太阳能辅助空气源热泵系统的应用分析

崔玉

摘 要：太阳能热水辅助空气源热泵系统具有高效节能、安装方便、一机多用等显著优势，且在解决寒冷冬季室外盘管结霜问题上行之有效。本文从该系统的工作原理和运行模式出发，建立数学模型对在实际项目中的经济性进行分析。结果证明，相比独立使用的空气源热泵系统，该系统虽然初投资较高，但制热效率好、运行费用低，宜在部分地区得到推广。

关键词：太阳能 空气源热泵 盘管结霜问题 经济性

中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0109-02

近年来，能源危机正在加剧，建筑能耗已成为于我国能源消耗行业的前三。而其中的50%以上便是供暖和空调能耗。因此，建筑节能已成为我国节能减排工作的重点。

空气源热泵是利用逆卡诺原理，以极少电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能的热泵技术[1]。其缺点是由于空气能是分散能源，制热速度慢，热效率不是很高[2]。另外，在冬季寒冷地区盘管容易出现结霜问题，受地域限制。

太阳能系统是指将分散的太阳能通过太阳能集热器把太阳能转换成热水，然后通过将热水输送到发热末端来提供建筑供热需求的一种采暖系统[3]。高效节能、绿色环保是其显著优势，缺点是能源利用不连续、不稳定，及非采暖季利用率低。

而太阳能辅助空气源热泵系统可将二者优势结合起来，同时有效避免劣势，成为环保节能、运行稳定、能源利用率高的可实现建筑节能的空调系统。本文将从实际项目出发，论证该系统的经济性。

1 项目概况

本项目位于四川甘孜州，建筑总面积为6818m2，是有地上三层、地下一层的酒店，冷负荷为637.48kW，夏季设计温度为24℃～26℃；热负荷为589.08kW，冬季设计温度为20℃～22℃。根据当地太阳能资源、天气条件等因素，方案拟采用太阳能—空气源热泵联合系统来满足用户冬季供暖、夏季制冷的需求（见表1）。

2 工作原理与运行模式

系统原理见图1，该系统可同时满足建筑的制冷、供热和热水需求。主要分为以下3种运行模式。

（1）夏季时：阀2处于关闭状态，阀1和阀3被开启。此时，空气源热泵通过压缩机进行做功压缩，冷媒从室内空气中吸取热量，系统和外界空气交换热量达到制冷效果。而太阳能系统则利用太阳能集热器集热，进行热水供应。（2）过渡季节：空气源热泵处于关闭状态，太阳能系统继续进行热水供应。（3）冬季时：白天，阀1、阀3开启，阀2关闭，建筑热负荷由空气源热泵独自承担，太阳能加热的热水暂由储热水箱储存；夜间，阀1、阀2均处于开启状态，阀3被关闭，此时，空气源热泵系统和太阳能系统联合供热，利用太阳能热水为空气源热泵的低位热源和制冷剂换热，提高蒸发器出口侧制冷剂温度，优化热泵制热性能。

3 数学模型的建立

3.1 空气源热泵机组模型

热泵机组的性能系数：

COP=Q1/W（白天、夜间、联合供暖时分别取：3.3、2.2和4.0） （1）

Q1为热泵机组的制热量（即室内热负荷），W；W-热泵机组输入的电功率，W；Q2为空气源热泵机组蒸发器（换热器）吸收的热量，W；Q3为太阳能储热水箱放出或空气被吸收的热量，W。

3.2 太阳能集热器模型

直接系统太阳能集热器总面积应按下式[4]计算：

Ac为直接系统集热器总面积，m2；QH为建筑物耗热量，W；JT为当地集热器采光面上的冬季平均日太陽辐照量（取13.7×106），J/（m2·d）；f为太阳能保证率（取0.7），%；Ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率（取0.6），%；ηL为管路及贮热装置热损失率（取0.25），%。

4 经济性分析

4.1 初投资

与纯空气源热泵系统相比，联合供热系统应多出太阳能集热器的初投资费用（蒸发器价格可忽略），即：F=f·Ac=450×2170 = 976500元

F为增加的初投资；f为太阳能集热板的单价，元/m2；Ac为太阳能集热板总面积，m2。

4.2 运行费用

采暖期约为150d，在同时运行期间管理费用和维护费用情况下：

⑴联合供暖系统中热泵机组电费：

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

W为热泵机组输入功率，kW；t为单日运行时间，小时；T为采暖期，天；s为商用建筑电费单价，元/kW·h。

⑵纯空气源热泵系统电费：

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

4.3 寿命周期的回收期分析

经分析计算，投资回收期约5.49年。可见：联合供暖方案设计合理，且太阳能系统的寿命取12年，则联合供暖系统可省电费共：（658694.52-480851.28）×6.51=1157759.49元。

5 结论

（1）在冬季寒冷但太阳能资源相对丰富的地区，太阳能辅助空气源热泵系统具有一机多用、供暖高效稳定，且不会出现冻结、结霜等问题的显著优势。

（2）在使用太阳能辅助空气源热泵系统时，合理选取太阳能集热器面积、确定联合供暖能效比至关重要。

参考文献

[1] 中国百科网.空气源热泵工作原理-空气源热泵原理（图）[EB/OL].www.Chinabaike.com/t/30194/2014/0502/2157352.html.

[2] 百度文库.空气源热泵优缺点及其工作原理[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/d6b2532ee97101f69e3143323968011ca200f770.html.

[3] 360百科.太阳能采暖系统[EB/OL].https：//baike.so.com/doc/1658750-1753420.html.

[4] GB 50495-2009，太阳能供热采暖工程技术规范[S].