二者原有運(yùn)行功能的條件下，使其運(yùn)行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)能源消耗。
4.2節(jié)能效益分析
根據(jù)我國(guó)北方大部分地區(qū)的太陽(yáng)輻照資料，按照衛(wèi)生熱水系統(tǒng)平均耗熱量和太陽(yáng)能集熱器日平均得熱量確定太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器面積，太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能直接加熱可滿足熱水系統(tǒng)全年60—80%的熱量需求，其余20—40%熱量由太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組供應(yīng)，熱泵平均COP可達(dá)3.0，即其所供應(yīng)熱量有65%以上來(lái)自集熱器不能直接利用的太陽(yáng)能和空氣熱能。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，集熱器吸收的太陽(yáng)能的利用率接近100%，輔助加熱的電力消耗只占系統(tǒng)總能耗的7—14%，較常規(guī)能源的熱水系統(tǒng)可至少節(jié)能85%以上。
通過(guò)上述分析可見(jiàn)，太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)是一種性能可靠，環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽(yáng)能及少量的電能，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽(yáng)輻照良好的我國(guó)大部分地區(qū)都可推廣應(yīng)用。統(tǒng)和熱水供應(yīng)，冬天采暖運(yùn)行時(shí)節(jié)約常規(guī)能源60%以上，在我國(guó)大部分冬冷夏熱地區(qū)，本系統(tǒng)也可與建筑物采暖空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮最大的節(jié)能作用。
5、項(xiàng)目應(yīng)用
2004年，太陽(yáng)能—熱泵中央熱水系統(tǒng)作為中國(guó)科學(xué)院奧運(yùn)科技項(xiàng)目課題“奧運(yùn)村及奧運(yùn)場(chǎng)館太陽(yáng)能熱泵中央熱水系統(tǒng)示范研究”項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容，在北京月壇體育中心綜合訓(xùn)練館一示范工程，主要功能為集中生活熱水供應(yīng)，富裕熱量為泳池輔助加熱。該工程屋頂水平安裝采800m2直流式真空管太陽(yáng)能集熱器，太陽(yáng)能輔助加熱空氣源熱泵機(jī)組輸出功率300kW。2004年12月調(diào)試完畢進(jìn)入試運(yùn)行階段，根據(jù)初步測(cè)試資料，系統(tǒng)在冬季晴天太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可滿足系統(tǒng) 90%左右的設(shè)計(jì)供熱量，陰雨天氣熱泵機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，利用10℃左右的低溫太陽(yáng)能熱水熱泵輔助熱源，制熱性能有明顯提高。根據(jù)北京地區(qū)的氣象條件和太陽(yáng)輻照資料，該系統(tǒng)年綜合節(jié)能率可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的90%以上的目標(biāo)。
