空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省的應用分析

河南省工業(yè)情報標準信息中心 劉大可

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省的應用分析

河南省工業(yè)情報標準信息中心 劉大可

能源是國家的重要戰(zhàn)略經濟資源，也是綜合國力的重要組成部分。隨著人民生活水平的提高，能源緊缺的問題也日益顯現，節(jié)能減排已成為我國經濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當前一項極其緊迫的任務。在城鎮(zhèn)化進程中，賓館、醫(yī)院、學校、酒店、美容美發(fā)等服務行業(yè)發(fā)展迅猛，這些行業(yè)熱水的耗能很大。為了盡可能地減少耗能，提高效益，本文，筆者在收集分析相關資料和調研的基礎上，結合河南省的氣候特點，選擇節(jié)能效果較好的新型空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)進行分析，對其應用進行了探討并提出建議。

一、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的原理

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是將空氣源熱泵機組和太陽能熱水裝置兩種高效熱水設備有機組合在一起，通過精確的智能控制系統(tǒng)，在光照充足的情況下利用太陽能加熱，在太陽能不足時開啟空氣源熱泵熱水機組，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電熱管對水加熱到所需規(guī)定的溫度，以滿足不同用戶的需求。該系統(tǒng)同時具備了環(huán)保節(jié)能和運行穩(wěn)定的功能，既保證了熱水溫度又降低了運行成本，具有應用推廣價值。

1.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的構成。空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)主要有3部分構成：即太陽能熱水裝置、空氣源熱泵熱水機組、控制器部分。另外有熱水保溫水箱、連接管道等輔助部分。

（1）太陽能熱水裝置。其主要部件為太陽能集熱器，即利用太陽能加熱水溫的熱水器。它的最大優(yōu)勢是在日照充足的條件下，整個體系運行成本幾乎為零，而且使用維護簡單、壽命長、節(jié)能、安全，這也是目前在太陽能比較豐富的地區(qū)應用廣泛且作為主要能源的重要原因。其缺點是：當天氣條件不利（如光照不足、夜間等情況）或者屋面可放置集熱器的面積有限時，不能保證用戶所需的熱水溫度，此時必需用電輔助加熱，但耗能會大大增加。

（2）空氣源熱泵熱水機組。該機組是一種利用電動機驅動，采用蒸汽壓縮循環(huán)，將低溫熱源（空氣或水）的熱量轉移到較高溫的被加熱水中，來制取生活熱水和采暖熱水的新型設備。空氣源熱泵熱水機組作為高效集熱并轉移熱量的裝置，可以將低溫熱能向高溫熱能轉移。它的最大優(yōu)勢是只要室外環(huán)境溫度在機組運行范圍內（-10～50℃）就可以全天候直供熱水，彌補了太陽能熱水裝置本身存在的缺陷，節(jié)約了用電。

（3）控制器部分。該部分主要有溫度傳感器、壓力控制器、恒溫控制器、電磁閥、電子控制芯片等組成，用來自動調節(jié)熱水達到所需溫度。

2.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的控制原理。空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)如圖1所示。太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器控制，當中央控制器檢測到太陽能熱水單元出水口熱水溫度達到要求時，關閉空氣源熱泵機組并開啟閥門，使熱水進入熱水水箱；當中央控制器檢測到熱水達不到要求的溫度時，啟動空氣源熱泵，使熱水同時進入熱水水箱，以保證熱水箱水溫達到用戶的要求。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)主要在4種情況下運行。

（1）太陽能直接加熱，根據太陽能集熱器和熱水箱的溫度進行控制，利用集熱器采集的熱量通過中間換熱器輸送到熱水箱。

（2）陰天或多云天氣，當太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫時，熱泵機組啟動，利用空氣作為熱源加熱熱水箱內熱水。在秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低于熱泵的經濟運行溫度，熱泵機組的制熱效率下降且蒸發(fā)器表面結霜，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，預熱了所通過的空氣，使熱泵效率提高，防止蒸發(fā)器結霜，節(jié)約了熱泵機組的耗電量。

（3）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的有效供熱量或太陽能集熱器的數量較少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽能熱水裝置和熱泵機組同時工作向熱水系統(tǒng)供熱。

（4）連續(xù)雨雪天氣，空氣源熱泵機組直接加熱，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供，太陽能熱水裝置處于待機狀態(tài)。

二、河南省的氣候特點

河南省位于北緯31°23～36°22，東經110°21～116°39，地跨暖溫帶和北亞熱帶，總面積為16.7萬km2。屬于暖溫帶的地域比較廣闊，占全省面積的70.1%。全省全年可得太陽輻射的總時數為4 428.1～4 432 h，因地理環(huán)境和云霧的影響，全省實際日照時數為2 000～2 600 h，日照率大致為45%～55%，其分布趨勢為平原多于山區(qū)，黃河以北大部分在2 400～2 600 h，西部山地為2 000 h。根據日照站的實際觀測，河南全年太陽輻射量為113～510.7 kJ/cm2。各地區(qū)之間的差異比較明顯，如信陽固始縣比北部的安陽偏多33.7 kJ/cm2。從時間上看也有明顯的變化，最低月值為12月份，全省大部分地區(qū)不到25.1 kJ/cm2；最高月值為6，7月份，一般在54.4 kJ/cm2以上。

以鄭州市為例，鄭州地處河南中部，冷暖適中，四季分明，年平均降雨量640.9mm，夏季平均最高氣溫30℃，冬季平均最低氣溫-0.84℃，全年日照時間約為2 400 h。以上數據表明河南省的太陽能資源雖不算很豐富，但還是有很大利用空間的，適合空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的使用。

三、各種類型熱水加熱裝置耗能和經濟性對比

各種類型熱水系統(tǒng)熱效益見表1，各種類型熱水加熱裝置經濟性對比見表2。

表 1 各種類型熱水系統(tǒng)熱效率

表 2 各種類型熱水加熱裝置經濟性對比

從表1，表2中可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是目前最經濟的熱水系統(tǒng)。太陽能熱水系統(tǒng)受天氣因素影響很大，需經常開啟輔助加熱管。而傳統(tǒng)的輔助加熱模式與電熱水器并無兩樣，能耗較大，使用空氣源熱泵技術替代傳統(tǒng)的電熱管加熱，能耗就大幅降低；單獨使用空氣源熱泵熱水器相比燃煤鍋爐運行的費用差距并不是很大，空氣源熱泵作為輔助加熱太陽能熱水，可充分利用河南省太陽能資源，從而達到環(huán)保節(jié)能、降低使用費用的目的。目前，鄭州等城市因環(huán)保的需要，小型燃煤鍋爐已全面禁用，商業(yè)用熱水只能選用燃氣、燃油和電熱水器，但成本極高。因此，推廣應用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)對節(jié)能減排增效是一種優(yōu)化的選擇。

四、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)目前存在的問題。

1.投資較大。由于空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)是2種高效熱水裝置的結合，因此首次購用成本較大，目前市場商用機型成本比傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)高出40%～60%，但應用成本較低，相信今后在市場競爭中會生產出性價比更高的產品。

2.系統(tǒng)占用空間較大。傳統(tǒng)太陽能熱水器就有占用樓面空間大、高層建筑不便安裝等問題，該系統(tǒng)也存在同樣的問題。這與建筑行業(yè)、制造業(yè)、服務行業(yè)等的技術發(fā)展創(chuàng)新緊密相關，隨著科研水平的提高，產品不斷升級，會逐漸解決這些問題，以滿足各種用戶的需求。

五、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在河南省應用建議

目前，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)已在我國深圳、北京、上海、杭州、云南等地推廣應用，均取得良好的使用效果。國家針對此系統(tǒng)已經制定出產品標準，將引導這種新型節(jié)能技術及產品走向快速發(fā)展的道路。河南省地處中原，人口眾多，經濟基礎較弱，資源消耗大，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的應用推廣對于河南省節(jié)能減排將會起到良好的作用。因此，筆者提出如下建議。

1.抓住機遇開發(fā)利用。國家十二五發(fā)展規(guī)劃和河南省十二五發(fā)展規(guī)劃，均把節(jié)能減排列為重中之重。今年5月，財政部和住房城鄉(xiāng)建設部聯合發(fā)布《關于加快推動我國綠色建筑發(fā)展的實施意見》，明確綠色建筑不僅要節(jié)能，還要節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材，實現保護環(huán)境目的，并通過建立財政激勵機制、健全標準規(guī)范及評價標識體系、推進相關科技進步和產業(yè)發(fā)展等多種手段，力爭到2020年，綠色建筑占新建建筑比重超過30%。開發(fā)推廣空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)符合發(fā)展方向和國家政策，為河南省城鎮(zhèn)化和新農村建設提供新型節(jié)能設備，具有廣闊的市場前景。

2.目前，北京、浙江、深圳等省市已經成立了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)專業(yè)公司，并取得了顯著的節(jié)能成果和經濟效益。建議河南省有關高校、科研單位和相關企業(yè)盡快對此類產品進行調研，把握市場動向，盡快開發(fā)出具有市場競爭力的系列化、標準化產品。

3.根據河南省的實際情況，建議開發(fā)過程分2步走。首先，開發(fā)600 L以上的商用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，其次，再開發(fā)600L以下的家用熱水系統(tǒng)。600 L以上的商用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)因產品大多為用戶定制，生產批量小，生產管理、質量控制和售后服務難度均小于600 L以下的家用型空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，更易取得成功。

4.國家針對此系統(tǒng)已經制定出產品標準，《家用空氣源熱泵輔助型太陽能熱水系統(tǒng)技術條件》（GB/T23889-2009）于2010年1月開始實施，且商用600 L以上產品標準《空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)（儲水箱容積大于0.6 m3）技術規(guī)范》（GB/T 26973-2011）于2012年8月1日將要實施。空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)當前在河南省市場的認知度較低，需要加大宣傳力度，加快宣傳和貫徹以上標準及產品的推廣應用，使河南省環(huán)保型熱水裝置設備及相關服務行業(yè)向更高的層次邁進。

5.加大對安裝維修人員的培訓，做好人員的技術儲備。空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)安裝難度較大，安裝人員需具有安裝太陽能熱水裝置和熱泵熱水機組的雙重經驗技術。國家將要實施的技術標準對系統(tǒng)的施工安裝、試運行與驗收都提出了明確規(guī)定，對推廣和安裝公司提出了更加嚴格的要求，安裝人員必須具有較高的技術水準和良好的職業(yè)素養(yǎng)，應加強對人員的職業(yè)培訓，建立優(yōu)良的服務隊伍。