太陽能輔助空氣源熱泵在工程中的應用探討

楊靜竹　管麗萍

摘要：隨著社會的不斷發展、經濟水平的不斷提高，人們的生活條件也在不斷的改善，對建筑內環境的要求也越來越高。太陽能供暖依靠太陽能資源，具有節能、環保的優勢，但是常規的采暖方式會受到當地氣候條件的影響，不能全天候的運行，部分時間還需依靠電加熱獲取能量，存在著較大的地域及氣候限制。隨著科學技術的進步，熱泵逐漸被各個領域所應用。本文提出，將熱泵技術與太陽能相結合可以改善傳統太陽能的不足，實現全天候的運行。本文主要介紹太陽能輔助空氣源熱泵的原理，同時列舉工程實例來探討其應用價值。

關鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;原理;價值;應用

目前我國生活熱水工程在發展過程中消耗的能源越來越多，隨著可持續發展的推進，降低生活熱水工程在總能耗中的占比是目前社會關注的熱點話題。太陽能是重要的可再生能源，空氣源熱泵的出現能夠以消耗部分太陽能作為補償，實現熱量從低溫熱源到高溫熱源的遷移。

1 太陽能輔助空氣源熱泵應用的意義

在經濟發展的進程中，各領域對能源的需求量也在不斷的增加，導致能源消耗、環境污染日益嚴重。因此對能源的供應提出了更高的要求，今后的發展方向應該是節能型、低耗型的。生活熱水工程主要是指為滿足人們日常生活中對熱能需求所建設的工程。根據我國相關規范，在民用生活熱水工程設計的階段就要考慮節能的問題，要求各地在供暖系統的建立中推廣使用太陽能，要求新建住宅、賓館、酒店以及商用樓等統一安裝太陽能系統。但是在我國南方的地區，沒有集中供暖熱源可用，多數居民應用電加熱進行取暖，而且部分地區受到季節天氣的影響，很多時候不能應用太陽能來獲取熱水，通過上述途徑獲取熱水增加了對城市能源的消耗，同時也提高了熱水系統的運營成本[1]。因此通過輔助裝置來改善氣候對太陽能應用的限制有著重要的意義，能夠降低能源消耗，促進能源的可持續發展。

2 空氣源熱泵的原理

空氣源熱泵的運行原理是逆卡諾循環，熱泵通過壓縮機做功，該過程能夠使介質發生物理變化，實現從氣態到液態再到氣態的過程，在此過程中不斷的往復循環，不斷的吸熱、放熱，從而將冷水逐步加溫變成熱水，最終滿足采暖需求[2]。但是空氣源熱泵自身也具有一定的局限性，其供熱的能力、性能系數等都會隨著室外溫度的降低而下降，主要還是適用于最低氣溫不超過-10℃的地區，所以在極寒地區的應用并不是很廣泛。

3 太陽能輔助空氣源熱泵的應用條件

在施工圖設計階段，通常是將熱泵機放置在光照充足的建筑屋面上，但是在多數民用建筑的屋面上，通常會預留設備機房的位置，同時布置一些水暖管道，這樣就可能導致管道交匯密集，對熱泵裝置的外形尺寸選擇有較大的限制。同時在設計熱泵制熱系統之前，需要對當地的地域及氣象條件進行分析，考慮在實際的建設中是否需要增加輔助加熱系統。在通常的設計過程中，認為最低溫度低于-10℃的地區在選擇空氣源熱泵機組的同時要設置輔助熱源。我國華東、華南大部分地區冬季室外溫度不是很低 ，能夠滿足熱泵的運行要求，可以不考慮設置，這樣就降低了設計的復雜性、工程的初投資和后期的維護費用。

太陽能輔助空氣源熱泵系統又被稱為太陽能熱泵，主要是以空氣源熱泵作為供熱主體，太陽能作為附加的一種裝置。空氣源熱泵產生熱能的過程，實質是提取空氣中的太陽能，據熱泵工作原理，系統整個的運行過程中僅消耗少量電能。太陽能輔助空氣源熱泵可以分為直膨式太陽能熱泵系統、非直膨式太陽能熱泵系統兩種類型。直膨式太陽能熱泵系統是指將制冷劑作為太陽能集熱的工質，將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發器，通過熱泵的循環作用冷凝，將熱釋放給被加熱的對象;非直膨式是指將水、空氣及防凍液等作為工質，分為串聯、并聯、雙熱源三種形式。

4 技術方案設計及實例

在后期太陽能輔助空氣源熱泵的應用中，應當不斷的優化該裝置在嚴寒地區的使用性能，提高其地域適應性，為寒冷、農村等地區提供更好的技術支撐。對于農村民用建筑建設來說，高投資、運行及維護的復雜性會阻礙技術的進一步推廣，因此在設計上應當在原有空氣源熱泵的基礎上，遵循易操作、低成本及技術可靠的原則進行設備研發。具體來說，有以下幾種方式：①單一空氣源熱泵供熱：在沒有光照的情況下空氣源熱泵從空氣中獲取熱的單一運行模式。②單一空氣源熱泵供冷：主要是在炎熱的夏季對建筑供冷。③太陽能輔助空氣源熱泵：主要是在室外溫度較低的白天，當有太陽輻射熱可利用的時候，提高運行效率。通過對較寒冷的哈爾濱和北京兩個城市的氣象數據進行分析計算，分五種工況來研究熱泵蒸發器溫度發生變化后其制熱性能系數的變化。通過初步計算，在其他條件完全相同的情況下，如果只改變蒸發器空氣的進口溫度，熱泵的制熱性能系數會增加，溫度每增加1℃，熱泵的制熱性能系數就會增加0.06[3]。在寒冷的冬季利用空氣源熱泵進行供熱時，溫度每增加1℃，制熱性能系數就會增加0.04-0.07，保守計算取0.05。通過該項研究說明，熱泵蒸發器溫度的升高，能夠在一定程度上提高空氣源熱泵制熱性能系數。

綜上所述，與單一的太陽能或空氣源熱泵系統相比，太陽能輔助空氣源熱泵系統的出現不僅能夠有效的增加制熱量，提高熱泵的制熱性能系數，減少單一系統的地域限制，從而能夠高效、安全、穩定地運行。同時太陽能輔助空氣源熱泵能夠提取空氣中的熱能，減少能源消耗，具有較顯著的節能環保優勢。

參考文獻：

[1]王建玉.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的節能控制策略研究[J].節能，2018，37（6）：70-45.

[2]郭宏偉，王宇，高文學，等.不同氣候區太陽能-空氣源熱泵熱水系統運行性能評價[J].制冷學報，2019，25（4）：45-51.

[3]劉志輝，陳哲.北方農村地區冬季太陽能光熱系統與空氣源熱泵系統輔助采暖運行監測分析[J].墻材革新與建筑節能，2019，57（6）：476-55.