太陽能與空氣源熱泵結(jié)合供熱水系統(tǒng)設(shè)計問題研究

1、 太陽能與空氣源熱泵結(jié)合供熱水系統(tǒng)設(shè)計問題研究廖乃雄（廣西科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，廣西 南寧 530003）【摘 要】文章介紹了太陽能和空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)供熱水工程的設(shè)計方法，就如何提高太陽能熱水系統(tǒng)熱效率問題進行分析探討，結(jié)合工程的實際情況和經(jīng)驗，提出了設(shè)計要點和注意問題?！娟P(guān)鍵詞】太陽能；空氣源熱泵；熱水系統(tǒng) 【中圖分類號】TK519Abstract:This article describes the solar water heater and air source heat pump hot water system engineering design approach on ho

2、w to increase the efficiency of solar water heating system thermal analysis of the issues discussed. Combined engineering experience of the actual situation and the proposed design features and attention problems.Key words: solar water heater air source heat pump hot water system目前南方地區(qū)公寓樓、賓館、招待所供熱水很

3、多是采用太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的供熱水設(shè)備，或單獨空氣源熱泵機組設(shè)備。在太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的供熱水系統(tǒng)中，太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵的選型、配置和系統(tǒng)連接是至關(guān)重要的，它關(guān)系到熱水能否正常供應(yīng)和熱泵機組的正常運行，特別是在低溫陰雨的極端天氣下，完全由空氣源熱泵機組加熱，要是配置過小，會造成熱水供應(yīng)不夠，空氣源熱泵配置太大會造成浪費。如何能使太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵發(fā)揮其最佳節(jié)能效果，在設(shè)計上應(yīng)考慮如下幾個關(guān)鍵問題。表1 平均自來水溫度可按下表選取地 區(qū)上海；浙江；江西；安徽；江蘇；福建北部；湖南、湖北東部 重慶；貴州；四川；云南北部； 湖南、湖北西部、山西廣東、廣西、福建南部、云南南部地

4、面水溫度） 5 7 1015地下水面積（） 1520 1520 20【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1008-1151(201109-0093-032.2 太陽能集熱面積的計算根據(jù)上述計算得的熱負(fù)荷，可按下式計算出系統(tǒng)所需的太陽能熱水器集熱面積Ac。A c =fQ t c (1b 1 太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計方法與空氣源熱泵機組的配置計算太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)靥栞椛淞看_定采光面積。而空氣源熱泵機組的配置的確定是結(jié)合空氣源熱泵機組的熱效率按電加熱的計算方法確定。 1.1 熱負(fù)荷計確定系統(tǒng)熱負(fù)荷可由下式確定：Q=Cp M( Tn -Tw (單位：MJ 式中為平均用熱水溫度（）為

5、當(dāng)?shù)馗骷竟?jié)平均自來水溫度（）；M為熱水用量kg；Cp 為水的定壓比熱容，C p =4.18kJ/（kg.K）。式中，t 為傾斜面上年平均日太陽輻射總量（MJ）；c為太陽集熱器的平均集熱效率；b 作為水箱與管路熱損失率；為太陽能保證率。值可按下表選取。表2 不同地區(qū)太陽能保證率選值范圍資源區(qū)劃 資源豐富區(qū) 資源較豐富區(qū) 資源一般區(qū) 資源貧乏區(qū)太陽輻射量/MJ(a 6700 54006700 42005400 4200太陽能保證率60% 50%60% 40%50% 40%1.3 空氣源熱泵輔助配置計算輔助熱源可按下式進行選擇配置(1f QP=(1.101.20c【收稿日期】2011-06-29【作

6、者簡介】廖乃雄（1964），男（壯族），廣西南寧人，廣西科學(xué)院應(yīng)用物理研究所工程師。- 93 -式中，3.617為熱功當(dāng)量，MJ/kWh；為太陽能保證率，可根據(jù)表二選取；t為電加熱補充加熱時間，根據(jù)用戶實際情況確定，為電加熱器效率，亦即為空氣源熱泵機組熱效c率。Q為熱負(fù)荷，MJ。下面就加熱時間t 和空氣源熱泵機組效率c 的選取進行分析研究。（1）空氣源熱泵機組熱效率c 隨著天氣的變化也有區(qū)別，夏季熱效率高，而冬季效率低，零下5以下時熱效率很低，甚至結(jié)霜無法使用。在長江以北地區(qū)冬季無法使用。南方地區(qū)一般取300%計算比較合理。（2）選擇合適的加熱時間，對太陽能熱水系統(tǒng)的熱效率和空氣源熱泵機組的壽

7、命有直接的關(guān)系，加熱時間太長會加快空氣源熱泵機組的機械磨損，各零部件的性能下降?？諝庠礋岜脵C組的工作由儲熱水箱溫度控制，而太陽能熱水系統(tǒng)則在白天有太陽時才工作。根據(jù)F T f , i T aR ( e F R UL ,太陽能熱水器系統(tǒng)工作時，太陽集熱器的進水溫度T f , i 越低，集熱器瞬時效率越大，反之則越低。因此，太陽能與空氣源熱泵結(jié)合供熱水不同于單純的空氣源熱泵供熱，空氣熱泵啟動太早會對太陽能熱水系統(tǒng)效率造成影響，熱泵啟動時間不夠時，熱水溫度上不去。空氣源熱泵機組工作時間與配置功率的大小有著直接的關(guān)系，空氣源配置功率大，加熱時間短，空氣源熱泵可啟動晚一些，太陽能熱水系統(tǒng)的效率可提高。根

8、據(jù)用戶用水時間和用水特點不同，空氣源熱泵機組啟動輔助加熱水間也不同。對于單純的空氣源熱泵水系統(tǒng)，空氣源熱泵機組可小一些，相對加熱時間可長些，只要滿足到用水時間溫度達到設(shè)定溫度上限即可。而太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵啟動太早對太陽能熱水系統(tǒng)效率影響，盡可能減小太陽能熱水系統(tǒng)的影響。一般情況下，應(yīng)滿足在12點以后啟動至17點加熱水溫達到設(shè)計溫度上限。對于全天候24小時供熱水的系統(tǒng)，用戶使用熱水時間不定，要保持有熱水儲備，隨時供用戶使用。此類型一般設(shè)有一個儲熱水箱，采用恒溫控制，空氣源熱泵機組啟動是隨機性的，當(dāng)儲熱水箱水的溫度低于設(shè)定溫度下限啟動，溫度高于設(shè)定溫度上限時停止。加熱時間

9、隨用戶用水量的多少決定。例：熱用量為10噸；熱水溫度55，17點30分集中用熱水；太陽能保證率f 取50%；為了保證17點30分前水溫達到要求，加熱時間取5小時，即從12點開始熱泵機組啟動加熱；空氣源熱泵機組熱效率e =300%；熱負(fù)荷Q=Cp M( Tn -=4.1810103（55-15）=1672MJ。P=(1.101.20(1f Q(10. 5 1672c =1.23. 61735=13.2(kw選型配置時選擇15匹，即可。通過上述計算得出的空氣源熱泵后，根據(jù)各廠家的技術(shù)參數(shù)適當(dāng)大于此數(shù)據(jù)，一般空氣源熱泵效率達300%400%，選型時要考慮陰雨天時滿足供水需要。陰冷天氣的熱負(fù)荷大，空氣

10、源熱泵機組效率選擇低值。2 系統(tǒng)連接設(shè)計為了使太陽能系統(tǒng)的高效率運行，充分利用太陽能加熱水，當(dāng)用戶為全天候24小時供熱水時，儲熱水箱要保持有熱水存在，可把供熱水系統(tǒng)的儲熱水箱分為太陽能熱水箱1和空氣源熱泵機組的水箱2，將水箱1和水箱2串聯(lián)。由于隨時用熱水，為了保證系統(tǒng)正常運行，采用頂水方式，如圖1。太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵機組的循環(huán)水管，開口要偏低， 使水箱的冷熱水有良好的分層。圖 1圖 2圖 3圖4用水時冷水補進水箱1底部，從水箱1出來后進入水箱2底部，從水箱2上部出熱水。當(dāng)太陽能加熱的水箱1中的水溫達到設(shè)定溫度，空氣源熱泵機組不啟動，水溫達不到設(shè)- 94 -定溫度下限時間，由空氣源熱泵機

11、組補充加熱，使出水達到設(shè)定的熱水溫度。水箱容量可小些。上述系統(tǒng)的優(yōu)點是，低溫的水進入水箱底部，可使太陽能系統(tǒng)和空氣源熱泵機組的熱效率提高，適用于太陽能熱水系統(tǒng)自然循環(huán)、強制循環(huán)的全天候供熱水系統(tǒng)。當(dāng)用熱水為定時供應(yīng)熱水時，系統(tǒng)連接如圖2、圖3。 圖2，為大型系統(tǒng)，儲熱水箱數(shù)量在兩個或兩個以上，太陽能熱水系統(tǒng)運行方式為溫差強制循環(huán)。儲熱水箱用管徑較大的水管將兩水箱底部連在一起，太陽能集熱器、空氣源泵機組的循環(huán)進水管連接水箱1，循環(huán)出水管連接水箱2，比中間連管位置要高，在缺水時可保護太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)。用水時從水箱2出熱水，冷水從水箱1補進。圖3、圖4為單水箱的連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)為小型供

12、熱水系統(tǒng)或較大型供熱水系統(tǒng)只做一個水箱。太陽能熱水系統(tǒng)運行方式可自然循環(huán)或溫差強制循環(huán)。圖3，用水方式為落水式，用熱水的出水口不得低于太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵機組的進出水循環(huán)口；圖4，用水方式為頂水式，即熱水從水箱上部出水，冷水從水箱底部補進，更適用于自來水正常，全天候供熱水的場合。3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計在太陽能與空氣源熱泵供熱水系統(tǒng)中，自動控制系統(tǒng)包括空氣源熱泵機組自動控制、水位自動控制、太陽能系統(tǒng)的循環(huán)控制、供熱水的控制等。（1）空氣源熱泵機組自動控制的各種保護功能，廠家已設(shè)定好。設(shè)計供熱水系統(tǒng)時，如何確定溫度探頭的位置，是關(guān)系到熱水儲量和空氣源熱泵起動的反應(yīng)時間。溫度探頭一般設(shè)置在空氣源

13、熱泵機組的循環(huán)進水管與水箱連接的位置附近，可使整個箱水水溫達到設(shè)定溫度上限，保證有足夠熱水儲備同時也可保證空氣源熱泵機組正常運行。對于頂水式用水系統(tǒng)，特別是在全天候供熱水系統(tǒng)中，補充的冷水進到水箱底部時空氣源熱泵機組及時起動補充加熱。這樣，可防止短時用熱水過大，而后加熱時間不夠，熱水儲量小現(xiàn)象。對于落水式用水，當(dāng)補水方式用完熱水后再補充冷水，這樣設(shè)置可使整個水箱可得到較高溫度。但當(dāng)補充冷水從頂部補進時，則溫度探頭設(shè)置在較高位置并靠近冷水進水口，使空氣源熱泵機組及時起動補充加熱。采用水溫保護更可靠安全。即落水式用水時，出水口不低于溫度探頭位置，溫度探頭稍高于空氣源熱泵機組循環(huán)出口，且在用水出水口

14、以下。從而，避免補水系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，因缺水導(dǎo)致溫度探頭離開水面，影響空氣源熱泵機組運行。在太陽能與空氣源熱泵機組結(jié)合供熱水中，空氣源熱泵機組的工作還應(yīng)有時間控制。即早上8：30至13：30，空氣源熱泵機組的工作應(yīng)轉(zhuǎn)由太陽能集熱器上集管中水的溫度來控制。這段時間內(nèi)，太陽能集熱器上集管中的水溫升高則空氣源熱泵機組不啟動，由太陽能熱水系統(tǒng)提供熱源，到13：30后，儲熱水箱中水溫達不到預(yù)設(shè)的溫度時啟動空氣源熱泵機組，及時加熱以保證17：30后供熱水。空氣源熱泵機組缺水保護用流量開關(guān)保護，安裝在其循- 95 -環(huán)管上。（2）水位自動控制，有機械式浮球閥和電子式液位控制器。其中機械式浮球閥水位控制，結(jié)構(gòu)簡

15、單，維修方便，適用于頂水用水；電子式液位控制器適用落式用水。水位控制系統(tǒng)應(yīng)保證空氣源熱泵機組起動前應(yīng)把水加滿水箱，或水箱水位達到預(yù)設(shè)的高水位。（3）太陽能系統(tǒng)循環(huán)控制，太陽能熱水系統(tǒng)運行方式有自然循環(huán)和溫差強迫循環(huán)。自然循環(huán)適用于小型的太陽能熱水系統(tǒng)，其水箱高于太陽能集熱器上集管，無需外部動力；溫差強迫循環(huán)控制，是當(dāng)太陽能集熱器出口水溫度高于水箱底部某一溫度時，自動控制器起動循環(huán)水泵，強迫太陽熱水系統(tǒng)的水循環(huán)。至于太陽熱水系統(tǒng)的其他循環(huán)都基于此循環(huán)基礎(chǔ)上加以改進。如定溫放水，當(dāng)集熱器出口水溫達到設(shè)定溫度時，打開電磁閥或水泵，冷水把太陽能集熱器的熱水頂出流進儲熱水箱中。（4）供水控制小型供熱水系

16、統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)為自然循環(huán)，水箱放置位置較高，一般無需回水系統(tǒng)及加壓。在中大型供熱水系統(tǒng)中，供熱水管道較長，用水量大，需要回水系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)。對于用熱水要求檔次較高的系統(tǒng)和全天候供熱水，采用定溫和流量開關(guān)控制的方式供水，在供水管道末端設(shè)置溫度探頭，其位置溫度降低到設(shè)定溫度下限時起動，自動控制器打開回水管上的電磁閥進行回水循環(huán)和供水泵，其位置溫度達到設(shè)定溫度上限時供水泵停止，電磁閥關(guān)閉，停止回水，以保護供熱水管道水溫達到要求。供水管道上，安裝流量開關(guān)，控制供水泵工作，當(dāng)用水時，流量開關(guān)打開，供熱水泵起動供水，無人用水時流量開關(guān)關(guān)閉，供熱水泵停止工作。也可采用溫度、壓力控制供水、回水，即在供水管末端設(shè)置溫度探頭，在回水管總管上安裝有電磁閥，供熱水管道上裝有壓力開關(guān)或壓力電接點。當(dāng)供水管溫度降低到設(shè)定溫度下限時，電磁閥打開，水流到儲熱水箱，供水管壓力下降時起動供水泵。供熱水管內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度上限時，電磁閥關(guān)閉，供水管壓力達到設(shè)定壓力上限時供熱水泵停止工作。在控制系統(tǒng)設(shè)計時，要先使供水泵停止，然后再停止電磁閥，以避免發(fā)生水錘現(xiàn)象，影響水泵。溫度、壓力控制供水回水系統(tǒng)中可先停止供水泵再延時啟動壓力開關(guān)控制系統(tǒng)。4 結(jié)束語綜上所述，太陽能與空氣源熱泵結(jié)合供熱水系統(tǒng)設(shè)計合理，使系統(tǒng)的經(jīng)濟性提高和保證熱水的供應(yīng)。空氣源熱泵機