1、空气源热泵辅助加热太阳能集中热水 系统设计的设计和应用 摘摘 要要空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的分析空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的分析工程设计案例工程设计案例空气源热泵辅助太阳能热水系统目前存在的问题空气源热泵辅助太阳能热水系统目前存在的问题结语结语各种类型热水加热装置耗能和经济性对比各种类型热水加热装置耗能和经济性对比 目录目录 摘要 太阳能、空气能作为可再生能源，在建筑节能中越来越受到人们的重视。本文对空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的特点、适用范围、运行工况以及系统设计进行分析和探讨，从而实现太阳能热水器与建筑一体化设计，促进空气源热泵辅助加热太阳能热水技术在建筑领域的推广应
2、用。一、空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的分析 空气源热泵辅助太阳能热水系统是将空气源热泵机组和太阳能热水空气源热泵辅助太阳能热水系统是将空气源热泵机组和太阳能热水装置两种高效热水设备有机组合在一起，通过精确的智能控制系统，在光装置两种高效热水设备有机组合在一起，通过精确的智能控制系统，在光照充足的情况下利用太阳能加热，在太阳能不足时开启空气源热泵热水机照充足的情况下利用太阳能加热，在太阳能不足时开启空气源热泵热水机组，代替传统的电热管对水加热，以满足不同用户的需求。该系统同时具组，代替传统的电热管对水加热，以满足不同用户的需求。该系统同时具备了环保节能和运行稳定的功能，既保证了热水温度又降低
3、了运行成本，备了环保节能和运行稳定的功能，既保证了热水温度又降低了运行成本，具有应用推广价值。具有应用推广价值。1.1 空气源热泵辅助太阳能热水系统的构成 空气源热泵辅助太阳能热水系统主要有3部分构成：即太阳能热水装置、空气源热泵热水机组、控制器部分。另外有热水保温水箱、连接管道等辅助部分。（1 1）太阳能热水装置。其主要部件为太阳能集热器）太阳能热水装置。其主要部件为太阳能集热器。它的最大优势是在日照充足的条。它的最大优势是在日照充足的条件下，整个体系运行成本几乎为零，而且使用维护简单、寿命长、安全，这也是目前在件下，整个体系运行成本几乎为零，而且使用维护简单、寿命长、安全，这也是目前在太阳
4、能比较丰富的地区应用广泛且作为主要能源的重要原因。其缺点是：当天气条件不太阳能比较丰富的地区应用广泛且作为主要能源的重要原因。其缺点是：当天气条件不利（如光照不足、夜间等情况）或者屋面可放置集热器的面积有限时，不能保证用户所利（如光照不足、夜间等情况）或者屋面可放置集热器的面积有限时，不能保证用户所需的热水温度，此时必需用电辅助加热，但耗能会大大增加。需的热水温度，此时必需用电辅助加热，但耗能会大大增加。（2 2）空气源热泵热水机组。该机组是一种利用电动机驱动，采用蒸汽压缩循环，将低温）空气源热泵热水机组。该机组是一种利用电动机驱动，采用蒸汽压缩循环，将低温热源（空气或水）的热量转移到较高温的
5、被加热水中，来制取生活热水和采暖热水的新热源（空气或水）的热量转移到较高温的被加热水中，来制取生活热水和采暖热水的新型设备。空气源热泵热水机组作为高效集热并转移热量的装置，可以将低温热能向高温型设备。空气源热泵热水机组作为高效集热并转移热量的装置，可以将低温热能向高温热能转移。它的最大优势是只要室外环境温度在机组运行范围内（热能转移。它的最大优势是只要室外环境温度在机组运行范围内（-1050-1050）就可以全）就可以全天候直供热水，弥补了太阳能热水装置本身存在的缺陷，节约了用电。天候直供热水，弥补了太阳能热水装置本身存在的缺陷，节约了用电。（3 3）控制器部分。该部分主要有温度传感器、压力控
6、制器、恒温控制器、电磁阀、电子）控制器部分。该部分主要有温度传感器、压力控制器、恒温控制器、电磁阀、电子控制芯片等组成，用来自动调节热水达到所需温度。控制芯片等组成，用来自动调节热水达到所需温度。1.2 空气源热泵辅助太阳能热水系统主要在4种情况下运行(1)太阳能集热系统直接加热生活热水。在日照充足的白天,系统按此工况工作,此 时太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和太阳能储热罐水温进行控制。(2)空气源热泵辅助太阳能集热系统加热生活热水。当阴雨天或光照不足,太阳能集热系统不足以使生活热水箱温度达到设计水温时,水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水机组加热,当水箱水温达到设定值时
7、,空气源热泵热水机组自动关闭。(3)太阳能和热泵机组同时加热生活热水。在日照良好情况下,如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较少,不能满足热水系统的用热需求,则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。系统采用自动温差控制循环加热,根据太阳能热水系统的运行情况、环境状况,结合空气源热泵的性能特点来自动切换热泵机组的运行,最大限度少开机或不开机,从而确保热水在不低于55 e 供应下限的前提下,为太阳能的充分利用提供保障,同时也为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。(4)空气源热泵机组直接加热生活热水。在连续的雨雪天气,热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。
8、此时,太阳能系统处于待机状态,热泵机组单独工作对热水箱加热。1.3 空气源热泵辅助太阳能热水系统的控制原理 图图1 1 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统原理空气源热泵辅助加热太阳能热水系统原理二、各种类型热水加热装置耗能和经济性对比 以将1 t水从平均温度15 加热至平均55 为例，环境温度为常温状态，所需的热量为。各种类型热水系统热效益见表1，各种类型热水加热装置经济性对比见表2。名称理论热值性能系数cop%实际热值电3583kJ/kWh953404kJ/kWh天然气35833kJ/m7526875kJ/m煤17920kJ/kg6411469kJ/kg空气源热泵热水器3583kJ/kWh40
9、014332kJ/kWh表表1 1 各种类型热水系统热效率各种类型热水系统热效率 表2 各种类型热水加热装置经济性对比名称加热水量所需热源热源单价所需费用计算公式总费用/元电热水器1t电0.727元/kWh（Q/Y)Z，式中Q代表所需热量，Y代表实际热值，Z代表热原单价35.77燃气锅炉天然气3.16元/m19.7燃煤锅炉煤0.7元/kg10.22空气源热泵热水器电0.727元/kWh8.49空气源热泵辅助太阳能热水系统太阳能（辅助加热为电能）0.727元/kWh（辅助加热部分费用）08.49注：因气候、日照、太阳能集热板面积、系统安装等原因，太阳能辅助加热存在注：因气候、日照、太阳能集热板面
10、积、系统安装等原因，太阳能辅助加热存在不确定性，故本系统费用在一定范围内波动；不确定性，故本系统费用在一定范围内波动；从表从表1 1，表，表2 2中可以看出，空气源热泵辅助太阳能热水系统是目前最经济的中可以看出，空气源热泵辅助太阳能热水系统是目前最经济的热水系统。太阳能热水系统受天气因素影响很大，需经常开启辅助加热管。而热水系统。太阳能热水系统受天气因素影响很大，需经常开启辅助加热管。而传统的辅助加热模式与电热水器并无两样，能耗较大，使用空气源热泵技术替传统的辅助加热模式与电热水器并无两样，能耗较大，使用空气源热泵技术替代传统的电热管加热，能耗就大幅降低。代传统的电热管加热，能耗就大幅降低。三
11、、工程设计案例1.1.设计说明设计说明 太阳能热水系统采用热管式集热器。太阳能集热器、太阳能集热水箱太阳能热水系统采用热管式集热器。太阳能集热器、太阳能集热水箱均安装在居民生活小区的屋顶，实现一体化结构。系统配置空气源热泵热均安装在居民生活小区的屋顶，实现一体化结构。系统配置空气源热泵热水机组作为太阳能热水系统的辅助热源。水机组作为太阳能热水系统的辅助热源。2.2.工程概况工程概况 本项目为上海某大学已建学生公寓加建太阳能集中供热系统，用于学本项目为上海某大学已建学生公寓加建太阳能集中供热系统，用于学生洗浴，热水用量为生洗浴，热水用量为17.5 t/d(17.5 t/d(根据实际情况根据实际情
12、况)，热水温度为，热水温度为55(55(温度可温度可以调节以调节)，公寓楼共，公寓楼共6 6 层，本次太阳能集中供热水系统安装在建筑层，本次太阳能集中供热水系统安装在建筑6 6 层楼层楼屋顶上，实现一体化结构。屋顶上，实现一体化结构。3.3.太阳能系统设计计算太阳能系统设计计算3.1 3.1 设计用气象参数设计用气象参数 上海的地理位置，年太阳辐照量为上海的地理位置，年太阳辐照量为4497.261MJ/m24497.261MJ/m2，年日照时数为，年日照时数为2019.5 2019.5 h h，年平均温度为，年平均温度为1616，年平均日太阳辐照量为，年平均日太阳辐照量为12.3MJ/m212
13、.3MJ/m2，属于太阳能资源可，属于太阳能资源可利用区域。利用区域。3.2 3.2 太阳能集热系统面积的确定太阳能集热系统面积的确定)1(/)(LcdtiendWWCJfttCQA 式中：式中：为直接系统集热器采光面积，为直接系统集热器采光面积，；为日均用水量，为日均用水量，；为水的密度，为水的密度，；为储水箱内水的终止温度为储水箱内水的终止温度(用水温度用水温度)，；为水的定压比热容，为水的定压比热容，；为水的初始温度，为水的初始温度，（式中取（式中取1515）；）；为集热器受热面上年均日辐照量，为集热器受热面上年均日辐照量，；为太阳能保证率，无量纲为太阳能保证率，无量纲(式中取值式中取值
14、0.4)0.4)；为集热器全日集热效率，无量纲（式中取值为集热器全日集热效率，无量纲（式中取值0.50.5）；）；为管路及储水箱热损失率，无量纲（式中取值为管路及储水箱热损失率，无量纲（式中取值0.20.2）。）。经计算得出经计算得出 =234=234。CA2mWQkgLkg/endtWCit)./(LkgkJtJ2/mkJfcdLCA3.3 太阳能集热循环泵设计 太阳能集热系统流量按照 取值，本系统取 计算，则系统的循环流量为 。系统的集热循环热水管路与储热水箱连接，管路配置管道式热水循环泵，并配置备用泵。根据施工现场的条件，结合现场情况，选择水泵型号。2/02.0015.0mSL2/018
15、.0mSLSL/212.43.4 3.4 储热系统设计储热系统设计 根据日用量，设置根据日用量，设置1 1个个18t18t的不锈钢方形水箱作为太阳能集热循环系的不锈钢方形水箱作为太阳能集热循环系统的储热水箱。统的储热水箱。4.空气源热泵热水系统设计计算4.1 设计参数 考虑冬季工况下满足热水供应要求，最低环境温度按-10 设计；最低补水温度5；热水额定温度55；设计循环恒温补水加热式；每天热水用量17.5t。4.2 热泵机组运行时间确定 根据热泵机组国家标准规定和该工况的性质，拟定取机组最冷工况的运行时间为18 h，满足系统每日供水的需求。4.3 日耗热量的计算根据设计资料，学生公寓楼所需的热
16、水总用量最大为17.5t，水温要求在55。86400/)(lrrrdttCQQ式中：式中：为最高日平均耗热量，为最高日平均耗热量，；为最高日热水量，为最高日热水量，取，取 ；为水的比热，为水的比热，；为热水密度，为热水密度，；为热水设计温度，为热水设计温度，；为冷水设计温度，为冷水设计温度，。经计算得出经计算得出 =42.4=42.4 。dQkwrQdm/3dm/5.173C)/(kkgJLkg/rtltdQkw4.4 热泵机组制热量的选择11/24TQKQdg式中：式中：为热泵机组设计小时平均供热量，为热泵机组设计小时平均供热量，；为最高日平均耗热量，为最高日平均耗热量，；为热泵机组设计工作
17、时间，为热泵机组设计工作时间，；为安全系数（式中取为安全系数（式中取1.051.05）。）。经计算经计算 =59.36=59.36 。gQkwdQkw1Th1KgQkw 考虑温度及结霜影响取综合影响系数为考虑温度及结霜影响取综合影响系数为0.750.75，则机组的名义制热，则机组的名义制热量量 。根据机组的名义制热量进行热泵机组的选择。根据机组的名义制热量进行热泵机组的选择。4.5 4.5 机组选型配比机组选型配比kwq7975.0/36.594.6 空气源热泵系统循环水泵tCQqgx)2.115.1(式中：式中：-循环流量，循环流量，；-设计小时供热量，设计小时供热量，；-空气源热泵机组被加
18、热水温升（空气源热泵机组被加热水温升（）一般为）一般为5 577。xqhL/gQhkJ/t扬程：扬程：)(3.1PEBHHHH 式中：式中：-循环泵扬程（循环泵扬程（kpakpa）；）；-换热器阻力损失换热器阻力损失kPa.kPa.；-热泵机组内蒸发器的阻力损失（热泵机组内蒸发器的阻力损失（kPakPa）由设备商提供；）由设备商提供；-连接管路损失（连接管路损失（kPakPa）。）。根据空气源热泵热水机组的循环流量，查看水泵扬程流量曲线，选根据空气源热泵热水机组的循环流量，查看水泵扬程流量曲线，选择水泵型号。择水泵型号。HBHEHPH四、空气源热泵辅助太阳能热水系统目前存在的问题n 投资较大
19、由于空气源热泵辅助太阳能热水系统是2种高效热水装置的结合，因此首次购用成本较大，但应用成本较低，相信今后在市场竞争中会生产出性价比更高的产品。n 系统占用空间较大 传统太阳能热水器就有占用楼面空间大、高层建筑不便安装等问题，该系统也存在同样的问题。这与建筑行业、制造业、服务行业等的技术发展创新紧密相关，随着科研水平的提高，产品不断升级，会逐渐解决这些问题，以满足各种用户的需求。五、结语 空气源热泵辅助供热太阳能热水系统，将热泵技术和太阳能热利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，既具有太阳能热水器的优点，又可保证系统全天候运行，是适宜推广的生活热水系统形式。用太阳能一
20、空气源热泵组合热水供应系统取代传统热水供应方式具有巨大优势，是一项极具开发和应用潜力的技术，大范围推广后可以有效缓解能源紧张的情况，减少氮氧化物等有害气体的排放，从而带来良好的环境效益和社会效益。六、参考文献六、参考文献n 1.陈新.白冰.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的设计和应用.建筑节能.2019年第10期。n 2.彭娇娇.刘光远.徐春艳.空气源热泵辅助太阳能热水系统的性能测试与分析.建筑节能与空调.第31卷第2 期2019年4月.n 3.刘大可.空气源辅助太阳能热水系统在河南省的应用分析.工业技术.2019-9-18.n 4.欧云峰.杨金华.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨.n 5.袁清澈.空气源热泵热水器储热水箱有效容积的确定方法.武汉市建筑设计院.n 6.王庆荣.王爱华.空气源热泵辅助太阳能系统在住院部大楼中的应用.山东同圆设计集团有限公司.谢 谢！
