空气源热泵热水机组与太阳能热水系统的运用

54技术空间T e c h n o l o g y1项目概况福建省厦门第一高级中学，系福建省普通中学一级达标学校，省重点中学。

本工程为厦门第一中学新建学生宿舍提供生活热水，总用水量为60吨。

采用空气源热泵机组结合太阳能系统方式满足该系统生活用热水需求。

热泵机组、保温水箱及太阳能集热器与其他相关设备均安装在工程地点屋面上，采用24h供水方式，设计有回水。

系统采用P L C可编程控制，根据气候、环境温度及水箱温度自动调节热泵加热时间，使用费用极低。

2项目名称福建厦门一中太阳能结合空气能热泵热水工程（江苏天舒电器有限公司中标）3当地气候厦门常年平均气温20.6℃。

1月最冷，常年月平均气温12.6℃，平均最低气温为9.9℃。

7月最热，常年月平均气温28.0℃，平均最高气温为32.3℃。

常年日照总时数为1953小时，7月份最多（达248小时），2月份最少（达99小时）4设计参数最冷月冷水设计温度：5℃；热水最高设计供水温度：55℃；设计总用水量为60t；水的比热：C=4.187k J/K g·℃=1k J/K g·℃当地年平均日辐照量：12128k J/（m2·D）5设计计算5.1每天耗热量计算Q d=1000q r cρ（T r-T L）·M·k c/860式中：Q d———日耗热量W，Q r———热水用水定额，L/（C a p·d）或L/（B·d)；C———水的比热，C=1K J/（K g·℃）；Ρ———热水密度，K g/L；T r———热水温度，℃；T L———冷水温度，℃；M———用水计算单位数（人数或床位数）；K c———系统散热量系数，可根据当地气候，系统保温情况选取，现取1.05。

60t冷水加热到55℃的日耗热量按公式计算得：3663k W。

以机组工作20h计，小时耗热量为183.15k W。

5.2太阳能集热面积太阳能集热面积需：A c=Q r d cρr(T r-T L)F/[J tη(1-ΗL)] =60000×4.1868×1×（55-5）×45%/[12128×0.5×（1-0.2）]=1165m2式中A c———直接加热供水系统集热器总面积，m2；Q r d———设计日用热水量，L/D；C———水的比热，4.1868k J/（k g·℃）；Ρr———热水密度，k g/L；T r———集、贮热水箱内热水设计温度，℃；T L———冷水温度，℃；J t———当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，k J/（m2·D）；F———太阳能保证率；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%~80%；Η———集热器年平均集热效率；经验值为0.45~0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；ΗL———集热系统热损失率，经验取值为天舒福建厦门一中太阳能结合空气能热泵热水工程简析55技术空间T e c h n o l o g y0.15~0.30。

空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的设计和应用何芳兵;吴俐俊;王文平【摘要】太阳能作为可再生能源,在建筑节能中越来越受到人们的重视.根据工程实例,分析和探讨空气源热泵和燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的特点,应用范围,工作工况以及运行系统,力求实现太阳能热水器与建筑的优化设计,促进空气源热泵和燃气锅炉辅助加热太阳能热水技术在建筑领域的推广应用.【期刊名称】《应用能源技术》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P21-24)【关键词】太阳能;空气源热泵;燃气锅炉;建筑节能【作者】何芳兵;吴俐俊;王文平【作者单位】同济大学机械与能源工程学院,上海201804;同济大学机械与能源工程学院,上海201804;同济大学机械与能源工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TK5130 引言在建筑领域，太阳能作为一种取之不尽的新型清洁能源，在热水、照明、采暖、电力、制冷等多个方面得到开发和利用。

作为新能源的代表，太阳能产业作为主流趋势，太阳能的开发和利用被推上前台，特别是太阳能与建筑优化结构逐渐成为我国太阳能热利用的发展方向，目前已经取得了较好的节能效果[1-5]。

由于太阳能随着季节变化比较明显，晴天及阴天的变化也是如此，其辐射量差异较大，从而导致太阳能集热器产热量变化较大。

因此，为了满足用户热水需求，设置辅助热源是必不可少的步骤。

以空气源热泵运行原理设计的热水系统，是根据逆卡诺循环原理，利用空气中的热量，制热系数一般是3～4，它的高效节能的优点也越来越受到人们的重视。

为了使系统足够稳定，燃气锅炉也是必不可少的组成部分。

本文参考上海地区气候条件，对空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统进行了设计计算和设备选型分析，为太阳能热水系统在该地区的太阳能建筑一体化进程以及推广应用提供理论依据[6-11]。

1 供热水系统构成及原理1.1 系统构成过热水系统构成图如图1所示。

空气源热泵原理由生活中的知识中我们能够知道，热水能够自己慢慢向空气中放热，冷却成凉水，这表示热量能够从温度高的物体——热水自动的传达到温度低的物体——空气。

那么可不可以够将这个过程反过来进行，将温度较低的空气中的能量向热水中转移呢热力学第二定律指出：不行能把热从低温物体传到高温物体而不惹起其余变化。

这就是说，热量能自觉的从高温物体传向低温物体，而不可以自觉地从低温物体传向高温物体。

但这其实不是说热量就不可以从低温物体传向高温物体，就向水泵能够使水从低处流向高处相同，热泵经过耗费一部分电能，也能够使热量从低温物体传到高温物体。

空气源热泵热水器就是依据这样一个原理来工作的，经过耗费少许的电能驱动压缩机，使制冷剂汲取空气里的热量来加热生活用热水的，其制热成效比传统热水器超出3 倍，而耗费的电能仅为一般热水器的三分之一，并能从根本上根绝了漏电、一氧化碳中毒的危险热泵热水器的工作过程以下：如上图所示，压缩机经过耗费一部分电能，将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的气体，高温高压的气体在冷凝器中放出热量将水加热，自己温度被降低，经过膨胀阀节流降压后，变为低温低压的气液混淆物，在蒸发器中制冷剂汲取其余介质（如空气、井水）中的热量，变为低温低压的气体，而后再被压缩机汲取，压缩成高温高压的气体加热热水。

？与其余形式的热水器对比，热泵热水器主要有安全、节能、环保的特色。

安全性：传统热水器以燃气、电和太阳能为主，三分天下，燃气热水器安全性较差，焚烧不充分和水压不稳固易造成燃气中毒和烫伤事件，电热水器的漏电隐患和住宅接地不良也抵花费者的生命安全造成严重威迫，太阳能热水器储水式的特色决定了其在晴日时，水温可能很高，造成烫伤，阴雨天的电协助加热却留下安全隐患，与以上热水器不一样，热泵热水器制热过程是经过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水，电主要用于压缩机，制热后的气体经过外盘式的盘管与搪瓷水罐中的水互换热量，水电完整分别，这样，既不存在漏电隐患，省去了防漏电的烦忧，也防止了电加热管表面温度高，易结垢并影响加热效率的缺点，真实作到绝对安全。

太阳能和空气源热泵联合供热系统合用储热水箱容积的探讨作者：谭春来源：《房地产导刊》2014年第07期【摘要】通过攀西地区的工程实例，对太阳能加热系统和空气源热泵联合制热系统合用储热水箱有效容积的设置进行了探讨，并得出结论。

【关键词】太阳能空气源热泵储热水箱1.1太阳能和空气源热泵联合制热系统为响应国家节能减排，发展清洁能源的号召，减少雾霾的产生,当在太阳能资源比较丰富的地方应设置太阳能热水系统。

攀西（攀枝花和西昌）地区贴近云南，日照充足，晴天居多，属于冬暖夏热的区域，非常适合太阳能和空气源热泵的设置。

《建筑给水排水规范》GB50015-2003(以下简称建水规范) [3]对于太阳能加热系统和空气源热泵热水供应系统储热水箱有效容积都有特定公式可查。

但对于某些中小型建筑，为节省投资，太阳能和空气源热泵通常合用一个储热水箱。

建水规范对于这种合用水箱的容积没有一个特定标准。

下面以一个工程实例对此进行分析。

2.1工程实例某宾馆位于西昌市，设计床位m=350人，时变化系数内插法计算得Kh=3.2，热水定额取qr=140L/人•日。

用水时间T=24小时，采用太阳能和空气源热泵系统联合供热。

宾馆设计热水日用水量： =49m3/d宾馆设计热水最大小时用水量 =6.53m3/h2.1.1通过太阳能系统计算储热水箱：公式1式中：Ajz——直接加热集热器总面积(m2)；qrd——设计日用热水量（L/d），以140L/人•日计C——水的比热容，C=4.187（kJ/kg. ℃）；ρr——热水的密度，取ρr=0.9832kg/L；tr——热水温度（℃），tr=60℃；t1——冷水温度（℃），四川地区t1=7℃；Jt——集热器采光面上年平均日太阳辐照量(kJ/m2.d)，参照昆明地区Jt=15551kJ/m2.d；f——太阳能保证率，取f =50%；ηj——集热器年平均集热效率，取ηj =50% ；η1——贮水箱和管路的热损失率，取η1 =20%；代入数据可得，Ajz为859.3m2，太阳能水箱集热系统储热水箱有效容积公式2式中Vr——储热水箱容积（L）qrjd——单位采光面积平均日的产热水量（L/m2.d），直接供水系统qrjd=40～100L/m2.d，根据我国太阳能资源分区及分区特征，攀西地区属于太阳能条件资源一般地区，取60 L/m2.d。

太阳能热水系统控制及原理一、智能型太阳能、热泵互补热水系统原理说明：注：进水在集热器入口，集热循环水泵出口，集热水箱底部出水供用户使用。

太阳能供水系统原理说明新能源太阳能中央热水器由以下四大部分组成:太阳能集热器：吸收太阳能，将光能转化为热能，使冷水在集热器内被加热；保温水箱：储存热水，可保温3天，内胆为不锈钢，外包8厘米保温层，最外层是铝合金外壳；热泵辅助加热系统：用于阴雨天辅助加热：供热水管道：将经过增压泵加压后的热水引向各用水点，主管道有保温层，未端有回水管。

晴天，当太阳能把集热器内的冷水加热至55C时（该温度可调），冷水管上的电磁阀门自动打开，冷水被自来水压力压入集热器内，集热器内的热水被挤出，然后进入到保温水箱中储存待用，当冷水到达集热器出口处的温度探头时，探头温度底于55r，电磁阀门就立刻关闭，冷水停留在集热器内继续被太阳能加热，2-5分钟后，水温又达到55°C时，电磁阀门再次打开，集热器内的热水又被挤到保温水箱中，按此规律，一次又一次的产生热水进入水箱，水箱内热水逐渐增加，一直增加到水箱水满为止。

水箱水满后，就停止进水，如果还有太阳，为了充分利用太阳能，循环泵会自动启动，把水箱内55 C的热水抽出来，经过太阳能集热器循环加热，使水温进一步升高至60-70 C，当水温达到70C时，就停止循环加热，限制水温不要超过70 C，以免烫伤人，又可防止结水垢（产生水垢的温度条件是水温超过80C）。

热泵加热系统只有在太阳能光照不足时才启动，为最大限度地利用太阳能，减少电能的消耗，我们将设定3个时间段检测保温水箱的水位。

在上午10: 30〜11: 30,如果保温水箱内热水水位还不到40%勺位置，则自动启动热泵加热系统，往保温水箱补充50C的热水，如果水位达到设定值，则热泵系统停止工作。

同样，在中午12: 30〜1: 30,系统自动检测保温水箱70%勺水位，在下午3: 30〜6: 30,系统自动检测保温水箱100%勺水位。

空气能热泵热水系统摘要：随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加快，能源的消耗也在逐年提高。

节能减排倡导可持续发展的政策不断出台。

空气源热泵技术也越来越多的受到各方面的重视和青睐。

关键词：空气源热泵；热水系统；循环式空气源热泵热水系统是空气源热泵在制备热水上的具体应用。

空气源热泵属于热泵的一种形式。

热泵是一种利用高位能（例如电能）使热量从低温环境向高温环境转移的节能装置。

热泵热水系统由蒸发器（吸收环境空气中热量的换热器）、压缩机、冷凝器（制取热水的换热器）储热水箱、膨胀阀及相关的副件和管路组成。

热泵通过工作介质在蒸发器和冷凝器中的相变伴随着的吸热和放热的过程实现能量的转移，从而制备热水。

热泵根据蒸发器吸收热源的性质分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵、双源热泵等。

空气源热泵热水系统的热源来自大气。

太阳在向地球辐射时，其中20%到30%的热量留存在空气中，因此空气中储存了巨大的热量。

这种热量具有的优点就是几乎是取之不尽，用之不竭。

而且处处都有，开采方便。

缺点也比较明显，就是大气获得的太阳辐射热量是不均匀的，跟季节和地域有很大关系。

因此有些地区适合使用空气源热泵热水系统，有些地区不太适合或不适合。

说到适用性就要说到空气源热泵的制热能效比（COP）了。

空气源热泵是利用电能驱动将空气中的热量转移，转移产生的热量和转移过程中所消耗的电能之间的比值就是空气源热泵的制热能效比（COP）。

下图是一张空气源热泵热水系统的COP变化曲线图。

从图中我们可以看到空气源热泵热水系统的制热能效比（COP）是跟环境温度、进水的水温相关联的。

首先环境温度。

环境温度越高，空气源热泵热水系统的制热能效比就越高（COP）。

因此从季节上来说，夏季的能效比最高，春秋次之，冬季能效比最差。

从地域上来讲，显然南方的制热能效比要高于北方地区。

我国疆域辽阔，其气候涵盖了寒、温、热带。

根据各地区的气象资料，以下地区的气候特点非常适合应用空气源热泵：（1）温和地区：云南大部、贵州、四川西南部、西藏南部一小部分地区；（2）夏热冬暖地区：海南、台湾全境；福建南部；广东、广西大部以及云南西南部和元江河谷地区；（3）夏热冬冷地区：上海、浙江、江西、湖北、湖南全境；江苏、安徽、四川大部；陕西、河南南部；贵州东部；福建、广东、广西北部和甘肃南部的部分地区。

供热系统建设项目书序言根据世界权威部门统计：人有65%以上的耗能是在取热方面，20%是在夏季气温调节上。

随着经济的发展及人民生活水平的提高，人们对生活供热需求量迅猛增长。

由于地球上有限能源的过度开采并对环境造成的破坏，加之燃油、燃气的使用成本过高等等，国家对此推行循环经济政策，对环保执法力度的加强，倡导人类共创新能源环境发展的健康之路。

因此，近年来以太阳能为供热源的热水器产业迅速递增。

但是，由于我国太阳能资源分布有着地区上的较大差异，南方大部份地区全年的晴天率是60%，这就意味着在满负荷利用太阳能热水器的情况下，加上安装占地面各庞大，所以相当一部分热能是源于电或燃油、燃气。

与之相比，空气能热水器作为一种新能源从自然界的空气中获取低位热能，经过少量电力做功，输出能用的高品位热能的设备，其技术已成为全世界关注的新能源技术，在西方发达国家已有20多年的使用历史。

时至今日，空气能利用技术日臻成熟，它的应用将大大缓解能源紧张，减少对环境的污染，是国家重点推广应用的高新技术产品，已被越来越多的企业和个人所认知并接受。

关于学校供热设施的建设理念随着现代社会经济的进步，中、高等院校后勤社会化改革的发展，学生的住宿条件大大提高，学生公寓的配套设施逐渐改善，洗浴设施属学校必备设施也应不断更新。

以往供热洗浴设备大多采用的煤、燃油燃气、电等，由于成本过高，不能循环使用，以及对环境的污染等。

国家为加强环保，在节能减排方面加大执法力度，为响应国家节能环保政策，可依据学校的实际情况，我公司提供更为先进、高效的新能源供热洗浴设施的建设，既能为在校住宿的老师和学生提供可靠、安全、卫生、便利的热水供应，更能有效地降低学校在生活供热方面的运行成本及其他管理费用，并且对环境不造成污染。

我公司采用的高效供热设施系统在热水工程中应用普及。

供热系统的工作原理本公司的供热设施系统由高性能空气能热水机组、高效太阳能集热装置、蓄热水箱、热水输入管道线，运用光、时、温度综合自动控制系统组成，热效率高达760%，保证提供恒温的生活热水。

施工现场太阳能、空气能利用技术3.1施工现场太阳能光伏发电照明技术3.1.1 技术内容施工现场太阳能光伏发电照明技术是利用太阳能电池组件将太阳光能直接转化为电能储存并用于施工现场照明系统的技术。

发电系统主要由光伏组件、控制器、蓄电池（组）和逆变器（当照明负载为直流电时，不使用）及照明负载等组成。

3.1.2 技术指标施工现场太阳能光伏发电照明技术中的照明灯具负载应为直流负载，灯具选用以工作电压为12V的LED灯为主。

生活区安装太阳能发电电池，保证道路照明使用率达到90%以上。

（1）光伏组件：具有封装及内部联结的、能单独提供直流电输出、最小不可分割的太阳电池组合装置，又称太阳电池组件。

太阳光充足日照好的地区，宜采用多晶硅太阳能电池；阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的地区，宜采用单晶硅太阳能电池；其他新型太阳能电池，可根据太阳能电池发展趋势选用新型低成本太阳能电池；选用的太阳能电池输出的电压应比蓄电池的额定电压高20%~30%，以保证蓄电池正常充电。

（2）太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；在温差较大的地方，应具备温度补偿和路灯控制功能。

（3）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。

根据临建照明系统整体用电负荷数，选用适合容量的蓄电池，蓄电池额定工作电压通常选12V，容量为日负荷消耗量的6倍左右，可根据项目具体使用情况组成电池组。

3.1.3 适用范围施工现场临时照明，如路灯、加工棚照明、办公区廊灯、食堂照明、卫生间照明等。

3.1.4 工程案例北京地区清华附中凯文国际学校工程、长乐宝苑三期工程、浙江地区台州银泰城工程、安徽地区阜阳颖泉万达、湖南地区长沙明昇壹城、山东地区青岛北客站等工程。

3.2 太阳能能热水应用技术3.2.1 技术内容太阳能热水技术是利用太阳光将水温加热的装置。

太阳能热水器分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，真空管式太阳能热水器占据国内95%的市场份额，太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高。

高层建筑太阳能联合空气源热泵热水系统技术导则云南省住房和城乡建设厅二〇一五年八月前言云南省具有太阳能建筑利用优越的自然条件和良好的传统习惯。

随着国家城镇化的发展，高层建筑日益成为大中城市建筑的主流。

高层建筑太阳能的光热利用，其屋面面积有限，宜采用集中式太阳能系统，并配之以空气源热泵，可以获得较为理想的节能效果。

为促进云南省高层建筑的太阳能热水系统的利用，进一步提高云南省太阳能利用的整体技术水平，在总结云南省科研院所和广大企业的科学研究、科技开发和工程实践的基础上，编制本导则。

主编单位：云南东方红节能设备工程有限公司参编单位：昆明理工大学太阳能工程研究所起草人员：目录前言 (1)1. 符号与单位 (4)2. 技术总则 (6)2.1. 太阳能与建筑一体化设计原则 (6)2.2. 太阳能利用优先原则 (6)2.3. 相关技术标准 (6)3. 热水量设计 (8)3.1. 热水定额标准 (8)3.2. 热水量计算 (9)4. 热水系统总体设计 (11)4.1. 系统构成与选择 (11)4.2. 热水箱设计 (16)4.3. 集热器面积计算 (16)4.4. 热泵容量设计 (17)5. 系统防冻设计 (19)5.1. 系统防冻方式选择 (19)5.2. 工质防冻方式设计 (20)5.3. 循环防冻方式设计 (21)5.4. 排空防冻方式设计 (21)6. 热水供给与回水系统设计 (24)6.1. 设计总则 (24)6.2. 供水系统管径的设计 (24)6.3. 供水系统的减压 (25)6.4. 供水系统的回水 (25)7. 太阳能与建筑一体化设计 (27)7.1. 建筑屋面的规划设计原则要求 (27)7.2. 热水系统的建筑一体化设计 (28)1. 符号与单位c A —集热系统设计采光面积，㎡；'c A —太阳能集热器实际安装面积，㎡C —水的比热容，)/(184C kg kJ .︒⋅； d —管段直径，mf —太阳能保证率，一般取70%左右比较经济，若集热器安装面积受到限制，应不低于50%；'f —按太阳能集热器的实际安装面积核算的太阳能保证率 T J —集热器受热面上年平均日辐照量，kJ/㎡d ；h K －热水用水小时变化系数，见表2-2～表2-4j K —辅助能源容量系数N —设计用热水计算单位数（人或床），对于住宅，可按3～5人/户、入住率60％～80％计算h q —最大小时用热水量，m 3r q —热水定额，见表2－1，L/d 人（床）d Q —系统日耗热量，d kJ /g Q —设计小时供热量，h kJ /，kwj Q —系统平均小时耗热量，h kJ /w Q —设计日用热水量，d m 3r t —设计热水温度，C ︒；l t —冷水初始温度，C ︒；T —设计小时耗热量持续时间，h T 4~2=。