太陽能熱水系統引入空氣源熱泵和管路系統的探討

艾 磊

（青海建筑職業技術學院， 青海西寧 810000）

0 引言

現階段，為了滿足高原地區農村居民的熱水需求，安裝了大量的太陽能熱水器。但由于高原地區特性，冬季嚴寒、晝夜溫差大、極端低溫的出現可能導致太陽能熱水系統管網出現凍結現象，甚至直接發生凍裂，導致供熱系統癱瘓。因此，如何保障高原地區太陽能熱水系統不受低溫影響，成了當前所有科研機構的研究方向，本文通過對空氣源熱泵技術的運行原理進行分析， 探討了高原地區農村太陽能熱水系統引入空氣源熱泵的可行性， 旨在保障高原地區農村居民正常的熱水供應，降低能源消耗，滿足可持續發展的要求。

1 高原地區太陽能供暖發展的現狀

與其他地區相比，高原地區日照充足，其年、月總太陽輻射都較高。 高原地區全年晝夜溫差較大，尤其是冬季最為明顯，可達20℃～30℃。高原地區海拔較高，且氣壓、含氧量、空氣密度較低，造成空氣十分干燥，特別是冬季最為干燥，空氣中相對濕度僅為5%～15%。同時，高原地區生態環境脆弱，污染不易治理。基于此，在為高原地區農村改善室內熱環境的同時，環境保護問題也應得到重視。

近些年來， 在國家與相關高原地區政府的政策支持下，高原地區開展了大規模的開發建設，一大批新能源企業進入建設，建立了一批太陽能供暖示范工程，取得了顯著成效。 高原地區綠色建筑更是受到廣泛關注，許多高校和科研機構都針對太陽能等優等能源[1]設置了科研項目，力求在高效利用太陽能供暖的同時，降低能源消耗。

2 高原地區太陽能供暖模式探討

高原城市地區的太陽能建筑， 從初期建設至今已有10 多年，建立了許多示范性工程，但是仍然存在一些問題，一些建筑企業為追求經濟效益，對項目沒有清晰的認識，缺乏對建筑類型和施工技術的深入探究，部分企業甚至沒有做任何保溫措施， 就直接開始安裝太陽能供暖設備，造成其后期運行和維護困難，導致資金沒有得到有效利用。 與高原城市地區相比，農村地區相對貧窮，基本沒有供熱設施[2]，卻占有太陽能熱利用技術發展的自然優勢，應發展低成本的太陽能利用技術，以保障該地區的熱水供應，解決因晝夜溫差大所造成的取暖問題。 針對高原地區農村已有的太陽能熱水系統， 在保障其太陽能供暖管網保溫的同時， 也要通過空氣集熱器保障室內各圍護構建的保溫， 通過蓄熱解決氣候對太陽能管網所造成的影響。

隨著高原地區建設進程的加快， 許多高層建筑拔地而起，這也造成了一些問題出現，城市內建筑樓層較高，且密度加大，造成太陽能集熱系統的安裝十分困難，導致其不能使用農村所采用的太陽能技術。針對此類情況，為建設太陽能集熱系統保障居民正常使用熱水， 可以選擇一些沒有農牧的空曠地區，進行安裝鋪設，建立能源互補熱站， 通過借助熱蓄調系統可以解決高原地區城市供暖問題。這樣的供暖模式更集中，也使后期維護管理更加方便。針對太陽能集熱系統夏季閑置的問題，可以采用太陽能光伏系統進行解決，保障城市用熱和用電，從而保障太陽能的利用效率。對于一些高原地區城市，傳統的供暖方式已經不能滿足當今的供暖需求， 太陽能供暖的發展可以承擔一部分供暖需求，從而組成新的組合供暖模式。

3 電伴熱系統和空氣源熱泵對管道進行保護的原理

3.1 電伴熱系統對管道進行保護的原理

現階段，高原農村地區的管道系統保護，大多數都采用加裝保溫層及安裝電伴熱來減少熱損失，使管道內外溫度保持恒定，從而保護供熱管道。 通常情況下管道電伴熱系統組成包括以下幾個部分：發熱電纜供電電源系統、管道防凍電纜加熱系統、管道電伴熱智能控制報警系統。 其中單根的伴熱電纜單元包括以下幾個部分：空氣開關、溫度傳感器、溫控器、故障蜂鳴報警器等。 溫度傳感器通常被安裝在加熱管上，方便工作時隨時查看溫度。 想要達到加熱防凍的效果，就需要在工作前將溫控器設好溫度， 在與溫度傳感器測量的溫度進行比較，在達到一定溫度后，通過控制箱的報警裝置和空氣開關切斷電源。

3.2 空氣源熱泵技術對管道進行保護的原理

電伴熱系統進行保溫處理的原理為： 為管道提供熱量，使損失熱量得到補充，從而保證管道系統內外不會出現較大熱損失的情況。 空氣源熱泵進行保溫處理的原理為：吸收空氣中低溫熱能，并將之壓縮，通過壓縮機將其最終轉化為高溫熱能，從而加熱水和提高周圍溫度。通過上述描述可以發現，兩樣技術的應用，都是為了保持供熱管道內外的熱量達到平衡，發揮其制熱性能[3]，防止管道在極端天氣下出現凍裂，讓供熱系統得到保護。 另外，兩種加熱方式的原理相同，且后者更加節能，與前者相比后者節能效果更加明顯， 消耗更低的能源卻有更為明顯的供熱效果。

4 高原地區農村太陽能熱水系統引入空氣源熱泵的可行性

4.1 高原地區農村應用空氣源熱泵技術的方式

高原地區農村冬季更加嚴寒， 也就意味著太陽能熱水系統的效率不高，同時如果不采取優質的保溫措施，可能造成熱水的使用出現問題， 甚至造成供熱管道出現凍結。雖然電伴熱和電輔助技術可以解決相關問題，但是也造成了更多的電能消耗。 因此，想要降低電力消耗，滿足節能減排的發展需求，就需要引入空氣源熱泵技術，來保障能源消耗滿足相關要求， 同時提高供熱系統的使用年限。 空氣源熱泵技術與傳統的電加熱技術相比， 更加安全、節能，高效[4]，因為其不是采用電熱元件直接加熱，不會出現漏電情況。 結合空氣源熱泵機組與太陽能熱水系統的方式。想要形成一個良好的循環系統，需要將太陽能熱水系統的進出水口進行連接，使其相互連通，并在上面加裝止回閥和循環泵， 重點應保證空氣源熱泵機組要安裝在進水前端。 這樣的安裝方式， 可以在太陽照射充足時，保證熱水系統能夠正常工作，即使關閉泵前閥門，空氣源熱泵也不會得到啟用， 不會影響熱水系統的原有運行。太陽照射不充足時，也不會導致凍裂情況出現對太陽能熱水系統造成影響，在農村居民不用水時，只要系統水源得到補充，關閉進水閥門也不會造成影響，只要空氣源熱泵保持低功率運行，就能一直輔助供熱系統加熱，從而保持水溫恒定。 農村居民用水時，即使用量不大，造成循環泵不工作，但空氣源熱泵會一直處于工作狀態，以中功率進行運轉，保證高原地區農村居民的熱水使用。農村居民用水量大且時間較長時， 空氣源熱泵會以高功率進行運轉， 從而保證居民的熱水供應。 當農村居民用水結束后，供熱系統會自動補水，并保持空氣源熱泵一直進行低功率工作。

4.2 控制溫度

高原地區農村經常會有極端天氣出現， 強烈的降溫考驗著供熱管道系統。為了保護管道系統，可以將排水閥門關閉， 并根據溫度傳感器測量的溫度與事先溫控器設好的溫度相比較，當溫度低于設好的溫度時，供熱系統會自動將空氣源熱泵機組和循環泵開啟， 并對水箱內水進行循環加熱，加熱后就停止工作。當管道問題再次降低后又開始熱循環工作，如此反復，就可以保護官網系統保持正常運轉，不會出現有霜凍情況發生。

4.3 空氣源熱泵技術引入高原農村地區熱水系統后產生的積極作用

太陽能建筑經過多年的發展和改進， 技術已趨向成熟，尤其在平原地區，得到了良好的開發利用。 由于高原地區溫差較大，加上冬季極端寒冷，導致系統不像在平原地區那樣穩定。后期的維護保養也十分困難，工作人員如果操作不當就可能導致管道凍裂。 為了保障太陽能熱水系統的正常使用， 高原地區農村家庭需要消耗更多的電量， 這也是造成高原地區太陽能熱水系統得不到更多推廣的主要原因。 但另一方面，高原地區太陽能資源豐富，如果引入空氣源熱泵技術就可以很好解決耗電的問題，其具體表現如下：

（1）空氣源熱泵技術的引入，可以通過輔助加熱和熱量補充這兩種形式來對管道進行保溫處理，而且這種技術的引入，也僅需要采用更加簡單的保溫結構。 與電伴熱技術相比，其加熱方式更加科學、經濟、安全，將其引入到高原地區， 可以防止高原地區農村熱水系統管網出現凍裂。

（2）空氣源熱泵技術的引入，主要以太陽能技術為主，熱泵技術為輔助，保持對熱水系統的一直供熱。這種技術的應用， 可以使熱水系統在一年中大多數時間只以太陽能進行供熱， 降低了能源消耗的同時也方便后期維護保養，節省了資金，也提高了供應熱水的能效比。

（3）空氣源熱泵技術與電伴熱技術不同，不需要依靠電熱元件進行加熱， 其加熱主要是將空氣中蘊含的熱量進行轉移，就能實現對水加熱。 其耗電量也更低，降低了電力消耗。 空氣源熱泵的使用壽命更長，可以達到10 年以上，具有經濟效益[5]，只需要3～5 年的時間就能收回投資，并開始盈利。

5 空氣源熱泵技術引入高原地區農村熱水系統存在的困難

（1）與傳統集中熱水系統相比，空氣源熱泵技術更加穩定，其機組可以直接對水進行加熱，產生的熱水也更加穩定。 同時，其也存在一定的問題，直接使用空氣源熱泵機組為高原地區農村家庭提供熱水，雖然該地區日照足，太陽輻射強，但是與傳統的太陽能熱水系統相比較，空氣源熱泵機組需要消耗更多的電量， 這對于高原地區農村居民來說并不經濟。另外由于當前技術不夠成熟，且其機組設備復雜，體積大，造成安裝還存在很多問題。

（2）高原地區冬季嚴寒，普通的空氣源熱泵機組只能保證春、夏、秋三季的正常工作，冬季極端低溫的出現，超過了普通空氣源機組工作的最低溫度， 導致其制熱量和性能系數明顯降低[6]。 高原地區農村與城市相比，冬季溫度更低，普通機組不能滿足農村居民的生活需要。必須要使用二氧化碳空氣源熱泵才能保證供應熱水， 但是這種設備又需要更高造價，成本的增加限制了其建設應用，因此，想要滿足高原地區農村家庭的熱水供應，仍然需要不斷探索更經濟、環保、實用的供熱新技術。

6 結論

綜上所述，太陽能作為一種新能源，與傳統能源相比更加環保，其可重復利用的特點也滿足國家發展的要求。空氣源熱泵技術相比傳統供熱技術更加安全、 節能、環保，若將這兩者進行融合，必然可以滿足高原地區農村家庭的熱水需求。現階段，空氣源熱泵技術應用到高原地區農村家庭之中還存在一定的困難， 但是隨著技術不斷發展和創新，困難一定會被克服，當這項技術的實施后，也必然帶動高原地區的社會經濟發展。