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太阳能热泵中央热水系统

摘要： 太阳能中央热水系统通常采取多种能源锅炉作为辅助热源，本文提出了一个太阳能—热泵中央热水系统形式，介绍了其工作原理和各组成部分设计要求和工程应用实例。太阳能—热泵中央热水系统以太阳能辅助加热空气源热泵机组作为太阳能系统辅助热源，在北方严寒地域冬季运行可靠稳定，整年综合节能率85%以上，是一个实用环境保护节能技术，含有一定推广应用价值。
0 引言
    现在，越来越多住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所采取太阳能作为其中央热水系统关键热源。这些场所通常要求卫生热水在一定时间段内或全天二十四小时连续供给，为满足太阳能不足时用热需求，使太阳能集热系统投资愈加经济，通常采取电加热器或电锅炉、燃煤或燃油（气）锅炉、市政热力等作为太阳能中央热水系统辅助热源。
    热泵技术是一个新型节能制冷供热技术，长久以来关键应用于建筑物采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环境保护方面良好表现，卫生热水供给系统也越来越多采取热泵设备作为热源[2]。其中以室外空气为热源空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在卫生热水供给方面含有不可替换优势，除了比较大型空气源热泵热水系统外，现在已经有多个品牌小型家用空气源热泵热水器也投放市场。但空气源热泵一个关键缺点是供热能力和供热性能系数伴随室外气温降低而降低，所以它使用受到环境温度限制，通常适适用于最低温度-10℃以上地域[3]。
    将热泵技术和太阳能结合供给生活热水，中国外进行了很多这方面研究，关键有两种方法，一个是直接以空气源热泵作为太阳能系统辅助加热设备，另一个是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵蒸发器太阳能热泵系统。前者以太阳能直接加热为主以空气源热泵为辅，处理太阳能供热连续性问题，但依旧无法摆脱环境温度对热泵制热性能影响；后者完全以太阳能作为热泵热源，大大提升了太阳能利用效率，但太阳能资源不足时仍需要增加其它辅助热源，而且热泵供热能力受太阳能集热量限制，规模通常比较小。
    在大型太阳能中央热水系统中，空气源热泵无疑是一个比较理想辅助加热设备，为了改善空气源热泵在低温环境下制热运行性能，扩大它使用区域，结合中国外太阳能热泵研究中优异经验，我们研制了一个适合于低温环境中工作太阳能—热泵中央热水系统。该系统采取一个新型采取低温太阳能辅助空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和热泵互为辅助热源，最大程度利用太阳能，处理阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供给确保率，做到整年、全天候供给热水。
1 太阳能—热泵中央热水系统组成
1.1 太阳能—热泵中央热水系统基础组成
    太阳能—热泵中央热水系统关键组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其它辅助设备和常规中央热水系统相同，包含太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。图1所表示。

图1：太阳能—热泵中央热水系统示意图
1.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组
1.2.1 太阳能辅助加热空气源热泵机组工作原理
    为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠运行，中国外众多科研单位和生产企业进行了研发和改善，归纳起来关键有三种方法。一是依靠外界辅助热源来提升热泵低温制热性能，比如经过电加热提升热泵制热出水温度、采取燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等；二是经过改善制冷剂循环系统来提升热泵低温制热性能，比如采取双级压缩空气源热泵，设中间补气回路空气源热泵等；三是采取变频系统，低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以预防其过热，从而使热泵机组能够正常运行。
    太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一个方法而产生，图2所表示。在机组蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时，高于环境温度太阳能热水流经该辅助换热器，和将进入蒸发器室外空气进行热量交换提升其温度，从而使制冷剂在相对较高环境里蒸发吸热，提升了蒸发温度，改善了压缩机工作情况。

图2、太阳能辅助加热空气源热泵机组示意图
1.2.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组性能特点[7]
    和一般空气源热泵相比较，太阳能辅助加热空气源热泵机组在低温工况下运行含有以下多个显著特点：
（1）COP显著提升
    在一样环境温度下，太阳能辅助加热使制冷剂系统蒸发温度得以提升，机组制热性能系数较一般空气源热泵机组有了显著提升，热泵制热性能系数随蒸发温度改变情况图2所表示。
（2）预防蒸发器结霜，降低除霜时间
    因为辅助热源加热作用，提升了进入蒸发器空气温度，使其结霜可能性降低，这么就能够预防蒸发器表面结霜，使其保持较高换热效率，同时，机组化霜次数和时间也大大降低，能够节省大量电能，并确保热泵机组连续不间断运行。
（3）改善空调压缩机工作环境，延长机组使用寿命
    在环境温度较低时，空调压缩机压缩比急剧升高，压缩机排气温度常常会超出压缩机许可工作范围，从而造成压缩机频繁启停，无法正常工作，长此以往，将会损伤压缩机整体性能，降低空调设备使用寿命。经过太阳能作为辅助热源提升系统蒸发温度，间接改善了压缩机工作环境，不仅处理了压缩机在外界低温环境下不能正常工作问题，而且能够使整个热泵机组使用寿命有效延长。
1.2.3 太阳能辅助换热器设计
    辅助换热器在热泵蒸发器外侧，作为热泵机组一个部件和热泵机组同时设计生产，采取和蒸发器一样外型尺寸和材质翅片管换热器。辅助换热器换热面积、空气经过温升及其和热泵蒸发器间距应依据太阳能集热器能够提供辅助热量、太阳能水温、环境温度及热泵机组蒸发温度、排风量等参数进行设计计算。
1.3 太阳能集热器
    现在在太阳能热水工程中通常采取太阳能集热器关键有平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器五种[8]。对于整年使用比较大型太阳能中央热水系统，要求太阳能集热器应含有一定承压能力，比较高集热效率，比较小管道阻力，抗冻能力强，易于维护。在这多个太阳能集热器中，全玻璃真空管集热器即使热集热效率高，市场拥有率大，但因其不能承压运行，轻易冻裂，不宜用在大面积太阳能热水系统中，绝大部分全部被用作家用太阳能热水器集热部件。其它四种均为金属吸热体太阳能集热器，能够承压运行，适适用于在大型太阳能热水工程中应用。
    平板集热器是应用比较早一个太阳能集热装置，一直以来也是世界太阳能市场主导产品，广泛应用于多种低温热水加热领域，但伴随真空管太阳能集热器出现，受其本身结构局限，在集热效率上已不含有优势，因防冻问题和集热性能受季节和环境影响较大，现在关键在南方冬季气温较高地域应用，在北方严寒地域冬季运行效果欠佳，不推荐在大型热水工程中应用。
    U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器是在全玻璃真空管集热器基础上发展起来产品，三者共同特点全部含有比较高集热效率，以金属作为吸热体，能够承压运行，但从集热效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安装维护难度等方面进行综合评价，热管式真空管集热器是最适宜在中央热水供给系统中采取太阳能集热器类型，U型管式真空管集热器和直流式真空管集热器次之。热管式真空管集热器利用热管传热，干性连接，管内不走水，含有热容小、传热快、耐冰冻、耐热冲击、承压强、保温好、无渗漏、易维护等优点，U型管式真空管集热器和直流式集热器利用真空管内同心套管直接对工质加热，除了含有运行温度高、承压能力强和耐热冲击性能好等特点外，其集热效率高于其它形式集热器，而且能够水平安装，简化安装支架，降低安装场地面积，避免集热器影响建筑外观，在太阳能和建筑结合方面含有较强适应性，但其安装程序比热管式真空管集热器复杂，接口较多，运行中有漏水隐患，系统维护成本相对较高。
2 太阳能—热泵中央热水系统工作原理
    太阳能和太阳能辅助加热空气源热泵结合作为中央热水系统热源，其目标在于取长补短，使二者互为补充，互为备用，在日照充足时优先使用太阳能加热热水，利用太阳能集热器产生低温热水作为太阳能辅助加热空气源热泵辅助热源，从而改善热泵运行工况，提升其制热性能。这种组合形式，使二者均在相对比较稳定高效条件下工作，确保系统整年全天候卫生热水供给。空气源热泵制热过程本质上是对空气中蕴藏太阳热能提升利用，依据热泵工作特征，在整个热水系统运行过程中，热泵机组作为辅助热源运行所供给热量中，只有一小部分来自电能，所以太阳能—热泵中央热水系统大大提升了太阳能利用率，降低了对一次能源消耗。
    太阳能—热泵中央热水系统运行关键有以下四种工况：
（1）太阳能加热生活热水
    在大部分日照良好晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵工作由系统控制器依据太阳能集热器和热水箱温度进行控制，源源不停利用集热器采集热量经过中间换热器输送到热水箱。
（2）太阳能辅助热泵机组加热生活热水
    当阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于热水箱水温不足以直接加热生活热水时，热泵机组开启，利用空气作为热源加热热水箱内生活热水。在秋冬季节，当环境温度低于热泵经济运行温度时，热泵机组制热效率下降而且蒸发器表面结霜，此时，热泵辅助加热循环开启，高于环境温度低温太阳能热水进入热泵机组辅助换热器内，预热经过空气，使热泵效率提升，并切含有预防蒸发器结霜作用，能够节省热泵机组耗电量。
（3）太阳能和热泵机组同时加热生活热水
    在晴天日照良好时，假如热水系统耗热量大于太阳能集热系统有效供热量或太阳能集热器数量较少，不能满足热水系统用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。
（4）热泵机组直接加热生活热水
    在连续雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水箱加热。
3 太阳能—热泵中央热水系统设计
3.1 太阳能辅助加热空气源热泵机组功率确实定
    太阳能—热泵中央热水系统中，太阳能辅助加热空气源热泵机组在晴好天气作为太阳能集热系统辅助热源设备，在太阳能资源不足时或阴雨天气作为系统关键热源确保热水正常供给，所以其制热功率应根据整个热水系统设计热负荷进行确定。对于全日制中央热水系统，热泵机组功率根据热水系统设计小时热负荷确定，对于非全日制中央热水系统，热泵机组功率应依据最大用水量、热水箱容积、加热时间等参数进行确定，具体参见文件[9]。热泵机组额定制热功率大于中央热水系统设计负荷，在冬季比较严寒地域，可合适加大机组型号，使其尽可能在一天中气温比较高时段内运行，在较短时间内满足系统用热需求。
3.2太阳能集热器面积确实定
    太阳能—热泵中央热水系统中，太阳能集热器面积应以热水系统设计热负荷或依据实际情况确定太阳能供热量作为基础依据，并分析计算项目所在地单位面积太阳能集热器平均每日有效得热量，从而确定太阳能集热器安装面积。
    热水工程中，太阳能集热器通常是固定角度安装，其单位面积日有效得热量随季节改变和每日内太阳辐照强度改变，并不是一个固定值。其影响原因关键有集热器安装角度、系统运行工况、所在地气象参数和太阳辐照量等。不一样集热器类型含有不一样集热效率，其有效得热量也不一样，所以在实际应用中通常依据集热器生产厂家提供集热器集热效率等性能参数和太阳辐照资料进行分析计算，取整年平均值。
3.3 太阳能集热系统形式
    对于太阳能—热泵中央热水系统，太阳能集热系统既作为热水加热关键热源又作为热泵机组辅助热源，而且应能承受较低环境温度，所以应采取闭式系统，系统循环工质采取防冻液溶液。
4 太阳能—热泵中央热水系统实用意义
4.1 运行可靠性分析
    作为太阳能—热泵中央热水系统关键组成部分，太阳能和空气源热泵全部是技术成熟节能环境保护产品。太阳能在生活热水系统中规模化利用已经有20余年历史，空气源热泵大量应用也有数十年历史[10]，太阳能热泵中央热水系统将太阳能和空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功效条件下，使其运行效率显著提升，从而能够确保系统稳定可靠运行，节省热水系统常规能源消耗。
4.2 节能效益分析
    依据中国北方大部分地域太阳辐照资料，根据卫生热水系统平均耗热量和太阳能集热器日平均得热量确定太阳能热水系统集热器面积，太阳能—热泵中央热水系统中，太阳能直接加热可满足热水系统整年60—80%热量需求， 其它20—40%热量由太阳能辅助加热空气源热泵机组供给，热泵平均COP可达3.0，即其所供给热量有65%以上来自集热器不能直接利用太阳能和空气热能。在整个系统运行中，集热器吸收太阳能利用率靠近100%，辅助加热电力消耗只占系统总能耗7—14%，较常规能源热水系统可最少节能85%以上。
    经过上述分析可见，太阳能—热泵中央热水系统是一个性能可靠，环境保护节能热水系统形式，该系统只使用太阳能及少许电能，对环境没有任何污染。在白天最低温度-15℃以上、太阳辐照良好中国大部分地域全部可推广应用。统和热水供给，冬天采暖运行时节省常规能源60%以上，在中国大部分冬冷夏热地域，本系统也可和建筑物采暖空调系统结合，发挥最大节能作用。
5、项目应用
    ，太阳能—热泵中央热水系统作为中国科学院奥运科技项目课题“奥运村及奥运场馆太阳能热泵中央热水系统示范研究”（课题编号KACX1-09，负担单位：中科院广州能源研究所）项目标关键研究内容，在北京月坛体育中心综合训练馆一示范工程，关键功效为集中生活热水供给，富裕热量为泳池辅助加热。该工程屋顶水平安装采800m2直流式真空管太阳能集热器，太阳能辅助加热空气源热泵机组输出功率300kW。12月调试完成进入试运行阶段，依据初步测试资料，系统在冬季晴天太阳能集热系统可满足系统90%左右设计供热量，阴雨天气热泵机组平稳运行，利用10℃左右低温太阳能热水热泵辅助热源，制热性能有显著提升。依据北京地域气象条件和太阳辐照资料，该系统年综合节能率可实现预期90%以上目标。