太阳能和空气源热泵组合热水系统应用与效用分析

谭李勇

【摘要】太阳能和空气源热泵组合利用可再生能源，为建筑物提供所需的热源和冷源。本文结合工程实例分析了太阳能和空气源热泵组合热水系统在节能环保和经济效益方面的优势。

【关键词】太阳能；空气源；建筑节能；應用；效用

引言：近几年来，我国的经济一直以较快的速度稳定增长，但是同样，能源供应与经济增长的矛盾也凸显了出来。我国能源总量相对可观，但是人均占有量却远比世界平均水平要低。同时，能源工业技术水平比较低，能源消耗量大，利用率低等矛盾逐渐显露出来，这一切造成了国内能源紧张的局面。目前，我国的建筑行业中，只有大概5%的建筑能达到节能标准，建造和使用的建筑直接或间接地消耗能源占社会总量的46.7%，为了缓解能源危机，保证子孙后代的利益，节约能源、减少消耗，开发利用新能源已经成了人们非常重视的话题。

一、太阳能和空气源热泵供水原理及优势

1.太阳能供水原理及优势

太阳能热水系统主要由太阳能集热器、热水贮水箱以及热水送水管组成，系统的核心部分是太阳能集热器。系统内部的太阳能集热器能够接受太阳能辐射并向其系统内部传递热量，从而实现太阳能供水原理。我国太阳能集热器的类型主要有三种：一是平板型、二是全玻璃真空管型、三是真空热管型。金属板集热器的特点是热效能高，能够在短时间内产生大量热水；同时还具备性价比高和耐候性强的特点，但其抗冻能力并不强。全玻璃真空管类型的集热器能够适用于低温环境，但是对高压和暴晒环境极为敏感。而真空太阳能集热器是三者中抗冻能力最强的集热器，其抗压性能及耐候性能较好。（补充优势内容）

2.空气源热泵供水原理及优势

空气源热泵的工作原理是运用了能量阶梯转换的方法，利用这种方法，热泵系统获得少量电能就可高效运转起来，获得更高的动力驱动。空气中吸收到的低热能量通过热泵转化为高位热能就是其基本原理，这种转化可以用来制备热水。该机组主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四个部分组成。

空气源热泵需要传热介质才能与环境中的空气进行热交换，传热介质即是通常所说的冷媒，传热介质的特点是其沸点较低，冷媒吸收空气中的热能之后会由液态直接变为气态，气体进入压缩机中进行压缩，这一过程需要利用少量电量，气体经过压缩机就变为高温、高压气体；这部分高温、高压的气体通过冷凝系统进行热度交换之后，高温、高压气体的温度下降，致使其释放出大量的热能，同时气态的热气又被转化成液态，可进行第二次利用，这种循环往复的交替使用不但减少浪费，还节约了能源。冷水吸收了热量，温度也能再次升高。正是这种介质之间的不断循环，把空气中的热能不断带入到冷水当中，从而达到换热的效果。

二、太阳能-空气源热泵组合热水供应系统

太阳能-空气源热泵技术不仅能够弥补两种热泵系统的不足，还能通过简单的集成技术将两种热泵有机地结合起来。目前，我国太阳能-空气源热泵组合系统主要分为两种：一是以太阳能热水器为主，空气源热泵作为辅助系统；该种系统在天气情况良好的情况下利用太阳能作为直接能源制取热水，而在天气阴天或者太阳能集热器无法正常工作的情况下，可以切换为空气源热泵进行工作，为用户提供舒适的热水。另一种组合方式是利用空气源热泵为主要热水供应系统，太阳能作为辅助热源。通过太阳能集热器来解决空气源热泵性能下降的问题，而在空气源热泵工作性能良好的状况下，主要使用空气源热泵工作，从而弥补太阳能热水供应系统不确定性的问题。

三、太阳能-空气源热泵组合热水系统与传统热水供应系统分析

1.工程概况

在一万人的学校，其日常用水量为150立方米，最大小时用水量为20立方米，设计出水温度为55℃。假设在学校中可以利用电热水器、燃气系统以及太阳能-空气源热泵作为热水的供应系统。为了节约建筑物的总体能源，降低能耗，计划在校内使用太阳能-空气源热泵供水系统。鉴于当地的实际情况，在使用空气源热泵进行热水供应时，还需引入辅助热源才能提升整个系统的效率。在空气源热泵中加入辅助蒸发器，即可满足要求。在日产工作中使用空气源热泵进行热水供应，而当环境温度较低时，可以使用太阳能系统对冷水进行加热，从而实现不间断热水循环，提高整个系统运行的稳定性和安全性。下面将从几个方面对三个系统进行能效分析，以此论证太阳能-空气源热泵组合热水系统的优势。

2.工程经济效益分析

假设该地区的电价为0.7元/（KW·h），天然气价格为2.5元/立方米；电和天然气的单位热值分别为3.6MJ/（KW·h）和35.27MJ/立方米；同时假设一台电热水器的价格为2200元，一台燃气热水器的价格为1800元，其热效率分比为百分之八十和百分之九十。并假设太阳能-空气源热泵系统的性能系数为3.4，结合公式：W= Qdmax×C×Δt对每日的日耗热量进行计算；公式中w是一天的耗热量，单位是KJ；Qdmax一天中使用热水的最大量，单位是KG；C是水的比热容，单位是4200J/（kg？k）；Δt是水温的温差。在该工程中出水温度是55℃，全年平均冷水温度是10.75℃。

由公式可计算出该校一年内的总耗热量为W= 365×150×1000×4.2×44.25=1.02×1010KJ，假设使用电热水器给校园提供热水，则年耗电量可达M电=1.02×1010/（0.9×3.6）=

结语：

总而言之，通过工程实例分析不难发现，利用太阳能和空气源热泵组合的热水系统的综合性能要优于传统的热源热水系统。传统的热源系统不仅能够节约柴油及电能，在缓解能源危机的同时还能创造更大的经济效益。太阳能是取之不尽，用之不竭的，加之现阶段空气源热泵运行效率还在不断提升，两者混合使用能够大大降低建筑的综合能耗，为节约国家能源做出大力贡献。

参考文献：

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