空气源热水器优于太阳能热水器应用引发的思考

胡一凡，戚玉丽，王炜玮，李杰英，龙 丹

(嘉兴学院建筑工程学院,浙江 嘉兴 314001)

我国太阳能热水器市场持续快速发展了20年，从未出现过市场萎缩现象[1]。但是，这种发展势头在近期得到了改变。2013年实施的浙江省《民用建筑绿色设计标准》(DB33/1092-2013) “8.1.2 十二层及以下(十二层以上的上部六层)的住宅建筑应为全体住户配置太阳能热水系统。有集中生活热水需求的公共建筑宜优先采用太阳能热水系统、空气能热水系统等可再生能源系统……”。"另根据第8.1.2条条文说明：……在某些不具备安装太阳能集热器的建筑或建筑中的某些部位可选用空气能热泵等节能设备加热生活热水[2]。实际使用过程中目前不少住宅、公建等原先规定使用太阳能热水系统的地方基本已被空气源热泵热水系统代替。从以下几方面我们思考下原因：

1 思考

1.1 空气源热水系统与太阳能热水系统设计繁简上的思考

依据《太阳能与空气源热泵水系统应用技术规程》DB33 1034-2016中计算方法的规定[3]：在确定设备型号时太阳能热水系统系统计算分类较细，集热面积计算中加热方式分为直接加热和间接加热方式两种；供水方式又分为集中式系统和分散式系统，而空气源热泵则无需分类,而且在与其他工种的合作中，太阳能热水系统需要与建筑、结构等多工种合作，如确定建筑屋面面积是否足够、结构设计时，应计算重力荷载和风荷载效应，抗震设计时，应计算重力荷载、风荷载效应和地震作用效应等。而且设计图中太阳能热水系统设计图内容较多，需要画出集热面积和管道系统，而热泵系统只需要提供设备平台，画上示意图例即可完成。

1.2 空气源热水器与太阳能热水器安装便利上的思考

储水设施、水泵、连接管及其他部件、控制系统和辅助热源设施等内容太阳能热水系统与空气源热泵热水系统安装均相同，但太阳能集热器和空气源热泵热水机组安装不同。太阳能集热器需要良好的光照条件，一般布置在屋面，布置时要保证集热器与前方遮光物或集热器前后排之间的最小距离，前、后排集热器之间还应留有安装、维护操作的足够间距，排列整齐有序，管线穿屋面时，应在屋面预埋防水套管。而空气源热泵机组则只需要布置在通风条件良好的室外平台或地面上，热泵安装时机组基础(悬挂)高度离地面不低于15cm，其离开墙面的距离不少于15cm，两台热泵机组相对布置时，其间距宜大于1m。热泵机组需要远离人员密集区域，避免其排气方向近距离(3米内)正对其它住户的门窗。相比之下，由于屋面面积有限，集热器的布置比热泵机组的布置更受限制，更加占空间；同时集热器安装还应严格按照相应的操作规程，保证集热器的密封效果，由此集热器的安装比热泵机组的安装注意事项更多，安装更为费时费力。未来城市化减缓带来的新建筑减少、 劳动力成本上涨、 城市建筑越来越高导致的屋顶不足等挑战，会导致太阳能的使用条件越来越严苛，而空气源热泵热水器则不会遇到这种问题。

1.3 空气源热水器与太阳能热水器运行管理上的思考

太阳能热水系统的设计主要是根据系统热负荷和当地太阳辐射量确定采光面积，主要适用于在太阳能资源丰富的地区以及太阳能系统设备投资低廉的场合，在运行设计阶段[4]，太阳能热水系统一般分为七大系统，有自然循环系统、定温放水系统、温差循环系统、定温放水+温差循环系统、定温分区供水、副水箱上定温放水系统、定温管道循环系统。在阳光充足的情况下，太阳能热水系统能很好地运行。而空气源热泵热水系统的设计是根据热泵热负荷选取合适的热泵机组因此适用于在太阳能资源贫乏的地区或太阳能系统设备投资高昂的场合，在低温环境中，空气源热泵的能效则较低，需要采取措施进行改进，空气源热泵热水系统有直热式和循环式两种[5]。 实际运行中没有统一的方案，根据用户要求的不同，则运行方案也不同，小型供水工程中，直热式空气源热泵热水系统优于循环式热泵，它改进了循环式热泵的水温不稳定，供热水不及时的弊端，在用水高峰期用户水温不受影响，热水也不需要等待。空气源热泵热水器因可在任何时候产热水，储水箱配置仅为最大供热水量的50%～70%即可满足要求，热泵热水器储水箱较小。而典型的太阳能热水系统的运行方式中，太阳热水器的储水箱要按全天最大供热水量配置，而且储热水箱的容量有限，当其储热水箱满时，多余的热水无法补充箱内造成浪费，而通过加热水循环泵，提高太阳能换热效率的同时，又会增加循环泵的维护费用。而对于公共建筑，空气源热泵热水系统可以对机组运行时间，热泵工作时间，供水时间，增压泵运行时间等进行设定，从而将热水供应时间控制在早、中、晚三个用水高峰的时间段，而太阳能热水系统的加热时间更为漫长，根据天气的情况，若是日照条件不好，热水则很难及时供应。

1.4 空气源热水器与太阳能热水器的投资成本比较

从投资方面来看，太阳能与空气源热水器在前期投资都比较大，但在后期运行的投入，要达到相同条件，即不受天气影响持续供水，空气源比太阳能热水器要节省的多。不同类型、容量、品牌、功能的太阳能热水器价格存在差别，目前市场上的太阳能热水器主要分为真空管和平板太阳能，这两种类型的太阳能热水器价格差别比较大。真空太阳能管热水器造价低廉，安装比较简单市场占有率大，一般120L的真空管太阳能热水器价格在6000～8000元左右。相同水容量的热水器，平板太阳能热水器价格大概比真空管高出40%。一般200L的太阳能热水器价格在3万元左右。目前，我国国内市场上，一台空气能热水器(热泵热水器)200L的家用机价位一般在6000元以上，而一台150L家用机的市场售价一般也在5000到55000元之间。有数据表明：要让120L水从15℃上升到55℃，太阳能热水器费用为1.48元，而空气源热泵热水器约为0.95元。太阳能在日照充分条件下运行成本几乎为零，但太阳能无法全天候工作，阴雨天气需考虑辅助电加热，在同等条件下太阳能热水系统运行费用是空气源热泵热水机组1.4倍。但是空气源热水器进入我国市场时间较短，不少空气源热泵热水器生产厂家都不大，大部分是组装和贴牌，质量得不到保证，有的厂家偷工减料，靠价格竞争，相关的管理制度不够完善，企业参差不齐，行业标准目前还不规范。

2 解决办法

热泵热水器目前主要朝着能源高效率、绿色环保、舒适健康、产品结构升级、建筑一体化、智能化先进制造、安全可靠等方向发展，需要解决的技术瓶颈目前包括能效、可靠性、HCFC替代、热泵除霜、高效换热、噪声振动以及防腐蚀等。在市场消费升级的推动下,产品结构升级已成为热水器行业发展的一条主线。从整体来看,电热水器、燃气热水器、空气源热泵热水器以及太阳能热水器都处在转型升级的关键时期。热水器企业既面临日益严格的产品安全、能源效率、绿色环保等要求,也需要积极探索与物联网、大数据等新技术融合。

目前，大数据、物联网的发展很快，利用这些新技术与传统行业的结合能有效推动其发展。比如，热水太慢、水量不足以及能耗过高等问题困扰热水器行业，“物联网+热水器”模式也许能够提供解决这些问题的新思路。研发产品能通过自主学习了解消费者的使用习惯、设备的特性和运行情况等信息后，进行数据分析，进而做出适当的调节，实现智能、节能、高效、省钱的效果。

就目前的技术水平物联网已经能够做到对热水器的远程控制，并且在现实生活中已经有了应用。以Niagara平台创建了一个通用环境，可连接任何嵌入式设备或系统，而无需考虑设备的制造厂家以及使用的通讯协议。该系统将太阳能充分利用于热水器装置中，对于日照时间较长的地区，可合理利用太阳能，实现节能减排。系统的开发应用，将实现物联网的功能，是编程人员足不出户就可编程或修改逻辑，这对于偏远地区具有重要意义。

热泵的耗能相较于电加热与其他传统的能源使用有所具有的优势是节能，且相较于太阳能更为稳定，但是热泵在低温环境下的效率低，于是解决热泵在低温环境下的效率问题就显得尤为重要了，这将极大促进热泵的应用，也符合当前节能减排的要求。

目前欧美市场上常见低温热泵的技术功课着眼点有：(1)室外机盘管增加放水肋片涂层，减少霜冻现象；(2)缩短化霜时间；(3)多级压缩和变频运行；(4)优化室内外盘管容量；(5)在多台压缩机之间设置中间冷却器和旁通制冷剂环路；(6)根据热负荷选定压缩机功率；(7)选用新型制冷剂，如混合制冷剂或二氧化碳；(8)增加室外盘管除霜循环，或安装室外机保护罩等。

3 总结

城市化的快速发展带来的大量新建筑使得太阳能热水器市场曾经红火一时，而当前城市化减缓带来的新建筑减少、劳动力成本上涨、城市建筑越来越高导致的屋顶不足等挑战使得太阳能热水器市场逐渐萎缩，设计繁简、安装、运行管理、投资成本均影响着太阳能热水系统的发展。同理空气源热水系统要在市场上站住脚跟，现阶段，应在提升产品质量、解决技术难点，融合大数据、物联网等新技术上，使空气源热水器达到真正节能的目的，满足用户的使用要求

[1] 邱寿丰.太阳能热水器市场萎缩的历史及原因[J].能源与环境，2014(6)：47-48.

[2] 浙江省住房和城乡建设厅.DB33/1092-2013 民用建筑绿色设计标准[S].2014.

[3] 浙江省住房和城乡建设厅.DB33/1034-2016太阳能与空气源热泵水系统应用技术规程[S].2017.

[4] 彭 庭，孙 雷.浅析多种太阳能热水系统运行方式[J].中国太阳能产业资讯，2013(2)：33.

[5] 许征杰.空气源热泵热水系统不同运行方案的对比分析和优化措施[J].电子制作，2014(10x)：211.

[6] 蔡杰杰，王亚刚，沈 进.基于Niagara平台的太阳能热水器智能控制系统[J].电子科技,2015,45(7):48-52.

[7] 张行星，赵旭东，谭军毅，等. 欧洲低温空气源热泵技术发展现状[J].暖通空调HV&AC,2015,45(7):48-52.