太陽能熱水器輔助加熱方案分析

武婷婷　馬茸　郟玲玲　張琦

摘要：作為新能源，太陽能具有普遍、環保、長久等優點，我國的太陽能資源很豐富，具有良好的太陽能利用條件。目前太陽能使用最多的是在供熱和光伏發電兩方面，由于受地區、季節、天氣、時間等方面的影響，太陽能不是很穩定，為保證熱水供應溫度的穩定，太陽能熱水系統必須配備輔助熱源。目前出現電輔助加熱、熱泵輔助加熱、燃氣輔助加熱等輔助加熱方式。

關鍵詞：太陽能；熱水器；輔助加熱

1.電加熱

電加熱作為輔助熱源，一般多用于集熱器與熱水箱為一體的太陽能熱水器。由于電加熱比較方便，故電加熱常被選用作為一種輔助加熱方法。目前絕大部分廠家采用的方法是在太陽能熱水器的水箱里安裝電加熱管。原理圖如圖：

優缺點分析：優點就是方便，且成本較低，不需要復雜的技術問題，但越簡單越凸顯其缺點存在。①首先是電加熱的能耗比低，且作為二次能源，不節能。②封閉式熱水器、出口敞開式熱水器、水箱式熱水器、水槽供水式熱水器、低壓式熱水器等這幾種熱水器的電輔助加熱結構缺少對水位的控制，在正常使用中經常會出現儲水箱內水位低于電熱管平面，使電熱管出現干燒現象。③太陽能熱水器中的電輔助裝置內一般裝有的熱熔斷體

圖-1電加熱原理圖 或非自復位的熱斷路器溫度在140℃一190℃之間。在太陽能熱水器出現空曬的情況下，其儲水箱中空氣溫度常常能達到200℃一300℃。因此，其內的熱保護裝置在空曬的熱沖擊下斷開，使電輔助加熱裝置失靈而不能使用。④目前市場上太陽能熱水器輔助電加熱器的控制系統幾乎都不具有溫度控制功能，有些熱水器即使有此功能，也由于控制精度不高，存在過燒現象而嚴重浪費電能。由此可見電輔助加熱存在較大的安全隱患。

2.熱泵加熱

熱泵技術是利用少量高品位的電能作為驅動能源，從低溫熱源吸收低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，以達到制熱的目的。通常是以消耗一部分電能為補償，通過熱力循環，將環境介質水、地熱源、空氣等貯存的能量（熱量）加以利用。熱泵輔助加熱包括地源熱泵加熱、空氣源熱泵、水源熱泵等。特殊的應用場所，如軍事設施、野外作業、船舶等電力相對緊張，采用常規電動熱泵作為系統的輔助熱源不可行或不經濟.因此需將目前研究較廣的內燃發動機驅動的熱泵系統作為其輔助熱源。其中空氣源熱泵以其具安裝簡單方便，運行可靠性高，節省占地面積等優點而應用廣泛。下以空氣源熱泵加熱為例分析。

原理圖如圖：

當熱水箱1中上部的水溫高于50度時，V2開啟，V1、V3關閉，太陽能熱水子系統直接向用戶供生活熱水，空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統以常規的太陽能熱水器模式運行。當熱水箱1中上部的水溫低于45度時，V2關閉，V1、V3開啟，太陽能熱水子系統產生的低溫熱水進入熱水箱2，由空氣源熱泵機組進一步加熱。優缺點分析：①不僅節能、減排明顯，具有最好的環境效益，其經濟性也較好，減少氮氧化物等有害氣體的排放。②空氣源熱泵機組運行的自動化調控比較簡單，且安全可靠，其使用壽命可達10年以上，與太陽能熱水系統的使用壽命能很好地理匹配。但是由于系統的制冷量隨著室外溫度的下降而迅速下降，而需熱量卻隨著室外溫度的下降而迅速上升，當外界溫度較低時，系統經濟性會變得很差。與電熱水器相比，熱泵熱水器可節約大量高品位電能，但每天仍需消耗一定量的電能。

3.燃氣、油輔助加熱

燃氣燃油輔助加熱是最早投入使用的輔助加熱方式。原理圖如圖：

在太陽能足夠的情況下，自來水由太陽能熱水器加熱，經閥1、閥3流向水流開關進入混合閥；當陽光不足，太陽能不足以提供足夠熱量是，太陽能熱水器儲熱水箱內的水經閥1、閥2，進入燃油燃氣熱水器，由其進行二次加熱，當達到足夠溫度時，經閥1流向水流開關使用。優缺點分析：①燃油、氣是一次能源，利用率高，運行操作簡單，調節容易，易于實現自動控制，且結構緊湊。②燃油燃氣加熱不僅要考慮二氧化碳、一氧化碳、硫化氣體等其他污染物的排放，而且還要考慮油、氣的儲備等問題。③另外，燃氣熱水器需要較高的啟動水壓，這對于高層用戶來說使用起來較為困難，且燃氣熱水器使用壽命較短。基于節能環保和經濟效益的考慮，燃油、氣輔助加熱沒有得到廣泛應用。

4.綜合分析

輔助熱源的選擇應綜合考慮各種因素，包括經濟性、環保性、工作穩定性等。從經濟性及環保性出發，空氣源熱泵都是最優選擇，功耗小，且利用清潔資源，電加熱是二次能源利用，效率不高且功耗大，燃油、氣加熱不僅排出大量有害氣體，而且消耗大量優質資源。但從工作穩定性來講，空氣源熱泵易受環境影響，而其他兩種則工作穩定。不同地區，對4種常見輔助熱源選擇應根據當地氣候、環境條件、能源價格等因素，進行經濟技術比較后，綜合考慮確定。

作者簡介：

武婷婷（1995—）女，漢族，河南濮陽市人，學生，本科在校生，單位：鄭州大學機械工程學院機械工程及自動化，研究方向：機械工程及自動化。

馬茸（1994.12.30-），女，漢族，云南省曲靖市人，學生，本科在校生，單位：鄭州大學機械工程學院機械工程及自動化，研究方向：機械工程及自動化。

郟玲玲（1993-）女，漢族，河南駐馬店市人，學生，本科在校生，單位：鄭州大學機械工程學院機械工程及自動化，研究方向：機械工程及自動化。

張琦（1993-），女，漢族，黑龍江雙鴨山市人，學生，本科在校學生，單位：鄭州大學機械工程學院機械工程及自動化，研究方向：機械工程及自動化。