太阳能辅助空气源热泵系统工程运行分析研究

郭伟霞　杨少兵　水亚萍　訾雪婷

摘要：如今随着人们生活水平不断提升，太阳能在人们的日常生活中也越来越常见，因此太阳能、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。正是由于太阳能、空气源热泵在生活中的重要地位，因此本次研究通过对两者的优劣分析，以高台县为例，结合实际工程经验，提出利用太阳能与空气源热泵联合供热系统在保证供暖热水供应、节约和环境保护等方面的优越性。最后，结合具体案例对其技术、经济进行分析，结果显示：太阳能辅助空气源热泵联合供暖热水系统比传统供暖热水系统具有更高的节能和经济价值，具有很好的应用前景。

关键词：空气式太阳能真空管集热器；相变蓄能；空气源热泵；集中供暖热水系统；建筑节能

中图分类号：TK512+.4                         文献标志码：A

近几年，我国经济持续高速发展，但能源紧张的矛盾却越来越突出。我国目前的能源资源比较匮乏，人均能耗与国际平均水平相比有很大差距。而能源产业技术水平低、能源消耗高、能源利用率低，也是我国能源资源紧缺的因素之一。目前，在全国建筑中，95%的建筑没有达到节能要求，建筑和使用建筑间接消耗的能源占到全国建筑的46.7%。为了解决目前的能源问题，节能减排、开发新的能源资源越來越受到人们的关注。正是基于上述原因，文章主要以甘肃省张掖市高台县太阳能辅助空气源热泵系统运行情况为例，对该地区太阳能辅助空气源热泵系统的运行基本情况进行分析、总结、概括，期望能够为后续研究提供一定的理论基础。

1太阳能在建筑供暖热水系统中的应用

传统的供暖热水加热方式包括燃煤锅炉加热、燃气锅炉加热、燃油锅炉加热、电加热等。但由于采用的都是非再生能源，其利用效率低、燃烧不完全、热损失大，不但会产生大量的能量浪费，而且产生的氮氧化物、CO2、SO2等有害气体也会对环境产生影响。开发可再生、无污染的新型、洁净可再生能源已是大势所趋。太阳能供暖热水系统主要有集中式和分散式两种。传统的集中式太阳能供暖热水系统主要有直流系统、自然循环直接加热系统和强制循环直接加热系统，强迫循环、间接加热等；传统的分散式太阳能供暖热水系统主要有紧凑式、分离式直接加热、分离式间接加热等。太阳能供暖热水系统主要包括太阳能集热器、热水储罐、热水管道3个模块，太阳能集热器是决定太阳能集热器热效率的重要因素，是太阳能热水系统中的一种组件，它接收到太阳辐射，并将热传输到它的内部介质（水）。现有的太阳能集热器有平板式、全玻璃真空管、真空热管3种。板状太阳能集热器采用板状的金属管，具有高热效率、高热量、可承受压力的特点；具有良好的风干性能，价格低廉，但是没有抗寒性，适合在冬天不结冰的广东、云南、海南。全玻璃真空管太阳能集热器具有一定的耐寒性，冬天温度为-20℃～0℃，但不能耐高温，不能无水，不能进行空晒，否则容易破裂。真空热管太阳能集热器具有良好的抗寒性，适合于冬季-40℃～0℃环境下使用，具有承压、耐风吹日晒、不易爆的特点。因此在甘肃省张掖市高台县的实际项目施工过程中，根据实际工程需要，选择这种模式作为开工基础。

2热泵在建筑供暖热水系统中的应用

热泵是一种行之有效地解决能源等级不合理利用的方法。它能够利用高级能源的潜能，把“废热”中的能量抽取出来，让它的温度上升，这样就能获得更多的热量，而不是直接转化成更高级的能源。热泵机组的工作效率根据 COP=制热（制冷）/输入功率进行评估。如果一台热泵热水器的 COP 是3，也就是1 kW·h 的电量，就可以得到3 kW·h 的热能，这比电加热的热水器要节省三分之二的能源。在常规工作条件下，热泵机组的 COP 一般超过4。不同的循环工质，不同的压缩机类型，不同的容量，不同的类型，不同的热泵系统，COP 的变化也不同。在实际运行过程中，对热泵机组COP 影响最大的是蒸发器和冷凝器的外部介质（空气或水）的工作温度及其变化。一般情况下，在设备的容许温度范围内，当蒸发器外介质温度较低时，COP 值较低，或较高的凝汽器外介质温度较高。相反，COP 值较高。热泵系统一般分为两类：一种是空气源热泵，另一种是地源热泵。空气源热泵热水系统一般包括4部分：空气源热泵、辅助热源、储热、热水管网；地源热泵热水系统一般包括低温热源、水源热泵、贮（换）热、热水管网等4类，有时还需要附加热源。根据地源热源的不同，地源热泵系统可分为地表水、地源热泵、地埋管地源热泵系统。

3 太阳能和空气源热泵组合供暖热水系统应用实例

3.1 工程概况

项目位于甘肃省张掖市高台县地区，全称为甘肃省白龙江农林业科技有限责任公司锅炉改造更新空气源供暖项目，改造原因为供暖燃煤锅炉到达更换期限，为符合环保政策要求需更换清洁供暖设备，具体的供暖范围为办公楼：供暖面积 4 367.98 m2，五层框架结构，有保温，末端采用地暖；酒厂办公楼：供暖面积 805.34 m2，二层砖混结构，无保温，末端采用铸铁暖气片；供暖要求：20 ℃±2 ℃，如图1所示。

整个工程施工投入相比于同类型工程投入一般，并且工程受地理位置限制比较小，但工程能够最终顺利施工，对于地区采暖工程具有比较重要的意义。

3.2 供暖热水系统

该地区常年气温在0 ℃以上，但冬季气温偏低，日照时间和日照强度充足，因此，供暖热水系统主热源选用空气源热泵，辅助热源选用太阳能，尽最大可能利用了免费热能。该项目的供暖系统是集中供暖，在本方案中，以热泵技术为基础，通过集成空气源、太阳能光热及储能技术为城市别墅、新农村、企业、学校、医院、酒店、宿舍等提供清洁能源供暖。空气式太阳能集热器吸收太阳光，将太阳光转化为大量热能，并通过内置的相变蓄能芯存储，冷空气通过集热器后由蓄能芯释放的热量将冷空气加热为热空气，由风机将热空气送入空气源热泵主机，空气源热泵主机将热空气吸收、转换产生大量热能，加热循环传热介质；传热介质在循环泵的作用下循环至室内各个散热末端，为房间供暖。系统将太阳能与热泵高效融合，大大提高了系统的能效比，降低了用户的运行费用。从上述内容中能够看出，在进行项目施工的过程中，综合考虑了整个工程实际情况，并且在施工过程中，对系统效率提升进行了测试、分析及概括，具体如图2所示。

根据图3、图4数据对比分析可知，在空气式太阳能真空管集热器作用下设备2号温控区域内空气源热泵蒸发器吸收温度比外界环境温度高0.5℃～1.5℃，依据热辐射原理设备1号温控区域可高2.5℃～3.5℃，整体可提升温度约2.5℃，根据空气热泵特性，温度提升2.5℃，机组效率提升约5%。若将由1组空气式太阳能真空管集热器变为2组，太阳能风机风量增加1倍，则空气热泵效率提升10%。

3.3工程社会经济效益分析

设备运行费用预估：11月份20000元，12月份35000元，1月份35000元，2月份25000元，3月份20000元，共计135000元，其中其他设备用电18000元。因此空气源热泵供暖期间总运行费用为117000元，采暖季内运行费用为22.61元/m2，比改造前燃煤锅炉供暖运行费用35元/m2可节省55%，节能效果显著。

该项目利用太阳能与空气源热泵联合供热，以取代传统的煤气（油式）锅炉，既可节省能源，又可降低运营费用，并可显著减少对周边环境的污染。本论述以太阳能热水系统全年独立运转为例，对其经济效益进行了分析。此外，热泵热水机组的单位容积热水费用只有其32.59%。与液化天然气热水锅炉相比，空气源热泵热水机组的节能效果更加显著，单位容积热水的成本只有液化天然气热水的19.82%。太阳能热水系统和空气源热泵热水系统都有很大的节约空间，二者相结合，既能充分利用太阳能，又能节约运营费用；同时，它还可以有效地利用空气源热泵对太阳能的不确定进行补偿，使整个系统运行更加安全可靠。

4工程存在的细节问题及处理办法

4.1工程存在的主要问题

本次施工过程中，整个工程存在的主要问题包括以下几个方面：首先，主机基础施工时，出现水泥面聚水现象，二次返工；其次，在开展项目施工的过程中，对整个工程现场勘查不够仔细，遗漏观察水泵原始型号；最后，首次方案拟定时需建设泵房，二次确认方案为不建设，最终施工时需建设泵房，具体情况双方均说不清楚。从以上内容中能够看出，在本次项目施工过程中，对很多施工细节，还存在着一定的不足之处，对此需要进行及时调整及优化处理。

4.2工程存在问题的处理措施

针对该工程施工过程中存在的各种细节问题，为了能够保质、保量按期交工，笔者所在单位也进行了施工手段的及时调整，具体措施如下：首先，提前做好现场勘查记录表格，确保不遗漏每一项，这是对整个工程细节方面的把控，也是监管过程中重要的一个环节，对完善问题有着至关重要的帮助；其次，在双方误会的处理方面，统一设计方案模板，避免计量单位不统一的问题，并且在项目开展过程中，不定时根据现场勘查合理配置主设备，尽可能一次配置合理；再次，在保证施工进度的同时，及时与甲方沟通具体工程量，确保报价全部包含甲方工程量；最后，因商砼方量缺少许导致，以后需加强监督分包方的重要工作节点，减少返工，防止因返工延误总工期。从工程最终的效益情况来看，通过对整个工程项目所出现问题的及时处理以及调节，在最大限度上保障了整个工程的质量，并且让工程能够最终按时交付。

5结束语

太阳能热水器的使用越来越普遍，但是传统的太阳能热水器由于受到天气条件的限制，无法实现全天工作。空气源热泵机组是一种高效的节能设备，它的开发和应用日益受到人们的关注。特别是在冬天，室外气温低于0℃时，出现结霜化的問题。通过工程实例说明，采用空气式太阳能与空气源热泵相结合的供暖热水系统替代传统的热源供暖热水系统，不仅可以节约传统的柴油、天然气、电力，还可以减少传统燃料、天然气、电力，从而减轻目前的能源紧张状况，提高经济效益；另外，太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，而空气源热泵是一种高效、低污染的热机，二者的结合可减少对环境的污染。随着我国政府越来越重视建筑节能，这种新型材料的应用将会有很大的发展空间。

在本次研究过程中，通过以甘肃省张掖市高台县的具体工程施工实例为研究对象，深入分析并且发现在整个工程施工开展环节中可能出现的各种问题。从分析当中能够看出，目前太阳能辅助空气源热泵系统运行方面的研究，无论从理论深度还是专业技术层面，我国仍处于发展上升阶段，对此需要相关从业者及时更新优化技术，培育创新理念，保障太阳能辅助空气源热泵系统运行良好、健康发展。

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