摘要：作为新能源热水器的两大主力，太阳能与空气源热泵行业有着各自的优势。空气源热泵与太阳能集热装置联合供应热水的系统可满足夏热冬冷地区户用热水供应的稳定性同时保证较高的能源利用效率和较好的环境效益。本文对太阳能—空气源热泵热水系统作了简要分析，以供参考。
关键词：太阳能—空气源热泵热水系统运行特性及优化研究
引言
随着能源和环境问题日益严峻，太阳能作为一种无污染、易获取、不枯竭的能源，已被广泛应用于热水、采暖、制冷、电力等多个领域。其中，利用太阳能制热水具有节能、环保、经济等优势，已成为最常见的制热水方式。但其使用性能完全受天气影响，光照不足时，需配备辅助热源以保证热水供应需求。空气源热泵的工作原理是逆卡诺循环，利用少量高品位能源作为驱动能源，从空气中高效吸取低品位热能，将其传输给热水。太阳能制热系统和空气源热泵有机结合可弥补后者的不足，实现全天候连续稳定供水。
1.太阳能—空气源热泵热水系统原理
空气源热泵辅助太阳能热水系统采用太阳能光热利用制备热水并蓄积在集热水箱，依据集热水箱水温、太阳能集热板进出口水温之间大小关系来决定太阳能集热系统的运行模式；同时，集热水箱与供（热）水水箱之间保持循环，而空气源热泵的启闭和运行模式取决于来自供（热）水箱的供热水温是否达到要求的设定温度，即确保整个热水系统供水的可靠性。太阳能-空气源热泵热水系统充分利用了清洁的可再生太阳能资源，又弥补了太阳能作为单一热源时受天气影响而产生的间断性缺陷；而空气源热泵也是一种高效节能的机组，它应用逆卡诺循环原理进行制热，制热量可达到耗电量的二到四倍甚至更高。因此，太阳能-空气源热泵热水系统是现阶段热水供给设备中最节能的方式之一，具有极大的可持续发展价值；并且可依据用水需求，对系统进行灵活组合，设计成多种形式。
以宁波地区为例。宁波位于东海之滨、长江三角洲的东南隅，地处宁绍平原，纬度适中，属北亚热带季风气候区，温和湿润，夏热冬冷地区。宁波全市的多年平均气温16.4℃，最热的7月28.0℃，最冷的l月4.7℃。冬夏两季各自长达4个月。宁波地区冬季时间长，且因气候潮湿，湿冷的天气寒冷刺骨，加之冬季温度常低于16℃——人体忍受寒冷程度的界限，使得冬季舒适度往往较差。但随着宁波地区经济的突飞猛进，人们对住房舒适性的要求不断提高，导致冬季建筑空调使用时间延长和建筑采暖的增加，该地区节能工作已不容忽视。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆将空气源热泵与太阳能结合供热水能够充分利用可再生能源，并结合二者各自的优势达到稳定供热水和节能的目的。太阳能-空气源热泵复合热水系统在不同时期不同天气下，可分别按太阳能热水系统、空气源热泵热水系统及太阳能-空气源热泵复合热水系统三种模式运行保证生活热水需求。
2.太阳能—空气源热泵热水系统运行特性
（1）太阳能集热热水系统在使用中可与建筑实现一体化布置的自身优势，提高屋顶面积的使用价值、天气晴朗时基本上不用浪费电能等优点，同时也存在一些不可避免的缺陷，如加热周期长，阴雨天气太阳辐射量不足时不能加热热水、不能满足全天候供水等不足。将空气源热泵机组和太阳能集热模块通过储热水箱组合成并联模式，在太阳能辐射量充足时，仅使用太阳能集热热水系统加热所需热水，在太阳能辐射量不足时，启动空气源热泵机组辅助加热热水；在满足全天候供给热水的同时，通过合理的设计控制策略，还可以实现最大限度的利用太阳能资源，减少空气源热泵的开启时间，节约电能。
（2）系统能耗低，节约能源优势显著。以往的太阳能集热热水系统，在太阳辐射量不足时，通常采用的辅助加热方式为燃气加热、燃煤加热或者电加热[42]，前两种方式不仅消耗了大量不可再生能源，在燃烧的过程中产生的一些有毒有害烟气还会造成空气污染，而电加热方式耗费大量电能，对于一些大型建筑热水系统，长期使用，需要负担高昂的电价。因此，随着国家对节能环保的重视，空气源热泵系统优势逐渐发展起来，不仅节约能源，还能保护环境不受破坏，但初始投资比较高。
3.太阳能-空气源热泵热水系统的制热模式
3.1太阳能热水系统模式
当系统在太阳辐射量充足时，足以满足把储热水箱的水加热至设定温度，此时，系统处于太阳能集热热水系统单独制热水模式；当控制系统检测到太阳能集热器进出口的水温温差大于 8℃时，太阳能集热热水系统的循环水泵开启，将储热水箱中的低温水循环打入集热器，而平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能所加热的容装水则流入水箱，与水箱内较低温度的水混合，不断循环，从而使水箱内水温逐渐升高；当储热水箱的温度高于设定温度时，太阳能集热热水系统关闭。系统运行处于太阳能集热热水系统单独制热水模式下时，适时的开启或关闭太阳能循环水泵是节能控制的关键所在。
3.2空气源热泵热水系统模式
当遇到阴雨天气或冬季等太阳辐射量几乎为零时，太阳能集热器处于无法工作状态，太阳能集热器进出口的水温温差无法满足太阳能集热热水系统循环水泵的启动条件；此时，开启空气源热泵机组，系统处于空气源热泵加热热水系统单独制热水模式。当系统处于空气源热泵加热热水系统单独制热水模式时，太阳能集热热水系统是关闭的，热泵循环水泵则处于运转状态。空气源热泵加热热水系统主要是由压缩机、套管式换热器（冷凝器）、膨胀阀、风冷蒸发器和储热水箱组成，其加热热水过程为：蒸发器管道内的R134a通过吸收管道周围空气的热量而汽化，被吸入压缩机，在压缩机内低压的R134a气体被压缩成高温高压的气体送入套管式换热器（冷凝器），与热泵循环水泵从储热水箱泵入的水进行热交换，被加热后的水重新送入储热水箱，而R134a放热冷凝成液态，通过膨胀阀回流到蒸发器内，两者不断循环，实现空气中的热量被源源不断的“搬运”至水中，最终把储热水箱的水加热到设定温度。此时，只需要对空气源热泵机组进行有效控制即可。
3.3太阳能-空气源热泵复合热水系统模式
当太阳能辐射量不足，但能将储热水箱水温加热到一定温度，而此温度低于实验设定水温，此时，则进入太阳能集热模块和空气源热泵机组联合制热水模式；在太阳能辐射量无法进一步加热热水时，由空气源热泵机组辅助加热至设定水温。当系统处于太阳能集热器和热泵机组联合制热水模式下时，以太阳能集热系统加热热水为主，热泵机组为辅，相互补充，稳定地把储热水箱的热水加热到设定温度。那么，合理的设计热泵机组的启停时间，最大限度的利用太阳能资源，减少辅热，提高系统运行性能是优化节能控制的关键所在，也是进行系统关键部件优化组合的基础。太阳能辐射强度、空气源热泵机组的加热效率、储热水箱容积等变化都会对储热水箱的温度产生影响，因此，要实现节能，就必须设计合理可行的太阳能热泵联合运行控制策略，使其能够根据气候的变化以及储热水箱容积和用水时间等参数的变化调整空气源热泵机组的启停时间。
结束语
太阳能-空气源热泵热水系统是一种应用前景非常广的节能环保热水系统，通过合理的部件匹配优化和控制系统设计，使该系统能够优先利用清洁可再生的太阳能资源，其次运行高效的空气源热泵机组，充分挖掘系统的节能潜力。但由于该系统性能与室外温湿度、太阳能资源等气候条件密切相关，因此在不同地区其适用性不同。因此要根据典型年气象参数划分复合系统的运行区间，分析各个运行区间日集热效率及热泵运行能效，最终评估全年的综合能源利用效率，为空气源热泵与太阳能复合热水系统在不同气候区域的适用性评价提供参考，同时为复合热水系统的设备合理选型及优化设计提供指导。
参考文献：
[1]郭超，王芳，罗漠娇，等.太阳能、空气源热泵热水系统性能优化试验研究[J].制冷学报，2013，34（5）：41-46.
[2]张会福.重庆村镇太阳能复合空气源热泵热水系统过渡季节性能实测研究[D].重庆：重庆大学，2015.
论文作者:蔡金君1,张慧丽2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
标签：太阳能论文; 热水论文; 系统论文; 空气论文; 源热泵论文; 水箱论文; 辐射量论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;