平板太阳能空气源热泵复合热水系统应用研究
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平板太阳能空气源热泵复合热水系统应用研究 高秀明 王春敏 王强 1济南艾嘉热泵技术有限公司 济南 250011 2 山东建筑大学热能工程学院 济南 250101 摘要 作为小型锅炉替代热源的太阳能热泵热水系统具有节能环保的优势。在对太阳能-空气源复合热泵热水系统进行理论论证的基础上，结合济南彩云商厦平板太阳能空气源热泵复合热水系统的运行情况，分析了系统的性能。结果表明，平板太阳能-空气源热泵热水系统全年运行具有较高的稳定性和节能性，出水率最大能达到350%，机组排气温度最高不超过100℃，全年综合节能率达到90%以上，具有重要的经济意义和社会效益。 关键词 平板太阳能 空气源热泵 辅¬助加热 热水系统 Application Study on Flat Solar-air Compound Source Heat Pump Hot Water System Gao Xiuming ¬¬1， Wang Chunmin ¬¬1， Wang Qiang2 （1 Jinan Aijia Heat Pump Technology Co．， Ltd．， Jinan 250011， China 2 School of Thermal Energy Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China） Abstract Solar-air compound source heat pump hot water system has advantages of energy saving and environment protection as alternative heat source of little scale boiler． The performance of solar-air compound source heat pump hot water system used in Jinan Caiyun business mansion has been analyzed based on theoretical demonstration． The results show that flat solar-air compound source heat pump hot water system has good stability and energy saving parameters． The most water bursting ratio reached 350% and the highest exhaust temperature less than 100℃． The integrated energy saving standard of this system is above 90%． Keywords flat solar energy heat collector； air source heat pump， hot water system 近年来，随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，太阳能热利用和节能热泵技术愈来愈受到重视。太阳能受季节和天气影响较大，热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。热泵技术是一种很好的节能型供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，将能质系数低的能源变为能质系数高的能源，从而节约高品位能源。 太阳能热泵热水系统将太阳能与空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有功能的条件下，不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的低密度、间歇性和不稳定性等缺点，真正实现了“全天候”的热水供应，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的。太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。 1 平板太阳能热泵热水系统 1.1 系统的组成 平板太阳能热泵热水系统主要包括平板太阳能集热器、空气源热泵机组和热水蓄热水箱三个部分，如图1所示。
www.100gczg.com 1.2系统的运行模式 1.2.1太阳能加热生活热水 在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，断的将集热器采集的热量通过中间换热器输送到热水箱。 1.2.2太阳能和热泵机组同时加热生活热水 在晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量相对较少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。 1.2.3热泵机组直接加热生活热水 在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水进行加热。 2 太阳能热泵热水系统理论分析 根据我国北方大部分地区的太阳辐照资料，按照卫生热水系统平均耗热量和太阳能集热器日平均得热量确定太阳能热水系统的集热器面积，太阳能—热泵中央热水系统中，太阳能直接加热可满足热水系统全年60%—80%的热量需求，其余20%—40%的热量由太阳能辅助加热空气源热泵机组（热泵平均COP可达3.5）供应，即其所供应热量有60%以上来自集热器。在整个系统运行中，集热器吸收太阳能的利用率接近100%，辅助加热的电力消耗只占系统总制热量的5.7—11.4%，较常规能源的热水系统（电热效率为90%）可节能90%—98%。理论分析计算如表1。 w
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w.100gczg.com 通过上述分析可见，太阳能—热泵中央热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统利用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在白天最低温度不低于-15℃、太阳辐照良好的我国大部分地区都可推广应用。统和热水供应，冬天采暖运行时节约常规能源60%以上，在我国大部分冬冷夏热地区，本系统也可与建筑物采暖空调系统结合，发挥最大的节能作用。 3 太阳能热泵热水系统的实际应用 3.1 系统的配置及性能 该系统主要由平板太阳能集热器（HTC2.0A太阳集热器，北京海林太阳能设备公司提供）、空气源热泵机组（1.5P主机）和蓄热水箱（320L水箱）组成。平板太阳能集热器和蓄热水箱结构如图2、图3所示。
3.1.1 太阳能集热器 该系统的太阳能集热器，采用的是是北京海林太阳能公司生产的平板太阳能集热器，吸收体表面涂Tinos classic分光谱吸收涂层，光热转换效率高，，结构紧凑，经KEYMARK检测，光热转化率达86% 3.1.2蓄热水箱 蓄热水箱采用的是济南艾嘉热泵技术公司研究开发的超声波水位变送、温控补水、浮动出水（具有专利技术专利号）水箱，具有智能温度控制补水功能，使系统的出水温度相对恒定（一般设定为出水温度≥45℃）。因此具有出水量大、出水温度恒定的特点。结构见图3（自来水温度9—28℃，出水率110%--350%）。在自来水水温为9℃的情况下出水率为110%，
www.100gczg.com在自来水水温为28℃的情况下出水率为350%。 3.1.3空气源热泵 空气源热泵，采用的是济南艾嘉热泵技术公司研发的超低温启动（-25℃正常启动）热水器专用热泵。该热泵在低温（-15℃）和高温（≥35℃）的工况下运行平稳，排气温度稳定，冷媒使用的是艾嘉研制的热水器专用冷媒IM-1号。
平板太阳能集热器、蓄热水箱及热泵技术参数如表2、表3、表4所示。 表2 HTC2.0A太阳集热器参数表
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.com 3.2系统运行过程 整个系统吸热量以太阳能为主，空气源热泵为辅，当用水量大，或者天气恶劣，太阳能吸热量不足以满足用户需求时，空气源热泵开启，吸收空气中的热量来补充所需热量，两者运行相互独立、互不影响。 系统采用全自动控制，热泵根据环境温度、水温温度设定延时启动，当环境温度高于-15℃时，系统检测水箱温度，在设定时间内未能达到设定温度时，系统判定光照强度较弱，太阳能吸热量不足，无法满足用户需求，空气源热泵启动辅助加热，保证水箱温度满足用户需求。 3.3 运行测试结果及分析 2008年6月年由济南艾嘉热泵技术有限公司和山东建筑大学联合研究开发的并联式平板太阳能热泵热水系统在济南彩云大厦进行了实际运行效果测试，经过1年的冬夏运行，效果良好。在运行的整个过程中，大约有72天的阴雨天。
备注：热泵放水量是按国标规定放水量不低于75%所得，用水量按5L/min所得，太阳能复合热泵所得出水量是在相同放水时间内得到的最大热水量。 系统出水率增加百分比随环境温度的变化如图4所示。
统中应用自动补水技术——通过检测水箱水温和液位自动计算水箱内部热量，并根据补w
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