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空气源热泵辅助太阳能集中生活热水系统分析

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安徽建筑

中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1007-7359（2024）3-0081-02DOI:10.16330/j.cnki.1007-7359.2024.3.029

1引言

2020年9月，习近平总书记在联合

国大会上宣布：“中国力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。”当前我国建筑行业运行碳排放约占全国总量的20%，各领域都在探寻快速实现碳达峰并深度减排的有效途径。集中生活热水系统作为建筑总能耗中不可忽视的重要组成部分，目前仍较多以燃煤、燃油、燃气等化石能源作为热源[1-3]。在双碳目标下，生活热水系统寻找清洁高效的替换能源刻不容缓。太阳能作为一种清洁环保、安全无害的可再生能源，其开发利用能有效缓解碳排放压力。但在夜晚、连续阴雨或者日照时数较低等气候条件下，太阳能资源不足，无法连续运转，空气源热泵凭借其高效、安全耐用、安装灵活等优势成为太阳能系统的首选辅助热源。空气源热泵辅助太阳能热水系统既能克服有时太阳能辐照量不足的弊端，又能有效弥补空气源热泵在室外气温较低时制热性能下降的不足。目前，空气源热泵和太阳能常见的组合形式分为2种，即空气源热泵辅助太阳能制备热水和空气源热泵辅助太阳能制备热媒。控制系统是整个热水系统的中枢，有效合理的控制方式是保证整个系统稳定高效运行的关键所在[4]。因此，本文分析了空气源热泵辅助太阳能制备热水和热媒系统的控制逻辑、优缺点及选择依据，并以上海某新建酒店为研究对象，分析空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的能源供比和二氧化碳排放量。

2空气源热泵辅助太阳能制备热

水

空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统示意图如图1所示，根据室外气候条件的不同，本系统可分为4种运行工况[5]，即太阳能集热单元单独运行、空气源热泵单独运行、太阳能集热单元与空气源热泵联合运行、太阳能集热单元与空气源热泵均不运行。

图1空气源热泵辅助太阳能制备热水系统示意图根据图1可知，本系统运行控制逻辑如下。T1-T2≥5~10℃，太阳能集热循

环泵开启；T1-T2＜1~3℃，循环泵关闭。T2-T3≥5~10℃，集热与供热循环泵开启。T3＜50℃，空气源热泵循环泵开启；T3≥

58℃，循环泵关闭。T4＜53℃且T4-T3≥

5℃，生活热水供应系统循环泵开启；T4≥

53℃，循环泵关闭。

3空气源热泵辅助太阳能制备热媒

在改造项目中，受原热水系统形式、

机房面积、结构荷载等诸多因素限制，利

用空气源热泵辅助太阳能系统满足冷热

水同源的要求时，可利用其制备热媒，示

意图如图2所示。

图2空气源热泵辅助太阳能制备热媒系统示意图根据图2可知，本系统运行控制逻

辑如下。T1-T2≥5~10℃，太阳能集热循

环泵开启；T1-T2＜1~3℃，循环泵关闭。T2-T3≥5~10℃，集热与供热循环泵开启。

T3＜50℃，空气源热泵循环泵开启；T3≥

58℃，循环泵关闭。T4＜53℃且T5-T4≥

5℃，生活热水供应系统循环泵开启；T4≥

53℃，循环泵关闭。T5≤58℃，热媒循环

泵开启；T5＞58℃，循环泵关闭。

4系统对比分析

上述2种组合形式优缺点对比见表1。

由表1可知，制备热媒的系统热效空气源热泵辅助太阳能集中生活热水系统分析

余勋（思迈建筑设计（上海）有限公司，上海230000）

摘要：双碳目标下，二氧化碳排放量成为评价系统环保性的一个重要指标。文章分析了集中生活热水系统中太阳能与空气源热泵常用组合形式的优缺点及控制逻辑，得出空气源热泵辅助太阳能制备热媒的系统适用于改造项目，新建项目建议优先选用空气源热泵辅助太阳能制备热水。结果表明，太阳能和空气源热泵二者供热比例相当，各占总供热量的46%，电加热占总供热量的8%；与传统燃气锅炉热水系统相比，空气源热泵辅助太阳能制备热水系统减碳19.1%，环保效益明显。关键词：碳达峰；碳中和；空气源热泵辅助太阳能热水系统；二氧化碳排放量作者简介：余勋（1988-），女，湖北黄冈人，毕业于湖南大学环境工程专业，硕士，工程师。专业方向：建筑给排水。

表1空气源热泵辅助太阳能热水系统对比

系统形式

空气源热泵辅助太阳能制备热水

空气源热泵助太阳能制备热媒优点

控制较简单；热利用效率高；设备集中，方便管理。

适用于改造项目，灵活度高；冷热水同源，冷、热水箱可分设不同处。缺点

若需冷热水同源，冷水箱需与热水箱同设屋面。

换热级数多，热利用效率较低；设备分散，控制复杂。水·电·暖通技术与应用

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安徽建筑率较低，一是受限于热泵的出水温度，热媒温度较低；二是多一级换热。鉴于板式换热器换热温差小，故推荐板式换热器配闭式储水罐的换热方式。空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统控制简单，制备热媒的系统控制相对较复杂，但其灵活度高，冷、热水箱分设不同处亦可实现冷热水同源，故适用于改造项目。对于新建项目，建议优先选择空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统，冷、热水箱同设于屋面保证冷热同源，充分利用空气能和太阳能。

5能源供比分析

此处以上海某新建100间单人间客房的高端酒店为例，分析空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的太阳能、空气源热泵和电加热的能源供应量。该热水系统平均日耗热量Qmd按式（1）确定，其值为1.44×106kJ/d。

Qmd=qmr×m×b1×C×ρr×()tr-tmL。

（1）式中，Qmd——平均日耗热量，kJ/d；qmr——平均日热水用水定额，取140L/（床·d）；m——用水计算单位数，取100床；b1——同日使用率，取0.5；C——水的比热，4.187kJ/(kg·℃)；ρr——热水密

度，0.983kg/L；tr——热水温度，60℃；tmL——年平均冷水温度，10℃。根据《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019），空气源热泵按上海春分

所在月平均温度12℃选型，所需制热量85kW。参照空气源热泵样本，对应输入

功率18kW，8℃时低温制热衰减15kW。系统晴天由太阳能供热，多云天气由太阳能和空气源热泵等比例联合供热，阴雨雪天气由空气源热泵供热，高温低于12℃时考虑热泵制热衰减。太阳能、电

加热和空气源热泵年均能源供应量分别表示为Q阳、Q电、Q空，表达式见式（2）~式

（4），计算结果见图3。Q阳=Qmd×(D晴+0.5×D云)，（2）

Q电=ΔP×3600×T×()D1+D2，（3）

Q空=Qmd×()D阴雨雪+k×D云-Q电。

（4）式中，Qmd——太阳能年均能源供应

量，kJ/a；Q电——低温时电加热年均能源

供应量，kJ/a；Q空——空气源热泵年均能

源供应量，kJ/a；D晴——2022年上海全年晴天天数，52d；D云——2022年上海

全年多云天数，229d；D阴雨雪——2022年

上海全年阴雨雪天数，84d；D1——2022

年上海全年多云天气中气温低于12℃

的天数，45d；D2——2022年上海全年阴

雨雪天气中气温低于12℃的天数，22d；k——多云天气太阳能和空气源热泵供

能比例，上海2022年多云天气平均云量

为50%，k取50%；ΔP——空气源热泵低

温运行的制热衰减，低温运行平均温度

为8℃，15kw；T——空气源热泵设计工

作时间，12h/d。

经计算，结果如图3所示。

图3空气源热泵辅助太阳能制备热水系统二氧化碳排放量由图3可知，本系统年均供热量为5.26×105MJ/a，太阳能和空气源热泵供

热比例相当，均占总供热量的46%，电加

热占总供热量的8%，节能效果显著。

6二氧化碳排放量分析

此处仍以上海某新建100间单人间

客房的高端酒店为例，分析空气源热泵

辅助太阳能制备热水的系统的二氧化碳

排放量。二氧化碳排放量表达式为[6]：

QCQ=QW×Eff×FCO×4412。（5）

式中，QCO——二氧化碳排放量，kg/

a；Q——系统中会引起二氧化碳排放的

能源的年平均能耗，MJ/a；W——标准煤

的热值，为29.308MJ/kg；Eff——加热装

置的效率，电加热和燃气锅炉均按90%

计；FCO——碳排放因子，kg碳/kg标准

煤，燃气0.404、电能0.866。

空气源和太阳能无二氧化碳排放，

系统的Q值计算见式（6），主要包括两部

分，一是气温低于12℃时弥补热泵制热

衰减的辅助电加热能耗，二是热泵工作时输入的电功率能耗。传统燃气锅炉热水系统年能耗Q计算见式（7），为用水系统的年平均耗热量。Q=Q电+P×3600×T×()k×D云+D阴雨雪，（6）

Q=365×Qmd。（7）

式中，P——空气源热泵的输入功率，18kw。经计算，空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的二氧化碳排放量为23884kg/a，传统燃气锅炉热水系统二氧

化碳排放量为29540kg/a，年二氧化碳排放减少5656kg，减碳19.1%，减碳效果显著。

7结论

集中生活热水供应系统中，太阳能与空气源热泵常见的组合形式分为两种，即空气源热泵辅助太阳能制备热水和空气源热泵辅助太阳能制备热媒。其中，制备热媒的系统灵活度高，多用于改造项目，而新建项目建议优先选用空气源热泵辅助太阳能制备热水。控制系统是整个热水系统的中枢，有效合理的控制方式是保证整个系统稳定高效运行的关键所在。研究案例充分利用太阳能和空气源热泵，二者供热比例相当，各占总供热量的46%，电加热占总供热量的8%。较传统燃气锅炉热水系统，空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统减碳19.1%，减碳效果显著。

参考文献[1]林波荣.建筑行业碳中和挑战与实现路

径探讨[J].可持续发展经济导刊,2021(Z1):23-25.[2]沈晓寒,周欣,田帅,等.建筑能耗模拟软

件性能验证方法综述[J].建筑科学,2022,38(12):182-191.[3]刘晴川,李强,郑和煦.基于化石能源消耗

的重庆市二氧化碳排放峰值预测[J].环境科学学报,2017,37(04):1582-1593.[4]范丽敏,沈丰.基于互联网+的集中式太

阳能热水系统控制方法探讨[J].给水排水,2017,53(06):93-96.[5]乔大磊.太阳能辅助空气源热泵热水系

统在酒店中的应用实践[J].给水排水,2015,51(S1):294-296.[6]李德英.建筑节能技术[M].北京:机械工

业出版社,2006.水·电·暖通技术与应用

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空气源热泵热水系统技术与应用

空气源热泵热水系统技术与应用

空气源热泵热水系统的技术与应用

摘 要: 空气源热泵热水系统是太阳能热水系统中比较实用的一种。以下通过对该热泵系统原理的介绍, 并与太阳能集热系统、电热水系统的技术经济指标进行分析和比较, 结果表明: 在我国南方大部分地区建筑内完全采用空气源热泵热水系统可满足生活热水的使用要求。

关键词: 新能源； 空气源热泵； 热水系统； 运营成本； 分析比较

1节能减排重要意义

随着我国经济建设的高速发展, 能源的需求量越来越大, 因此资源的消耗和环境的污染也日趋严重。为此能源供应将向多元化、环保型方向发展。目前正努力向风能、核能、潮汐能、太阳能的利用方面发展。

根据国家有关文件的精神, 民用建筑工程在设计阶段就必须严格考虑建筑节能的问题。在建筑热水系统设计方面, 各地加强推广使用太阳能热水系统的规定, 要求新建12层及以下住宅和新建、改建和扩建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑, 应统一设计和安装太阳能热水系统。目前, 我国许多民用公共建筑内生活热水通常采用电加热器或电锅炉、燃煤或燃油(气)锅炉、市政热力等作为热源制取热水。这极大地消耗了城市能源, 随着不可再生能源价格的提高, 热水系统的运营成本也日益增加。因此推广太阳能热水系统对于减少建筑能耗、提高环境质量, 促进节能减排具有重要意义。

2空气源热泵系统主要原理

众所周知, 太阳能热水系统的优越性已越来越明显, 并成为新能源发展的潮流, 而作为太阳能热水系统的一种, 空气源热泵是继电热水器和太阳能热水器之后的新一代热水装置使用系统。空气源热泵机组是一种既可吸收空气中的热量和太阳能, 又可结合电热水器和太阳能热水器各自优点的安全节能环保型设备机组, 各系统具体的性能比较见表1。

空气源热泵机组运用逆卡诺循环原理, 通过压缩机做功, 使介质产生物理相变(气态→液态→ 气态), 利用这一往复循环相变过程不断吸热和放热,使冷水逐步升温, 制取的热水通过水循环系统送至用户。然而, 空气源机组本身也有一定的局限性。其主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低, 它的使用受到环境温度的限制, 一般适用于最冷月平均气温- 10 e 以上的地区。此外, 热泵机组需要一定的安装空间, 主要在中小型规模的公共建筑中适合应用空气源热泵热水系统。

太阳能―空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用

太阳能―空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用

太阳能―空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用

摘要：随着建设绿色低碳校园的理念提出，太阳能—空气源热泵技术在高校得到了广泛应用。本文就太阳能―空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用进行研究，从而有效提高系统能效，实现节能减排。

关键词：太阳能；空气源热泵；热水系统；学校公寓；设计

引言

太阳能作为一种清洁环保、安全无害的可再生能源，其开发利用能有效缓解碳排放压力。空气源热泵辅助太阳能热水系统既能克服有时太阳能辐照量不足的弊端，又能有效弥补空气源热泵在室外气温较低时制热性能下降的不足。目前，空气源热泵和太阳能常见的组合形式分为2种，即空气源热泵辅助太阳能制备热水和空气源热泵辅助太阳能制备热媒。控制系统是整个热水系统的中枢，有效合理的控制方式是保证整个系统稳定高效运行的关键所在。

1太阳能―空气源热泵热水系统相关概述

太阳能-空气源热泵热水系统是一种结合太阳能和空气源热泵的高效、环保的热水供应系统。该系统利用太阳能将太阳能集热器中的热量传递到空气源热泵中，使其加热水箱内的水。同时，在低光照条件下，空气源热泵还可以通过回收空气中的热能来加热水。这种系统具有高效节能、环保、安全可靠等优点，适用于各种规模的建筑物，如住宅、商业、学校、医院等。在太阳能-空气源热泵热水系统中，太阳能集热器是主要的热源，其作用是将阳光转化为热能，然后将热能传递到空气源热泵中。空气源热泵则将吸收的热能通过压缩制冷剂的方式进行加热，然后将加热后的水输送到用户的用水系统中。太阳能-空气源热泵热水系统的优点包括：在高效节能方面，太阳能和空气源热泵的完美结合利用了自然资源的巨大潜力，并能够实现超过90%的能源转化效率，是理想的环保型供热解决方案。环保方面，系统在运行过程中不会使用任何化石燃料，因此不会产生二氧化碳等对环境有害的气体和废水，实现了零排放，体现了对自然环境的充分尊重和保护。在安全性方面，系统的设计考虑了各种可能的风险和挑战，设置了多重保护机制。过载保护能防止因负载过大导致的系统崩溃，过热保护可以在设备过热时自动切断电源，防止火灾的发生，漏电保护则可以保证在电气系统出现故障时及时切断电源，保护人身安全。这些保护机制确保了系统的安全运行，降低了各种潜在的风险。在应用方面，系统适用于各种规模的建筑物，包括住宅、商业建筑、学校、医院等。这意味着在各种场景中，太阳能和空气源热泵的结合都能提供高效节能的解决方案，既降低了能源消耗，又减少了碳排放，有利于保护环境，符合绿色可持续发展的理念。在维护方面，系统结构简单，维护方便。这意味着用户在遇到问题时，可以快速找到问题所在，减少了维护成本和维修时间。此外，由于系统的设计注重简化和模块化，在后续的升级和维护过程中，也更容易进行，进一步提高了系统的稳定性和可靠性。

基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统设计

基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统设计

基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统设计

———————————————————————————————— 作者：

———————————————————————————————— 日期：

ﻩ基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统设计

(青岛理工大学环境学院）

张忠军２00705172

赵贺光200７05１７3

摘要：本文分析了我国太阳能利用的政策，以及利用的现状，以一栋住宅楼为例设计了基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统，并分析了其经济性、可靠性和环保性。

关键词:太阳能热水系统 建筑 集中供暖、供热水

中国作为一个耗能大国，能源结构却以化石能源为主，而化石能源的消耗带来了和严重的环境污染问题日益显现，有专家预言,到2０50年,太阳能和其他可再生能源将替代石油和煤炭,逐渐成为世界能源的主角。建筑耗能是我国的能耗大户。2０0０年，全国建筑能耗为3.56亿吨标标煤,占全国总能耗的2７.８%。在我国建筑能耗中,采暖能耗占很大的比例。目前我国单位建筑面积的采暖能耗约比发达国家高２倍以上。本文设计的基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统将太阳能与建筑节能结合，有利于我国现行的节能减排政策。我国太阳能采暖的研究开发工作还处于初级阶段,目前虽然已建成一些太阳能采暖系统的示范工程,但与太阳能组合系统的推广应用尚有一定距离。

太阳能热水系统在中国应用已十分广泛,但是大型太阳能热水系统应用很少，本项目主要设计将小区的分户热水系统设计为集中建设在房屋顶部的大型太阳能热水系统。该系统制造的热水主要是可用于冬季的的地热供暖，也可用于冬、夏季的供热水,由于地热供暖水温要求5０℃左右,所以该系统可大大提高太阳能集热器的热利用效率。从而更有效的利用太阳能。

太阳能采暖利用太阳能加热的系统，既可以为用户提供生活热水，又可以为住宅供暖。实际上，太阳能采暖系统和太阳能热水系统的基本构成是相似的,太阳热水系统通常由集热器、贮水箱、连接管路、辅助加热器、控制器等部件组成。本次设计的系统为带辅助能源的间接系统。

太阳能及空气源热泵联合供热水系统设计

太阳能及空气源热泵联合供热水系统设计

创新技术　Ｑ：　！　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　

太阳能及空气源热泵联合供热水系统设计①②　

蔡黎燕饶菲菲杨旭东付江涛王丰余克志　（上海海洋大学上海　２０１　３０６）　

摘　要：该文以上海海洋大学学生公寓第十小ｇ．８５－－８７幢为研究对象，研究采用太阳能与空气源热泵系统联合供热水系统的可行性，对其进行负　

荷计算，对主要设备包括太阳能集热器和空气源热泵进行进型计算。　

关键词：热水系统　太阳能　空气源热泵设计　

中图分类号：ＴＵ９９５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４－－０９８Ｘ（２０１３）０３（ａ）－－００２５－－０２　

随着社会的发展和人们生活水平的提高，对热水的需求量也越来　

越大，对生活用热水制取的方法也更为重视。以传统能源为主要燃料　

的国家正面临严重的环境污染，也由于传统能源的不可再生性，促使　

越来越多的人们开始关注新型能源。空气源热泵机组也称为风冷热泵　

机组，其节约能源和安全性使该机组得到了广泛的利用，为太阳能及　空气源热泵联合提供了良好的发展机遇与广阔的运用空间。　

１热水工程概况　

１．１工程介绍　上海海洋大学位于上海市东南临港新城，光照好，可以充分利　

用地理优势免费利用太阳能这一新型能源。采用太阳能和空气源热　

泵联合运行的模式，是因为这个系统集两者的优势于一身，既可以　在光照不足太阳能供能不足的条件下，采取空气源辅助加热，也可　

以在光照充足的条件下充分利用太阳能，减小消耗，同时到达经济　

性和节能性的要求，性价比较高。　１．２太阳能及空气源热泵联合运行原理　

如图ｌ所示，整个系统分为两部分，第一部分为太阳能供热，包　

括太阳能集热器收集热量，循环水泵将水不断送入集热器来获取　

热量将水加热；第二部分为热泵循环部分，其中冷凝器是热泵工质　

与热水换热的部件，也是主要加热水的部件。　

２负荷计算　

２．１负荷需求　以第十小区８５—８７幢为例，考虑学生寒暑假的情况，具体的用