太阳能热水系统引入空气源热泵和管路系统的探讨

艾 磊

（青海建筑职业技术学院， 青海西宁 810000）

0 引言

现阶段，为了满足高原地区农村居民的热水需求，安装了大量的太阳能热水器。但由于高原地区特性，冬季严寒、昼夜温差大、极端低温的出现可能导致太阳能热水系统管网出现冻结现象，甚至直接发生冻裂，导致供热系统瘫痪。因此，如何保障高原地区太阳能热水系统不受低温影响，成了当前所有科研机构的研究方向，本文通过对空气源热泵技术的运行原理进行分析， 探讨了高原地区农村太阳能热水系统引入空气源热泵的可行性， 旨在保障高原地区农村居民正常的热水供应，降低能源消耗，满足可持续发展的要求。

1 高原地区太阳能供暖发展的现状

与其他地区相比，高原地区日照充足，其年、月总太阳辐射都较高。 高原地区全年昼夜温差较大，尤其是冬季最为明显，可达20℃～30℃。高原地区海拔较高，且气压、含氧量、空气密度较低，造成空气十分干燥，特别是冬季最为干燥，空气中相对湿度仅为5%～15%。同时，高原地区生态环境脆弱，污染不易治理。基于此，在为高原地区农村改善室内热环境的同时，环境保护问题也应得到重视。

近些年来， 在国家与相关高原地区政府的政策支持下，高原地区开展了大规模的开发建设，一大批新能源企业进入建设，建立了一批太阳能供暖示范工程，取得了显著成效。 高原地区绿色建筑更是受到广泛关注，许多高校和科研机构都针对太阳能等优等能源[1]设置了科研项目，力求在高效利用太阳能供暖的同时，降低能源消耗。

2 高原地区太阳能供暖模式探讨

高原城市地区的太阳能建筑， 从初期建设至今已有10 多年，建立了许多示范性工程，但是仍然存在一些问题，一些建筑企业为追求经济效益，对项目没有清晰的认识，缺乏对建筑类型和施工技术的深入探究，部分企业甚至没有做任何保温措施， 就直接开始安装太阳能供暖设备，造成其后期运行和维护困难，导致资金没有得到有效利用。 与高原城市地区相比，农村地区相对贫穷，基本没有供热设施[2]，却占有太阳能热利用技术发展的自然优势，应发展低成本的太阳能利用技术，以保障该地区的热水供应，解决因昼夜温差大所造成的取暖问题。 针对高原地区农村已有的太阳能热水系统， 在保障其太阳能供暖管网保温的同时， 也要通过空气集热器保障室内各围护构建的保温， 通过蓄热解决气候对太阳能管网所造成的影响。

随着高原地区建设进程的加快， 许多高层建筑拔地而起，这也造成了一些问题出现，城市内建筑楼层较高，且密度加大，造成太阳能集热系统的安装十分困难，导致其不能使用农村所采用的太阳能技术。针对此类情况，为建设太阳能集热系统保障居民正常使用热水， 可以选择一些没有农牧的空旷地区，进行安装铺设，建立能源互补热站， 通过借助热蓄调系统可以解决高原地区城市供暖问题。这样的供暖模式更集中，也使后期维护管理更加方便。针对太阳能集热系统夏季闲置的问题，可以采用太阳能光伏系统进行解决，保障城市用热和用电，从而保障太阳能的利用效率。对于一些高原地区城市，传统的供暖方式已经不能满足当今的供暖需求， 太阳能供暖的发展可以承担一部分供暖需求，从而组成新的组合供暖模式。

3 电伴热系统和空气源热泵对管道进行保护的原理

3.1 电伴热系统对管道进行保护的原理

现阶段，高原农村地区的管道系统保护，大多数都采用加装保温层及安装电伴热来减少热损失，使管道内外温度保持恒定，从而保护供热管道。 通常情况下管道电伴热系统组成包括以下几个部分：发热电缆供电电源系统、管道防冻电缆加热系统、管道电伴热智能控制报警系统。 其中单根的伴热电缆单元包括以下几个部分：空气开关、温度传感器、温控器、故障蜂鸣报警器等。 温度传感器通常被安装在加热管上，方便工作时随时查看温度。 想要达到加热防冻的效果，就需要在工作前将温控器设好温度， 在与温度传感器测量的温度进行比较，在达到一定温度后，通过控制箱的报警装置和空气开关切断电源。

3.2 空气源热泵技术对管道进行保护的原理

电伴热系统进行保温处理的原理为： 为管道提供热量，使损失热量得到补充，从而保证管道系统内外不会出现较大热损失的情况。 空气源热泵进行保温处理的原理为：吸收空气中低温热能，并将之压缩，通过压缩机将其最终转化为高温热能，从而加热水和提高周围温度。通过上述描述可以发现，两样技术的应用，都是为了保持供热管道内外的热量达到平衡，发挥其制热性能[3]，防止管道在极端天气下出现冻裂，让供热系统得到保护。 另外，两种加热方式的原理相同，且后者更加节能，与前者相比后者节能效果更加明显， 消耗更低的能源却有更为明显的供热效果。

4 高原地区农村太阳能热水系统引入空气源热泵的可行性

4.1 高原地区农村应用空气源热泵技术的方式

高原地区农村冬季更加严寒， 也就意味着太阳能热水系统的效率不高，同时如果不采取优质的保温措施，可能造成热水的使用出现问题， 甚至造成供热管道出现冻结。虽然电伴热和电辅助技术可以解决相关问题，但是也造成了更多的电能消耗。 因此，想要降低电力消耗，满足节能减排的发展需求，就需要引入空气源热泵技术，来保障能源消耗满足相关要求， 同时提高供热系统的使用年限。 空气源热泵技术与传统的电加热技术相比， 更加安全、节能，高效[4]，因为其不是采用电热元件直接加热，不会出现漏电情况。 结合空气源热泵机组与太阳能热水系统的方式。想要形成一个良好的循环系统，需要将太阳能热水系统的进出水口进行连接，使其相互连通，并在上面加装止回阀和循环泵， 重点应保证空气源热泵机组要安装在进水前端。 这样的安装方式， 可以在太阳照射充足时，保证热水系统能够正常工作，即使关闭泵前阀门，空气源热泵也不会得到启用， 不会影响热水系统的原有运行。太阳照射不充足时，也不会导致冻裂情况出现对太阳能热水系统造成影响，在农村居民不用水时，只要系统水源得到补充，关闭进水阀门也不会造成影响，只要空气源热泵保持低功率运行，就能一直辅助供热系统加热，从而保持水温恒定。 农村居民用水时，即使用量不大，造成循环泵不工作，但空气源热泵会一直处于工作状态，以中功率进行运转，保证高原地区农村居民的热水使用。农村居民用水量大且时间较长时， 空气源热泵会以高功率进行运转， 从而保证居民的热水供应。 当农村居民用水结束后，供热系统会自动补水，并保持空气源热泵一直进行低功率工作。

4.2 控制温度

高原地区农村经常会有极端天气出现， 强烈的降温考验着供热管道系统。为了保护管道系统，可以将排水阀门关闭， 并根据温度传感器测量的温度与事先温控器设好的温度相比较，当温度低于设好的温度时，供热系统会自动将空气源热泵机组和循环泵开启， 并对水箱内水进行循环加热，加热后就停止工作。当管道问题再次降低后又开始热循环工作，如此反复，就可以保护官网系统保持正常运转，不会出现有霜冻情况发生。

4.3 空气源热泵技术引入高原农村地区热水系统后产生的积极作用

太阳能建筑经过多年的发展和改进， 技术已趋向成熟，尤其在平原地区，得到了良好的开发利用。 由于高原地区温差较大，加上冬季极端寒冷，导致系统不像在平原地区那样稳定。后期的维护保养也十分困难，工作人员如果操作不当就可能导致管道冻裂。 为了保障太阳能热水系统的正常使用， 高原地区农村家庭需要消耗更多的电量， 这也是造成高原地区太阳能热水系统得不到更多推广的主要原因。 但另一方面，高原地区太阳能资源丰富，如果引入空气源热泵技术就可以很好解决耗电的问题，其具体表现如下：

（1）空气源热泵技术的引入，可以通过辅助加热和热量补充这两种形式来对管道进行保温处理，而且这种技术的引入，也仅需要采用更加简单的保温结构。 与电伴热技术相比，其加热方式更加科学、经济、安全，将其引入到高原地区， 可以防止高原地区农村热水系统管网出现冻裂。

（2）空气源热泵技术的引入，主要以太阳能技术为主，热泵技术为辅助，保持对热水系统的一直供热。这种技术的应用， 可以使热水系统在一年中大多数时间只以太阳能进行供热， 降低了能源消耗的同时也方便后期维护保养，节省了资金，也提高了供应热水的能效比。

（3）空气源热泵技术与电伴热技术不同，不需要依靠电热元件进行加热， 其加热主要是将空气中蕴含的热量进行转移，就能实现对水加热。 其耗电量也更低，降低了电力消耗。 空气源热泵的使用寿命更长，可以达到10 年以上，具有经济效益[5]，只需要3～5 年的时间就能收回投资，并开始盈利。

5 空气源热泵技术引入高原地区农村热水系统存在的困难

（1）与传统集中热水系统相比，空气源热泵技术更加稳定，其机组可以直接对水进行加热，产生的热水也更加稳定。 同时，其也存在一定的问题，直接使用空气源热泵机组为高原地区农村家庭提供热水，虽然该地区日照足，太阳辐射强，但是与传统的太阳能热水系统相比较，空气源热泵机组需要消耗更多的电量， 这对于高原地区农村居民来说并不经济。另外由于当前技术不够成熟，且其机组设备复杂，体积大，造成安装还存在很多问题。

（2）高原地区冬季严寒，普通的空气源热泵机组只能保证春、夏、秋三季的正常工作，冬季极端低温的出现，超过了普通空气源机组工作的最低温度， 导致其制热量和性能系数明显降低[6]。 高原地区农村与城市相比，冬季温度更低，普通机组不能满足农村居民的生活需要。必须要使用二氧化碳空气源热泵才能保证供应热水， 但是这种设备又需要更高造价，成本的增加限制了其建设应用，因此，想要满足高原地区农村家庭的热水供应，仍然需要不断探索更经济、环保、实用的供热新技术。

6 结论

综上所述，太阳能作为一种新能源，与传统能源相比更加环保，其可重复利用的特点也满足国家发展的要求。空气源热泵技术相比传统供热技术更加安全、 节能、环保，若将这两者进行融合，必然可以满足高原地区农村家庭的热水需求。现阶段，空气源热泵技术应用到高原地区农村家庭之中还存在一定的困难， 但是随着技术不断发展和创新，困难一定会被克服，当这项技术的实施后，也必然带动高原地区的社会经济发展。