太陽能熱泵工作原理及深度技術(shù)分析

　　在大部分日照良好的晴天，系統(tǒng)按此工況工作，此時太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽能集熱器和熱水箱的溫度進行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量通過中間換熱器輸送到熱水箱。

　?。?）太陽能輔助熱泵機組加熱生活熱水

　　當陰天或多云天氣，當太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫不足以直接加熱生活熱水時，熱泵機組啟動，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內(nèi)生活熱水。在秋冬季節(jié)，當環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟運行溫度時，熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時，熱泵輔助加熱循環(huán)啟動，高于環(huán)境溫度的低溫太陽能熱水進入熱泵機組輔助換熱器內(nèi)，預(yù)熱通過的空氣，使熱泵效率提高，并切具有防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用，可以節(jié)約熱泵機組的耗電量。

　?。?）太陽能和熱泵機組同時加熱生活熱水

　　在晴天日照良好時，如果熱水系統(tǒng)的耗熱量大于太陽能集熱系統(tǒng)的有效供熱量或太陽能集熱器的數(shù)量較少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統(tǒng)供熱。

　?。?）熱泵機組直接加熱生活熱水

　　在連續(xù)的雨雪天氣，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供。此時，太陽能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，熱泵機組單獨工作對熱水箱加熱。

　　3、太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)設(shè)計

　　太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組在晴好天氣作為太陽能集熱系統(tǒng)的輔助熱源設(shè)備，在太陽能資源不足時或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源保證熱水的正常供應(yīng)，所以其制熱功率應(yīng)按照整個熱水系統(tǒng)的設(shè)計熱負荷進行確定。對于全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機組功率按照熱水系統(tǒng)設(shè)計小時熱負荷確定，對于非全日制中央熱水系統(tǒng)，熱泵機組的功率應(yīng)根據(jù)最大用水量、熱水箱容積、加熱時間等參數(shù)進行確定，具體參見文獻［9］。熱泵機組的額定制熱功率不小于中央熱水系統(tǒng)的設(shè)計負荷，在冬季比較寒冷的地區(qū)，可適當加大機組的型號，使其盡量在一天中氣溫比較高的時段內(nèi)運行，在較短的時間內(nèi)滿足系統(tǒng)的用熱需求。

　　太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽能集熱器的面積應(yīng)以熱水系統(tǒng)的設(shè)計熱負荷或根據(jù)實際情況確定的太陽能供熱量作為基本依據(jù)，并分析計算項目所在地單位面積的太陽能集熱器平均每日有效得熱量，從而確定太陽能集熱器的安裝面積。

　　熱水工程中，太陽能集熱器一般是固定角度安裝，其單位面積日有效得熱量隨季節(jié)的變化和每日內(nèi)太陽輻照強度的變化，并不是一個固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統(tǒng)運行工況、所在地氣象參數(shù)和太陽輻照量等。不同的集熱器類型具有不同的集熱效率，其有效得熱量也不同，所以在實際應(yīng)用中一般根據(jù)集熱器生產(chǎn)廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數(shù)和太陽輻照資料進行分析計算，取全年平均值。

　　對于太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)既作為熱水加熱的主要熱源又作為熱泵機組的輔助熱源，并且應(yīng)能承受較低的環(huán)境溫度，所以應(yīng)采用閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)采用防凍液溶液。

　　4、太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的實用意義

　　作為太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)的主要組成部分，太陽能和空氣源熱泵都是技術(shù)成熟的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)?；靡延?0余年的歷史，空氣源熱泵的大量應(yīng)用也有數(shù)十年的歷史［10］，太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)將太陽能與空氣源熱泵技術(shù)有機結(jié)合，在不影響二者原有運行功能的條件下，使其運行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)能源消耗。

　　根據(jù)我國北方大部分地區(qū)的太陽輻照資料，按照衛(wèi)生熱水系統(tǒng)平均耗熱量和太陽能集熱器日平均得熱量確定太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器面積，太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)中，太陽能直接加熱可滿足熱水系統(tǒng)全年60—80%的熱量需求，其余20—40%熱量由太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組供應(yīng)，熱泵平均COP可達3.0，即其所供應(yīng)熱量有65%以上來自集熱器不能直接利用的太陽能和空氣熱能。在整個系統(tǒng)運行中，集熱器吸收的太陽能的利用率接近100%，輔助加熱的電力消耗只占系統(tǒng)總能耗的7—14%，較常規(guī)能源的熱水系統(tǒng)可至少節(jié)能85%以上。

　　通過上述分析可見，太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)是一種性能可靠，環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽能及少量的電能，對環(huán)境沒有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽輻照良好的我國大部分地區(qū)都可推廣應(yīng)用。統(tǒng)和熱水供應(yīng)，冬天采暖運行時節(jié)約常規(guī)能源60%以上，在我國大部分冬冷夏熱地區(qū)，本系統(tǒng)也可與建筑物采暖空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮最大的節(jié)能作用。

　　5、項目應(yīng)用

　　2004年，太陽能—熱泵中央熱水系統(tǒng)作為中國科學(xué)院奧運科技項目課題“奧運村及奧運場館太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)示范研究”項目的主要研究內(nèi)容，在北京月壇體育中心綜合訓(xùn)練館一示范工程，主要功能為集中生活熱水供應(yīng)，富裕熱量為泳池輔助加熱。該工程屋頂水平安裝采800m2直流式真空管太陽能集熱器，太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組輸出功率300kW。2004年12月調(diào)試完畢進入試運行階段，根據(jù)初步測試資料，系統(tǒng)在冬季晴天太陽能集熱系統(tǒng)可滿足系統(tǒng)90%左右的設(shè)計供熱量，陰雨天氣熱泵機組平穩(wěn)運行，利用10℃左右的低溫太陽能熱水熱泵輔助熱源，制熱性能有明顯提高。根據(jù)北京地區(qū)的氣象條件和太陽輻照資料，該系統(tǒng)年綜合節(jié)能率可實現(xiàn)預(yù)期的90%以上的目標。