空气太阳能 [案例] 太阳能与空气源热泵互补应用

一.导言

由于我国太阳能资源丰富，年日照时间2500小时的地区占全国陆地面积的2/3以上，有的地区高达3000小时，开发利用太阳能的潜力很大。在能源危机和环境污染的双重压力下，太阳能逐渐成为可再生能源中最引人注目、研究开发最多、应用最广泛的清洁能源。在太阳能技术的研究和利用中，太阳能热水系统是太阳能利用中最成熟、最经济的利用方式，也是目前最具经济竞争力的绿色能源技术。随着能源的日益短缺，人们的节能意识逐渐增强。近年来，国家和地方政府出台了相应的政策法规，鼓励或规定建筑优先采用太阳能热水系统。空空气源热泵技术也是一种很好的节能供热技术，它利用少量的高级电能作为驱动能量，从低温热源空气体中高效吸收低级热能，并将其传递给高温热源，达到供热的目的。随着家用热水需求的不断增加，间歇式太阳能难以满足全天候供暖。要解决这个问题，热泵技术和太阳能利用相结合无疑是一个很好的选择。

二、空空气源热泵技术

所谓热泵，就是电能驱动的装置，迫使热量从低位热源流向高位热源。也就是说，热泵可以转换低品位热能不能直接利用为可利用的高级能源，从而达到节约部分高级能源的目的。).在当今世界，化石能源逐渐短缺，环境问题日益严重，利用低能耗的热泵技术引起了人们的关注和重视。

空空气源热泵历史最长的是压缩式空，可以追溯到18世纪初。卡诺循环在1824年的发表为热泵研究奠定了基础。空空气源热泵热水机组在我国的制造、推广和使用只是近十年的事情，但与传统的热水生产设备相比，它具有高效、节能、环保、安全、智能控制、不占用永久性建筑等优点，越来越受到市场的关注空。热泵热水机组使用清洁可再生的原材料作为能源，既不使用也不产生对人体有害的气体，同时减少温室效应和空气污染。目前，在我国电力资源短缺的前提下，利用热泵热水机组生产热水，可以用最小的电力投入获得最大的供热效益。

热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的。热泵热水机组工作时，蒸发器吸收环境热能，压缩机吸入常温低压的介质气体，经压缩机压缩成为高温高压气体，输送到冷凝器。高温高压气体在冷凝器中放热产生热水，热水冷凝成低温高压液体。低温低压液体经膨胀阀节流后进入蒸发器蒸发。低温低压液体在蒸发器中吸收外界环境的热量，蒸发成低温低压气体。蒸发产生的气体再次被吸入压缩机，开始另一轮同样的工作过程。这个循环是连续的、重复的，从而达到连续加热的目的。

空空气源热泵工作示意图

三、太阳能与空空气源热泵的组合技术

3.1太阳能热泵技术

太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统。它将热泵技术和太阳能热利用技术有机地结合起来，可以同时提高太阳能集热器的效率和热泵系统的性能。

太阳能热泵技术是原热泵技术、太阳能光热和光伏技术的有机结合，可以通过热泵的形式提高能源利用效率。而且太阳能作为辅助热源，可以有效避免室外空空气源热泵在温度过低时带来的制热能力和性能系数较低的问题，提高热泵对使用环境的适应性。

3.2太阳能与空空气源热泵互补热利用技术

传统的太阳能热水系统容易受到气候的影响。在雨天或春秋两季，太阳能辐射能量和热量较少，难以满足热水需求，不能一直使用，也影响了太阳能热水系统的推广应用。空空气源热泵作为一种节能设备，具有独特的优势，可以节约高档电能，降低化石能源消耗，减少环境污染。空空气源热泵是以空气体为热源，通过输入少量的高级能，将低级热能转换为高级热能的热泵系统。空空气源热泵通过压缩机压缩，可以将数倍的低温热能转化为高温热能。因此，将热泵技术与太阳能热水系统相结合，可以弥补雨天太阳能的不足。太阳能热水系统和热泵互补系统结合了太阳能的清洁性和可再生性以及空空气源热泵的节能性，是一种节能无污染的高效能源利用系统。

太阳能与热泵结合的工作模式有两种:一是以太阳能采暖为主，以空燃气能源热泵采暖为辅，但前提是建筑允许放置安装面积足够的太阳能集热板；第二，空以燃气能源热泵为主，太阳能供热为辅的供热方式。这种模式是使空气能热泵在低温下高效、稳定、可靠地运行，利用太阳能作为其辅助热源或直接加热热水箱中的水或提供预热。

四、应用案例分析

4.1项目概述

4.1.1项目名称:浙江大学附属中学

4.1.2项目地点:杭州市江干区丁桥镇丁琳路

4.1.3建筑性质和形式:两栋五层学生公寓；两层小卖部，一栋楼。学校主要建筑包括教学辅助建筑、办公楼及生活服务建筑、地下停车库及地下建筑、体育场馆等。总建筑面积8.45万平方米，其中地上5.5万平方米，地下2.95万平方米，总投资4.985亿元。

4.1.4热水用量:男女宿舍楼20吨55度热水，食堂20吨55度热水。

4.1.5热水的使用:每个宿舍都有一个淋浴房，用于淋浴、洗手、洗脸，用磁卡表计量。食堂有员工淋浴房，用于食堂淋浴和洗碗，用磁卡表计量。

4.1.6局部太阳辐射:1163 ~ 1393 kwh/m2 a。

4.1.7当地气候条件:年日照时数1400 ~ 2200小时，月平均气温见表1-1

月

月平均温度

月

月平均温度

月

月平均温度

一月

6.4

五月

22.7

九月

25.6

二月

5.9

六月

26.3

十月

21.1

三月

12.3

七月

30.5

十一月（November的缩写）

14.2

四月

17.6

八月

29.5

十二月

10.4

表1-1

4.1.8建设单位:杭州教育资产运营管理中心

4.1.9设计师:杭州普桑能源科技有限公司

4.1.10建设单位:杭州普桑能源科技有限公司

4.2系统介绍

4.2.1系统原理简介

本工程男女宿舍楼设置独立的集中生活热水供应系统，食堂设置独立的集中生活热水供应系统。太阳能辅助空空气源热泵24小时集中供应热水。制备热水的水源为市政自来水，太阳能集热系统采用温差循环加热方式，冷水经太阳能集热器预热后储存在20m3的集热循环水箱中。使用热水时，A水箱的热水通过自来水的压力输送到生活热水水箱，控制系统随时感应生活热水水箱的温度。当未达到设定温度时，空空气源热泵对生活热水罐进行加热，使生活热水罐始终保持55的恒温，保证24小时的热水需求。自来水的补给水设置在A槽，太阳能预热水通过自来水的压力输送到B槽。热水管道末端设置有感温点。当温度低于设定温度时，回水泵工作，确保水阀打开。控制系统采用杭州普桑能源科技有限公司设计开发的可编程序控制器计算机控制系统，实现太阳能与热泵互补系统的智能全自动运行。

4.2.2辅助热源形式

辅助热源采用四季木格高效节能低温型空空气源热泵，男女宿舍及食堂使用2台25马力空空气源热泵，共计6台25马力空空气源热泵。

4.2.3太阳能集热器形式和集热器面积的计算

全玻璃真空管集热器用于集中集热。根据GB 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》和太阳能集热器总面积计算公式，计算出总面积=697.7㎡。

因此，所需太阳能总面积为697.7㎡，但由于屋顶面积有限，每个太阳能集热系统的集热面积为250平方米。男女宿舍楼太阳能集热器分别安装在宿舍楼顶，食堂太阳能集热器安装在食堂楼顶。

4.2.4系统设备配置

每个太阳能热水系统配有250平方米的太阳能集热器、两台25匹低温空空气源热泵、两台20吨卧式封闭水箱和一套PLC计算机控制系统。

1800

符合国家标准

盖玻片长度

58

符合国家标准

壁厚

1.5/1.6

优于国标

膨胀系数

3.3×10-6

优于国标

盖玻片的透光率

≥0.95

优于国标

减震器

溅射分级铝-氮/铝

优于国标

太阳吸收率

≥0.96

优于国标

排放比率

≤0.05

优于国标

真空度

≤5×10-2Pa

优于国标

空曝晒

≥250℃

优于国标

平均热损失系数

≤0.52瓦/㎡℃

优于国标

防冰雹

25毫米直径的冰雹冲击，无损伤

优于国标

耐压能力

≥0.6——0.8兆帕

优于国标

表1-2

b、太阳能集热器性能规格参数

项目名

指数

国家标准

注意

模型

58×1800

符合国家标准

True 空管道计数

50

符合国家标准

收集器接口

DN25

优于国标

隔热

固化聚氨酯

优于国标

压力下

0.6公斤/㎡

0.5公斤/㎡

优于国标

占地面积

2000×3800

优于国标

团结

箱

参加

数

衬里材料

0.8毫米厚304/2B食品级不锈钢

优于国标

外皮材料

采用优质不锈钢制成，耐腐蚀，使用寿命长

优于国标

隔热

进口高压发泡机，无氟聚氨酯泡沫保温，发泡均匀，闭孔率98%以上，保温性能好

优于国标

表1-3

94.8

额定功率

23.5

固定电流

30.11

供热能力

2040

最大输入功率

34.3

最大输入电流

五十二

电源规格

380V3N~50/60Hz

制冷剂类型

R22

出水温度℃

55度

进水管直径

DN50

出水管直径

DN50

循环水管长度

DN50

水系统的最大压力

五

压缩机

高效涡流型

室外风扇的风向

逆风

单位宽度×高度×深度

2009×1162×2025

单位重量

760

工作噪声分贝

60

表1-4

热水储罐

项目名

技术参数

外形尺寸

φ2300x4800x5mm

木材组织

304食品级不锈钢

衬里厚度

5毫米厚的304不锈钢

隔热

50毫米橡胶棉

外保护层

0.5毫米铝板

量

20立方米

港市

DN100法兰

工作压力Mpa

三

设计压力Mpa

10

工作温度℃

0-100

最高设计温度℃

150

媒介

水

腐蚀裕量毫米

0

焊接接头系数

0.97

坦克形状

水平、圆柱形

表1-5

控制系统

该项目的关键技术在于采用计算机智能控制技术。杭州普桑能源科技有限公司的电气工程师将把影响太阳能热水系统运行的所有因素转换成计算机能识别的信号并输入计算机，把太阳能热水系统在各种情况下应采取的所有可能的情况和操作指令编制成计算机程序并输入计算机。这样，计算机就会根据太阳能热水系统的实际运行情况，自动进行分析、判断和处理，自动做出正确的判断和指令，从而充分利用太阳能，实现热水供应系统的智能化、自动化运行。

项目名

技术参数

输入电源

380伏/50赫兹

控制器

德国西门子可编程控制器

无负载设备功耗

& lt6W

温度测量范围

0~99℃

温度测量精度

1℃

泄漏作用电流

30mA/0.1S

外形尺寸

800毫米×600毫米×200毫米

安装位置

室内

安装允许环境温度

>。0 ℃

安装允许的环境湿度

& lt85%

强函数

温差循环、防冻循环、恒温循环、一用一备自动转换、水温水位显示、手动自动转换、定时、高温保护等功能

特定功能

故障报警功能、远程监控功能和断电保持功能

安全保护功能

系统配有四种保护:短路、过流、漏电和过热

表1-6

4.2.5与建筑物的结合

学生宿舍楼和食堂的平屋顶安装太阳能集热器，屋顶标高分别为25m和12m。真空管与地面的夹角为20度，排列成行。支架采用热镀锌材料，美观整洁，与建筑完美融合。

4.2.6供水温度

该系统采用24小时热水供应，热水温度控制在55-60度。

4.2.7系统特性

太阳能供热系统和辅助热泵供热系统采用闭式系统，全玻璃真空空管集热器为无约束集热器，通过板式换热器与承压水箱进行热交换。

与建筑的融合。太阳能系统整体设计占用空紧凑的屋顶面积。给周围环境增添活力，画龙点睛。绿色能源融入和谐的人文环境。

太阳系安全可靠。充分考虑防风、防雷、防冻、防雹、防漏电、防高温，确保太阳能系统安全可靠运行。

系统配有太阳能热水储水箱和恒温水箱，既解决了屋面承载力小的缺点，又充分利用了太阳能，降低了常规能源的消耗。

电脑智能控制，全自动操作。控制系统将太阳能热水系统运行管理的所有参数编制成计算机程序，通过计算机控制器，真正实现太阳能系统的自动化智能运行和24小时热水供应。

设计了手动和紧急操作功能。系统的自动运行可以与手动操作功能自由转换，系统循环泵和辅助加热设备可以根据需要手动操作，真正体现了人性化的操作界面。

热水供应主管为恒温循环，使用热水时无需释放大量冷水，保证了用户的满意度和舒适度。

采用进口恒温阀控制热水温度，防止学生烫伤。

采用自动红外感应淋浴喷头，节约水资源。

动词 （verb的缩写）结论

太阳能与空空气源热泵互补利用技术是太阳能热利用技术与热泵技术的有机结合，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布局灵活、一机多用、应用范围广等优点。，可以更好的解决“太阳能与建筑一体化”和“全天候”的问题。太阳能和热泵互补热利用技术将在太阳能利用中发挥重要作用，具有广阔的发展前景。中国正在经历城市化进程，绿色环保理念越来越普及，其节能减排的意义将是不可估量的。太阳能与空空气源热泵互补利用技术必将有广阔的市场前景。

作者简介

杭州普桑能源科技有限公司技术总监、高级工程师袁新玉是杭州的评标专家。曾参与多个国家重点项目的太阳能采暖、空燃气能源采暖及热水系统设计。