太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的應用分析

崔玉

摘 要：太陽能熱水輔助空氣源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能、安裝方便、一機多用等顯著優(yōu)勢，且在解決寒冷冬季室外盤管結霜問題上行之有效。本文從該系統(tǒng)的工作原理和運行模式出發(fā)，建立數(shù)學模型對在實際項目中的經(jīng)濟性進行分析。結果證明，相比獨立使用的空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然初投資較高，但制熱效率好、運行費用低，宜在部分地區(qū)得到推廣。

關鍵詞：太陽能 空氣源熱泵 盤管結霜問題 經(jīng)濟性

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0109-02

近年來，能源危機正在加劇，建筑能耗已成為于我國能源消耗行業(yè)的前三。而其中的50%以上便是供暖和空調(diào)能耗。因此，建筑節(jié)能已成為我國節(jié)能減排工作的重點。

空氣源熱泵是利用逆卡諾原理，以極少電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮艿臒岜眉夹g[1]。其缺點是由于空氣能是分散能源，制熱速度慢，熱效率不是很高[2]。另外，在冬季寒冷地區(qū)盤管容易出現(xiàn)結霜問題，受地域限制。

太陽能系統(tǒng)是指將分散的太陽能通過太陽能集熱器把太陽能轉換成熱水，然后通過將熱水輸送到發(fā)熱末端來提供建筑供熱需求的一種采暖系統(tǒng)[3]。高效節(jié)能、綠色環(huán)保是其顯著優(yōu)勢，缺點是能源利用不連續(xù)、不穩(wěn)定，及非采暖季利用率低。

而太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)可將二者優(yōu)勢結合起來，同時有效避免劣勢，成為環(huán)保節(jié)能、運行穩(wěn)定、能源利用率高的可實現(xiàn)建筑節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。本文將從實際項目出發(fā)，論證該系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

1 項目概況

本項目位于四川甘孜州，建筑總面積為6818m2，是有地上三層、地下一層的酒店，冷負荷為637.48kW，夏季設計溫度為24℃～26℃；熱負荷為589.08kW，冬季設計溫度為20℃～22℃。根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源、天氣條件等因素，方案擬采用太陽能—空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)來滿足用戶冬季供暖、夏季制冷的需求（見表1）。

2 工作原理與運行模式

系統(tǒng)原理見圖1，該系統(tǒng)可同時滿足建筑的制冷、供熱和熱水需求。主要分為以下3種運行模式。

（1）夏季時：閥2處于關閉狀態(tài)，閥1和閥3被開啟。此時，空氣源熱泵通過壓縮機進行做功壓縮，冷媒從室內(nèi)空氣中吸取熱量，系統(tǒng)和外界空氣交換熱量達到制冷效果。而太陽能系統(tǒng)則利用太陽能集熱器集熱，進行熱水供應。（2）過渡季節(jié)：空氣源熱泵處于關閉狀態(tài)，太陽能系統(tǒng)繼續(xù)進行熱水供應。（3）冬季時：白天，閥1、閥3開啟，閥2關閉，建筑熱負荷由空氣源熱泵獨自承擔，太陽能加熱的熱水暫由儲熱水箱儲存；夜間，閥1、閥2均處于開啟狀態(tài)，閥3被關閉，此時，空氣源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)聯(lián)合供熱，利用太陽能熱水為空氣源熱泵的低位熱源和制冷劑換熱，提高蒸發(fā)器出口側制冷劑溫度，優(yōu)化熱泵制熱性能。

3 數(shù)學模型的建立

3.1 空氣源熱泵機組模型

熱泵機組的性能系數(shù)：

COP=Q1/W（白天、夜間、聯(lián)合供暖時分別?。?.3、2.2和4.0） （1）

Q1為熱泵機組的制熱量（即室內(nèi)熱負荷），W；W-熱泵機組輸入的電功率，W；Q2為空氣源熱泵機組蒸發(fā)器（換熱器）吸收的熱量，W；Q3為太陽能儲熱水箱放出或空氣被吸收的熱量，W。

3.2 太陽能集熱器模型

直接系統(tǒng)太陽能集熱器總面積應按下式[4]計算：

Ac為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；QH為建筑物耗熱量，W；JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系亩酒骄仗栞椪樟浚ㄈ?3.7×106），J/（m2·d）；f為太陽能保證率（取0.7），%；Ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率（取0.6），%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率（取0.25），%。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初投資

與純空氣源熱泵系統(tǒng)相比，聯(lián)合供熱系統(tǒng)應多出太陽能集熱器的初投資費用（蒸發(fā)器價格可忽略），即：F=f·Ac=450×2170 = 976500元

F為增加的初投資；f為太陽能集熱板的單價，元/m2；Ac為太陽能集熱板總面積，m2。

4.2 運行費用

采暖期約為150d，在同時運行期間管理費用和維護費用情況下：

⑴聯(lián)合供暖系統(tǒng)中熱泵機組電費：

S1=W×t×T×s=（147.27+178.51）×12×150×0.82= 480851.28元 （4）

W為熱泵機組輸入功率，kW；t為單日運行時間，小時；T為采暖期，天；s為商用建筑電費單價，元/kW·h。

⑵純空氣源熱泵系統(tǒng)電費：

S2=W'×t×T×s=（267.76+178.51）×12×150×0.82= 658694.52元 （5）

4.3 壽命周期的回收期分析

經(jīng)分析計算，投資回收期約5.49年。可見：聯(lián)合供暖方案設計合理，且太陽能系統(tǒng)的壽命取12年，則聯(lián)合供暖系統(tǒng)可省電費共：（658694.52-480851.28）×6.51=1157759.49元。

5 結論

（1）在冬季寒冷但太陽能資源相對豐富的地區(qū)，太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)具有一機多用、供暖高效穩(wěn)定，且不會出現(xiàn)凍結、結霜等問題的顯著優(yōu)勢。

（2）在使用太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)時，合理選取太陽能集熱器面積、確定聯(lián)合供暖能效比至關重要。

參考文獻

[1] 中國百科網(wǎng).空氣源熱泵工作原理-空氣源熱泵原理（圖）[EB/OL].www.Chinabaike.com/t/30194/2014/0502/2157352.html.

[2] 百度文庫.空氣源熱泵優(yōu)缺點及其工作原理[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/d6b2532ee97101f69e3143323968011ca200f770.html.

[3] 360百科.太陽能采暖系統(tǒng)[EB/OL].https：//baike.so.com/doc/1658750-1753420.html.

[4] GB 50495-2009，太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范[S].