太阳能与空气源热泵结合供热水系统设计问题研究

1、 太阳能与空气源热泵结合供热水系统设计问题研究廖乃雄（广西科学院应用物理研究所，广西 南宁 530003）【摘 要】文章介绍了太阳能和空气源热泵热水器系统供热水工程的设计方法，就如何提高太阳能热水系统热效率问题进行分析探讨，结合工程的实际情况和经验，提出了设计要点和注意问题。【关键词】太阳能；空气源热泵；热水系统 【中图分类号】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目前南方地区公寓楼、宾馆、招待所供热水很

3、多是采用太阳能与空气源热泵结合的供热水设备，或单独空气源热泵机组设备。在太阳能与空气源热泵结合的供热水系统中，太阳能热水系统、空气源热泵的选型、配置和系统连接是至关重要的，它关系到热水能否正常供应和热泵机组的正常运行，特别是在低温阴雨的极端天气下，完全由空气源热泵机组加热，要是配置过小，会造成热水供应不够，空气源热泵配置太大会造成浪费。如何能使太阳能热水系统与空气源热泵发挥其最佳节能效果，在设计上应考虑如下几个关键问题。表1 平均自来水温度可按下表选取地 区上海；浙江；江西；安徽；江苏；福建北部；湖南、湖北东部 重庆；贵州；四川；云南北部； 湖南、湖北西部、山西广东、广西、福建南部、云南南部地

4、面水温度） 5 7 1015地下水面积（） 1520 1520 20【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(201109-0093-032.2 太阳能集热面积的计算根据上述计算得的热负荷，可按下式计算出系统所需的太阳能热水器集热面积Ac。A c =fQ t c (1b 1 太阳能热水系统的设计方法与空气源热泵机组的配置计算太阳能热水系统的设计主要是根据系统热负荷和当地太阳辐射量确定采光面积。而空气源热泵机组的配置的确定是结合空气源热泵机组的热效率按电加热的计算方法确定。 1.1 热负荷计确定系统热负荷可由下式确定：Q=Cp M( Tn -Tw (单位：MJ 式中为平均用热水温度（）为

5、当地各季节平均自来水温度（）；M为热水用量kg；Cp 为水的定压比热容，C p =4.18kJ/（kg.K）。式中，t 为倾斜面上年平均日太阳辐射总量（MJ）；c为太阳集热器的平均集热效率；b 作为水箱与管路热损失率；为太阳能保证率。值可按下表选取。表2 不同地区太阳能保证率选值范围资源区划 资源丰富区 资源较丰富区 资源一般区 资源贫乏区太阳辐射量/MJ(a 6700 54006700 42005400 4200太阳能保证率60% 50%60% 40%50% 40%1.3 空气源热泵辅助配置计算辅助热源可按下式进行选择配置(1f QP=(1.101.20c【收稿日期】2011-06-29【作

6、者简介】廖乃雄（1964），男（壮族），广西南宁人，广西科学院应用物理研究所工程师。- 93 -式中，3.617为热功当量，MJ/kWh；为太阳能保证率，可根据表二选取；t为电加热补充加热时间，根据用户实际情况确定，为电加热器效率，亦即为空气源热泵机组热效c率。Q为热负荷，MJ。下面就加热时间t 和空气源热泵机组效率c 的选取进行分析研究。（1）空气源热泵机组热效率c 随着天气的变化也有区别，夏季热效率高，而冬季效率低，零下5以下时热效率很低，甚至结霜无法使用。在长江以北地区冬季无法使用。南方地区一般取300%计算比较合理。（2）选择合适的加热时间，对太阳能热水系统的热效率和空气源热泵机组的寿

7、命有直接的关系，加热时间太长会加快空气源热泵机组的机械磨损，各零部件的性能下降。空气源热泵机组的工作由储热水箱温度控制，而太阳能热水系统则在白天有太阳时才工作。根据F T f , i T aR ( e F R UL ,太阳能热水器系统工作时，太阳集热器的进水温度T f , i 越低，集热器瞬时效率越大，反之则越低。因此，太阳能与空气源热泵结合供热水不同于单纯的空气源热泵供热，空气热泵启动太早会对太阳能热水系统效率造成影响，热泵启动时间不够时，热水温度上不去。空气源热泵机组工作时间与配置功率的大小有着直接的关系，空气源配置功率大，加热时间短，空气源热泵可启动晚一些，太阳能热水系统的效率可提高。根

8、据用户用水时间和用水特点不同，空气源热泵机组启动辅助加热水间也不同。对于单纯的空气源热泵水系统，空气源热泵机组可小一些，相对加热时间可长些，只要满足到用水时间温度达到设定温度上限即可。而太阳能与空气源热泵结合的热水系统，空气源热泵启动太早对太阳能热水系统效率影响，尽可能减小太阳能热水系统的影响。一般情况下，应满足在12点以后启动至17点加热水温达到设计温度上限。对于全天候24小时供热水的系统，用户使用热水时间不定，要保持有热水储备，随时供用户使用。此类型一般设有一个储热水箱，采用恒温控制，空气源热泵机组启动是随机性的，当储热水箱水的温度低于设定温度下限启动，温度高于设定温度上限时停止。加热时间

9、随用户用水量的多少决定。例：热用量为10吨；热水温度55，17点30分集中用热水；太阳能保证率f 取50%；为了保证17点30分前水温达到要求，加热时间取5小时，即从12点开始热泵机组启动加热；空气源热泵机组热效率e =300%；热负荷Q=Cp M( Tn -=4.1810103（55-15）=1672MJ。P=(1.101.20(1f Q(10. 5 1672c =1.23. 61735=13.2(kw选型配置时选择15匹，即可。通过上述计算得出的空气源热泵后，根据各厂家的技术参数适当大于此数据，一般空气源热泵效率达300%400%，选型时要考虑阴雨天时满足供水需要。阴冷天气的热负荷大，空气

10、源热泵机组效率选择低值。2 系统连接设计为了使太阳能系统的高效率运行，充分利用太阳能加热水，当用户为全天候24小时供热水时，储热水箱要保持有热水存在，可把供热水系统的储热水箱分为太阳能热水箱1和空气源热泵机组的水箱2，将水箱1和水箱2串联。由于随时用热水，为了保证系统正常运行，采用顶水方式，如图1。太阳能热水系统和空气源热泵机组的循环水管，开口要偏低， 使水箱的冷热水有良好的分层。图 1图 2图 3图4用水时冷水补进水箱1底部，从水箱1出来后进入水箱2底部，从水箱2上部出热水。当太阳能加热的水箱1中的水温达到设定温度，空气源热泵机组不启动，水温达不到设- 94 -定温度下限时间，由空气源热泵机

11、组补充加热，使出水达到设定的热水温度。水箱容量可小些。上述系统的优点是，低温的水进入水箱底部，可使太阳能系统和空气源热泵机组的热效率提高，适用于太阳能热水系统自然循环、强制循环的全天候供热水系统。当用热水为定时供应热水时，系统连接如图2、图3。 图2，为大型系统，储热水箱数量在两个或两个以上，太阳能热水系统运行方式为温差强制循环。储热水箱用管径较大的水管将两水箱底部连在一起，太阳能集热器、空气源泵机组的循环进水管连接水箱1，循环出水管连接水箱2，比中间连管位置要高，在缺水时可保护太阳能热水系统和空气源热泵系统。用水时从水箱2出热水，冷水从水箱1补进。图3、图4为单水箱的连接系统，该系统为小型供

12、热水系统或较大型供热水系统只做一个水箱。太阳能热水系统运行方式可自然循环或温差强制循环。图3，用水方式为落水式，用热水的出水口不得低于太阳能热水系统和空气源热泵机组的进出水循环口；图4，用水方式为顶水式，即热水从水箱上部出水，冷水从水箱底部补进，更适用于自来水正常，全天候供热水的场合。3 自动控制系统设计在太阳能与空气源热泵供热水系统中，自动控制系统包括空气源热泵机组自动控制、水位自动控制、太阳能系统的循环控制、供热水的控制等。（1）空气源热泵机组自动控制的各种保护功能，厂家已设定好。设计供热水系统时，如何确定温度探头的位置，是关系到热水储量和空气源热泵起动的反应时间。温度探头一般设置在空气源

13、热泵机组的循环进水管与水箱连接的位置附近，可使整个箱水水温达到设定温度上限，保证有足够热水储备同时也可保证空气源热泵机组正常运行。对于顶水式用水系统，特别是在全天候供热水系统中，补充的冷水进到水箱底部时空气源热泵机组及时起动补充加热。这样，可防止短时用热水过大，而后加热时间不够，热水储量小现象。对于落水式用水，当补水方式用完热水后再补充冷水，这样设置可使整个水箱可得到较高温度。但当补充冷水从顶部补进时，则温度探头设置在较高位置并靠近冷水进水口，使空气源热泵机组及时起动补充加热。采用水温保护更可靠安全。即落水式用水时，出水口不低于温度探头位置，温度探头稍高于空气源热泵机组循环出口，且在用水出水口

14、以下。从而，避免补水系统出现故障后，因缺水导致温度探头离开水面，影响空气源热泵机组运行。在太阳能与空气源热泵机组结合供热水中，空气源热泵机组的工作还应有时间控制。即早上8：30至13：30，空气源热泵机组的工作应转由太阳能集热器上集管中水的温度来控制。这段时间内，太阳能集热器上集管中的水温升高则空气源热泵机组不启动，由太阳能热水系统提供热源，到13：30后，储热水箱中水温达不到预设的温度时启动空气源热泵机组，及时加热以保证17：30后供热水。空气源热泵机组缺水保护用流量开关保护，安装在其循- 95 -环管上。（2）水位自动控制，有机械式浮球阀和电子式液位控制器。其中机械式浮球阀水位控制，结构简

15、单，维修方便，适用于顶水用水；电子式液位控制器适用落式用水。水位控制系统应保证空气源热泵机组起动前应把水加满水箱，或水箱水位达到预设的高水位。（3）太阳能系统循环控制，太阳能热水系统运行方式有自然循环和温差强迫循环。自然循环适用于小型的太阳能热水系统，其水箱高于太阳能集热器上集管，无需外部动力；温差强迫循环控制，是当太阳能集热器出口水温度高于水箱底部某一温度时，自动控制器起动循环水泵，强迫太阳热水系统的水循环。至于太阳热水系统的其他循环都基于此循环基础上加以改进。如定温放水，当集热器出口水温达到设定温度时，打开电磁阀或水泵，冷水把太阳能集热器的热水顶出流进储热水箱中。（4）供水控制小型供热水系

16、统，太阳能系统为自然循环，水箱放置位置较高，一般无需回水系统及加压。在中大型供热水系统中，供热水管道较长，用水量大，需要回水系统和增压系统。对于用热水要求档次较高的系统和全天候供热水，采用定温和流量开关控制的方式供水，在供水管道末端设置温度探头，其位置温度降低到设定温度下限时起动，自动控制器打开回水管上的电磁阀进行回水循环和供水泵，其位置温度达到设定温度上限时供水泵停止，电磁阀关闭，停止回水，以保护供热水管道水温达到要求。供水管道上，安装流量开关，控制供水泵工作，当用水时，流量开关打开，供热水泵起动供水，无人用水时流量开关关闭，供热水泵停止工作。也可采用温度、压力控制供水、回水，即在供水管末端设置温度探头，在回水管总管上安装有电磁阀，供热水管道上装有压力开关或压力电接点。当供水管温度降低到设定温度下限时，电磁阀打开，水流到储热水箱，供水管压力下降时起动供水泵。供热水管内温度达到设定温度上限时，电磁阀关闭，供水管压力达到设定压力上限时供热水泵停止工作。在控制系统设计时，要先使供水泵停止，然后再停止电磁阀，以避免发生水锤现象，影响水泵。温度、压力控制供水回水系统中可先停止供水泵再延时启动压力开关控制系统。4 结束语综上所述，太阳能与空气源热泵结合供热水系统设计合理，使系统的经济性提高和保证热水的供应。空气源热泵机