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摘要：本文通过对国家标准图集中空气源热泵辅助太阳能热水系统做法进行研究，在对其进行能耗分析的基础上，结合在工程设计及实践中常用的空气源热泵辅助太阳能热水系统，提出太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行的三种运行方案，三种运行方案是对常用集中空气源热泵辅助太阳能热水系统的优化，在节能方面起到良好的作用。优化方案的提出也为给排水设计人员提供一个参考。
关键词：空气源热泵；太阳能热水系统；能耗分析；系统优化
引 言：随着我国城市化建设的不断推进，能源供给以及伴随的环境恶化问题成为了阻碍城市发展的重要原因。节约能源，保护生态环境，已经成为全世界人民的广泛共识。节能减排已经是全世界关注的重要问题。我国各个地区都在鼓励开展包括太阳能在内的各种可再生能源在建筑中的应用研究、示范和推广。建筑是可再生能源应用的重要领域。我国太阳能资源十分丰富，在建筑中应用的前景十分广阔。为了对太阳能等可再生能源应用进行扶持、引导，使其尽快达到规模化应用，国家出台了一系列政策如：《中华人民共和国可再生能源法》和《国务院关于加强节能工作的决定》（国发[2006]28号）等。各个省及重要城市也出台了建筑节能条例，对建筑可再生能源应用提出要求。太阳能作为一种新能源，能量巨大，开发利用不会污染环境，不存在运输问题，是一种优质的可再生能源，其在热水系统上的利用具有很大的优势，应用广泛。空气源热泵是一种适用、高效、节能的制热技术，较传统的加热方式具有明显的优势[1]。因此，太阳能热水系统是在建筑领域使用广泛的可再生能源设计之一。而空气源热泵辅助太阳能的热水系统，是南方地区普遍使用的可再生能源与高效节能技术相结合的最佳利用方案。
1 国家标准图集中空气源热泵辅助太阳能热水系统做法介绍
1.1 空气源热泵辅助太阳能热水系统做法介绍
15S128《太阳能集中热水系统选用与安装》与 国家标准图集06SS127《热泵热水系统选用与安装》分别给出了以太阳能集中热水为主要供热方式的热水系统的选用与安装，以及以空气源热泵集中热水为主要供热方式的热水系统的选用与安装，但对于太阳能与空气源热泵组联合使用的热水系统，其做法介绍的篇幅很少，在国家标准图集06SS127《热泵热水系统选用与安装》中，给出了空气源热泵独立热水（一次加热式热泵热水机组与太能能联合）的热水系统原理图。图集做法如下：
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在图集中提出 该做法适用于一次加热式热泵热水机组与太阳能联合使用的热水系统，多用于太阳能集中热水系统的改造工程。在该系统中采用双水箱系统，其中太阳能加热系统和热泵加热系统分别独立运行。冷水进入太阳能水箱，经循环泵加压进入太阳能集热系统，水得到升温进入太阳能水箱；太阳能水箱的热水高于55摄氏度，温控系统控制打开电磁阀，热水进入生活热水箱。电加热器作为备用系统。由此图说明中可以看出，当生活热水箱温度低于规范要求的最低温度时（45℃），只能采用电加热的方式运行，这样的运行方式显然是不够节能的方法。此连接方式，未能充分发挥太阳能与热泵的效率，我们认为是不完善的一种方法，存在改进的可能。
1.2 系统能耗分析
从以上热水系统的运行来看，空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的能耗主要包括空气源热泵的耗电量以及太阳能循环泵、供水泵（在不设电加热器的地区时）的耗电量。其中空气源热泵的耗电量是主要的能耗来源。空气源热泵的耗电量主要与系统热负荷和集热系统得热量有关，系统循环水泵、供水泵耗电量主要与用户热水用量有关[2，3]。集热系统得热量即制热量Qh=Ph×COP，，其中Ph为热泵机组的耗电量，COP为热泵机组的能效比，即热泵的制热量（W）与输入功率（w）的比值，COP是衡量其节能效果的重要指标之一[1]。COP的理论值计算公式：不考虑外界因素的理论效率为：COP0=（环境温度T+273）/温升△t。考虑实际运行的各种因素，电动机效率为O．95，压缩机效率为O．8，换热器效率为0．9，系统效率为0．8，则理论能效比COP=0．95×0．8×0．9×0．8=0．55×COP0=O．55×（T+273）／△t[1]。根据COP能效比的理论计算公式可知，在热泵中出水温度与进水温度之间的差值即温升△t的大小是热泵能效比的决定性因素之一，温升△t越小，则能效比越高。在热水系统中，提高热泵的进水温度，可以有效提高热泵的能效比，也就可以提高系统的节能效果。在上述国标图集的做法中，太阳能加热系统和热泵加热系统独立运行，这种并联工作的模式存在一个问题，即：在晴好天气的情况，太阳能加热系统足以将水加热至55℃及以上，系统不启用热泵加热系统；但当太阳能水箱水温不足以达到55℃的情况下，其中的热水不会进入到生活热水箱中，这种情况下生活热水箱的水进入热泵系统是冷水的温度或者是热水回水的温度，这很可能使得热泵系统的进水温度低，温升△t增大，从而降低热泵的能效比。针对这一问题，笔者提出将太阳能加热系统和热泵加热系统 串联运行的方案。即水经过太阳能加热系统后 连接热泵加热系统，将太阳能加热系统的出水作为热泵加热系统的进水，提高热泵加热系统进水温度，降低温升△t，从而提高热泵能效比，尽可能达到最大化的节能。
2 太阳能热水系统和空气源热泵热水系统 串联运行的方案
笔者结合在工程设计及实践中常用的集中集热、集中储热、集中辅热的空气源热泵辅助加热太阳能热水系统，提出对太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行的几种运行方案。
2.1 单水箱强制循环直接加热开式太阳能与热泵热水机组联合工作方案
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本方案采用强制循环、直接加热方式加热。采用开式水箱单水箱作为贮热水箱。冷水经过太阳能集热系统，在太阳能加热系统和热泵加热系统之间及与贮热水箱连接时，采用太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行的方式。当水要经过太阳能板加热升温以后达到设计温度，热水直接进入贮热水箱；当水经过太阳能板加热升温以后未达到设计温度，直接进入空气源系统进行加热；当处于无阳光时间段（夜间），为避免集热板反作用（降温），采用超越方式直接采用热泵加热，此时，超越管中的水温可由水箱中的温度传感器（T1）控制。这样就可有效的减少（或者控制）了水的温升△t，从而增高了空气源热泵的效率（参考文献空气源热泵COP值与节能应用探讨），减少了能量的耗损。方案的优点在于太阳能集热系统和空气源热泵热水系统串联运行，太阳能集热系统出水作为空气源热泵的进水，最大限度地利用太阳能，提高空气源热泵COP值，达到良好的节能效果。但该系统因只有一个水箱，水箱的温度须控制在合理的温度内，不能过高或者过低，故不能充分的利用太阳能。本方案适用于供应热水规模较小（V供≤40%V集）的热水系统，在用地受限的情况可优先选用，该方案对比图集06SS127中的太阳能热水系统，同时减少了水箱和泵组的数量，减少了初期成本以及运营费用。
2.2 方案二：闭式双水箱强制循环直接加热开式太阳能与热泵热水机组联合工作方案
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本方案采用强制循环、直接加热方式加热。该太阳能热水系统采用双水箱供水（其中贮热水箱为承压水箱），太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行。太阳能集热系统加热的水先进入预热水箱，预热水箱的热水温度在60℃以上时，温控系统控制打开F2关闭F1电磁阀，热水直接进入生活热水箱。在预热水箱水温T1< 50℃（可调）时，关闭电磁阀F2，开启电磁阀F1，同时开启空气源热泵对预热水箱的水进行加热后再进入贮热水箱。对比06SS127中的太阳能热水系统，本方案采用了承压贮热水箱，减少了加压转输泵，热水供水加压泵、水箱间的转输泵、热泵循环泵三合一，降低了初期成本以及运营费用。采用双水箱储热的方式，预热水箱的存水不进行温度控制，可以最大限度的利用太阳能资源。本方案的优点一与方案一相同，在于太阳能集热系统和空气源热泵热水系统串联运行，太阳能集热系统出水作为空气源热泵的进水，最大限度地利用太阳能，提高空气源热泵COP值，达到良好的节能效果。优点二在于本系统采用预热水箱和供热水箱联合供热的双水箱系统型式，最大限度的利用太阳能资源，提高了集热系统的效率，减少辅助热源的用量。优点三本方案采用了承压贮热水箱，减少了加压转输泵，降低了初期成本以及运营费用。也由于系统采用承压水箱，施工要求较高，循环控制和管理也较为困难，实际施工和运营有一定的难度。本方案适用于供应热水规模较大（V供>40%V集）的热水系统。
2.3 方案三：开式双水箱强制循环直接加热开式太阳能与热泵热水机组联合工作
该太阳能热水系统采用双水箱供水（贮热水箱为非承压水箱），并且采用太阳能+空气源串联加热的方式，对比以前的太阳能热水系统，减少了一组热泵加压泵，并减少转输泵组的运行费用。对比闭式系统（采用承压水箱）控制系统比较简单，各泵组功能明确操作管理相对可靠。但同时该套系统设备附件较多，节能效果并不是特别好，初期成本和运营费用相对较高。
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本方案采用强制循环、直接加热方式加热。该太阳能热水系统采用双水箱供水（其中贮热水箱为非承压水箱），太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行。太阳能集热系统加热的水先进入预热水箱，预热水箱的热水温度在60℃以上时，温控系统控制打开F2关闭F1电磁阀，热水直接进入生活热水箱。在预热水箱水温T1< 50℃（可调）时，关闭电磁阀F2，开启电磁阀F1，开启空气源热泵对预热水箱的水进行加热后再进入贮热水箱。对比06SS127中的太阳能热水系统，本方案减少了一组热泵加压泵，并减少转输泵组的运行费用。采用双水箱储热的方式，预热水箱的存水不进行温度控制，可以最大限度的利用太阳能资源。方案的优点一与方案一相同，在于太阳能集热系统和空气源热泵热水系统串联运行，太阳能集热系统出水作为空气源热泵的进水，最大限度地利用太阳能，提高空气源热泵COP值，达到良好的节能效果。优点二在于本系统采用预热水箱和供热水箱联合供热的双水箱系统型式，最大限度的利用太阳能资源，提高了集热系统的效率，减少辅助热源的用量。对比闭式系统（采用承压水箱）控制系统比较简单，各泵组功能明确操作管理相对可靠。但同时该套系统设备附件较多，初期成本和运营费用较方案二要高。本方案适用于供应热水规模较大（V供>40%V集）的热水系统。
结语
目前，空气源热泵辅助太阳能热水系统应用越来越广泛，但在太阳能热水系统使用过程中，由于使用成本高、系统稳定性不好、运行管理困难等问题，使得实际使用率低下。能够合理的设计，解决成本问题，使空气源热泵辅助太阳能热水系统能够充分的合理应用，是我们研究的方向和责任。本文通过对国家标准图集中空气源热泵辅助太阳能热水系统做法进行研究，在对其进行能耗分析的基础上，结合在工程设计及实践中常用的空气源热泵辅助太阳能热水系统，提出太阳能加热系统和热泵加热系统串联运行的三种运行方案。三种运行方案是对常用集中空气源热泵辅助太阳能热水系统的优化，在节能方面起到良好的作用。优化方案的提出也为给排水设计人员提供一个参考。
参考文献
[1]刘国双.空气源热泵COP值与节能应用探讨[J].山西建筑.2009年8月第35卷第22期.
[2]张 欣.等.深圳市空气源热泵辅助太阳能集中热水系统能耗分析及运行优化[J].制冷与空调.2016年10月第30卷第5期.
[3]郑瑞澄.陆 宾.太阳能供热采暖工程应用技术手册[M].北京.中国建筑工业出版社2012：55-58
论文作者:黄丽娟,闫利国,沈贤锴
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/16
标签：系统论文; 太阳能论文; 水箱论文; 热水论文; 空气论文; 热泵论文; 源热泵论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;