太阳能空气源热泵集成热水系统探究

摘要：本文集中探讨了太阳能利用领域中的太阳能空气源热泵集成热水系统，通过对它的构成及优缺点的讨论，总结出不同分类系统情况的适用环境。

 

关键词：太阳能；空气源热泵；热水系统

 

 

太阳能的收集与利用在化石能源危机日益严重的二十一世纪吸引了全球能源领域的从业人员的眼球。在诸多新型能源形式中，太阳能作为人工利用自然资源最理想的新型能源的来源之一具有廉价安全绿色等特点。本文以作者多年的一线工作经验为技术基础、以大量文献阅读为理论基础，对太阳能空气源热泵集成热水系统(以下简称为该热水系统)进行论述，对该热水系统实现形式和部件的优缺点进行了系统全面的分析。

 

1.太阳能空气源热泵集成热水系统概述

 

目前对该热水系统定义众多，各有侧重点，本文认为比较准确概括该热水系统特点的定义为：一种收集和直接转化太阳能的系统与空气源热泵整合后联动运行的系统，该热水系统将太阳能转化为相对集中的热量并运用这个热量对水进行加热的系统。该热水系统通常由太阳能空气源热泵、太阳能集热器、集热水箱、蓄热容器、蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀等部件构成。而该热水系统中最重要的两个组成部分为空气源热泵、太阳能集热器。

 

1．1太阳能空气源热泵

 

本文讨论的太阳能空气源热泵主要是指蒸汽压缩式热泵，其中空气压缩机、冷凝器、导热介质蒸发器和节流阀是蒸汽压缩式热泵四个主要组成部件。在这些部件当中空气压缩机是太阳能空气源热泵的核心部件，在太阳能空气源热泵工作中起到压缩空气和输送热量的作用。冷凝器的主要作用则是将导热介质蒸发器吸收的热量和空气压缩机消耗电能所转化的热量一并输送给供热对象(通常指的是家庭和集体日常用水)；导热介质蒸发器在整个热泵工作过程中起到输入热量的作用，实现了热量由低温热源向高温热源输送热量的非自发过程；节流阀主要是对导热介质的流动进行节流降压和调节导热介质循环流量。空气源热泵在太阳能空气源热泵集成热水系统的整个工作过程中要经过空气压缩、蒸汽冷凝、导热介质节流、导热介质汽化四个过程，上四个转化过程实现了该热水系统的全部功能。如果以上四个过程连续不断形成有效循环，便实可现连续供热。而对于该热水系统而言，其工作过程受天气的影响很大，这个影响主要体现在：在晴天的工作过程中，太阳辐射的热量大，一部分热量由太阳能集热器产生，另一部分热量由空气源热泵机组辅助生成。但当天气转为阴雨天气时，太阳辐射量急剧减少，该热水系统所需热水的热量将全部由空气源热泵消耗电能转化供给。此种工作机制，有效保证了该热水系统运行的稳定性和连续性。

 

关于日加热总容量的计算，可以通过相关公式计算。在日加热总容量计算出来以后，我们能直观地看出该热水系统的日运行时长与每小时的加热容量成反相关关系。而对于任何一个机械设施而言，工作时长直接影响着系统使用寿命。所以在确定该热水系统的日运行时长时，应当将系统寿命、消耗的人力物力财力等因素考虑在内，从而选出最优日运行时长(一般为10小时)。这也成为该热水系统工作流程安排中的最大难点。

 

1．2太阳能集热器

 

太阳能集热器是该热水系统中太阳能的直接转化装置。根据传热介质的不同我们可以将太阳能集热器分为两大类：液体传热介质太阳能集热器和气体传热介质太阳能集热器。从目前市面上流通情况看，我国应用最为普遍的集热器类型为液体传热介质集热器，而液体传热介质集热器又可分为两大类：平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。

 

2.太阳能空气源热泵集成热水系统的分类

 

2．1按连接方式划分

 

传统串联式热水系统集热器与热泵蒸发器之间是前后依次串联式连接。该集热器通过储热器实现热量的交换，通过冷凝的方式将热量传递给热水系统热量转化终端。直连膨胀式集热器承担着热泵蒸发器的功能。此类集热器结构简单、性能良好、易于搭建，是目前市面上应用最广泛的太阳能直接转化装置。

 

并联式系统是将集热器和热泵系统以并联的方式的连接，两个部件各是互不影响的，在功能上都能够实现对日常用水加热的目的。当太阳辐射达到一定强度时(一般可认为是晴天)，只有太阳能集热器输送热量。若太阳辐射不强(一般可认为是阴雨天气)，热泵系统或两个系统交替进行热量输送。

 

混合连接系统(双热源系统)主要是指该热水系统具有两个或以上的传热介质蒸发器，一个以大气为热源，另一个以被太阳能加热过的传热介质为热源。在太阳辐射强度足够大的情况下，该热水系统只开启太阳能集热系统进行热量输送；而在太阳辐射强度很小的情况下，该热水系统单独运行空气源热泵进行热量输送。当太阳辐射强度中等时，空气源热泵一般是处于停止状态，而太阳能集热系统却能输送热量。

 

2．2按功能类型划分

 

2．2．1分时段供应热水系统

 

分时段供应热水系统的加热方式主要有两种：定温加热和恒温加热。对于定温加热热水系统来说，空气源热泵系统充当辅助加热的热源。在太阳光高强度照射时，只有集热器工作，空气源热泵处于停止状态。当太阳辐射强度低，或水位过低、集热器内水温达不到55℃时，至气源热泵开始工作。由于该系统工作时段有限制，只能限时提供热水，因此适用于学校等对热水使用时间要求较低的场所。

 

而对于温差加热热水系统，当集热器可产生所需热水时，空气源热泵要在当天的晚间准备好明日早晨所需的最低热水量。当集热器因天气缘故无法满足热水需求时，空气源热泵将承担热水供应。由于该系统工作时间不分昼夜，因而适用范围较广。

 

2．2．2不间断供应热水系统

 

不问断供应热水系统也存在定温加热和温差加热两种方式，与分时段供应热水系统不同的是该热时系统增加了恒温箱。在该热水系统中，空气源热泵的使用一般被安排在晚上，白天则由集热器进行热量输送。该系统的特点具体体现在流程清晰、热水量有保证、水温稳定、可连续供水、投资少、节能，因此适用于任何需要连续供应热水的场所。

 

3.结语

 

本文作者通过研究与分析，对太阳能空气源热泵集成热水系统的结构、分类以及应用前景进行了探讨。对于不同建筑太阳能空气源热泵热水系统的选择提出了一种判断视角，进一步完善了太阳能空气源热泵热水系统在实际运用过程中的理论实践。

 

参考文献

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[4]高维庭．“太阳能集热器+空气源热泵热水机”热水系统问题及对策[A]．绿色设计创新实践——第5届全国建筑环境与设备技术交流大会文集[c]．2o13．