太阳能辅助空气源热泵在工程中的应用探讨

杨静竹　管丽萍

摘要：随着社会的不断发展、经济水平的不断提高，人们的生活条件也在不断的改善，对建筑内环境的要求也越来越高。太阳能供暖依靠太陽能资源，具有节能、环保的优势，但是常规的采暖方式会受到当地气候条件的影响，不能全天候的运行，部分时间还需依靠电加热获取能量，存在着较大的地域及气候限制。随着科学技术的进步，热泵逐渐被各个领域所应用。本文提出，将热泵技术与太阳能相结合可以改善传统太阳能的不足，实现全天候的运行。本文主要介绍太阳能辅助空气源热泵的原理，同时列举工程实例来探讨其应用价值。

关键词：太阳能;空气源热泵;原理;价值;应用

目前我国生活热水工程在发展过程中消耗的能源越来越多，随着可持续发展的推进，降低生活热水工程在总能耗中的占比是目前社会关注的热点话题。太阳能是重要的可再生能源，空气源热泵的出现能够以消耗部分太阳能作为补偿，实现热量从低温热源到高温热源的迁移。

1 太阳能辅助空气源热泵应用的意义

在经济发展的进程中，各领域对能源的需求量也在不断的增加，导致能源消耗、环境污染日益严重。因此对能源的供应提出了更高的要求，今后的发展方向应该是节能型、低耗型的。生活热水工程主要是指为满足人们日常生活中对热能需求所建设的工程。根据我国相关规范，在民用生活热水工程设计的阶段就要考虑节能的问题，要求各地在供暖系统的建立中推广使用太阳能，要求新建住宅、宾馆、酒店以及商用楼等统一安装太阳能系统。但是在我国南方的地区，没有集中供暖热源可用，多数居民应用电加热进行取暖，而且部分地区受到季节天气的影响，很多时候不能应用太阳能来获取热水，通过上述途径获取热水增加了对城市能源的消耗，同时也提高了热水系统的运营成本[1]。因此通过辅助装置来改善气候对太阳能应用的限制有着重要的意义，能够降低能源消耗，促进能源的可持续发展。

2 空气源热泵的原理

空气源热泵的运行原理是逆卡诺循环，热泵通过压缩机做功，该过程能够使介质发生物理变化，实现从气态到液态再到气态的过程，在此过程中不断的往复循环，不断的吸热、放热，从而将冷水逐步加温变成热水，最终满足采暖需求[2]。但是空气源热泵自身也具有一定的局限性，其供热的能力、性能系数等都会随着室外温度的降低而下降，主要还是适用于最低气温不超过-10℃的地区，所以在极寒地区的应用并不是很广泛。

3 太阳能辅助空气源热泵的应用条件

在施工图设计阶段，通常是将热泵机放置在光照充足的建筑屋面上，但是在多数民用建筑的屋面上，通常会预留设备机房的位置，同时布置一些水暖管道，这样就可能导致管道交汇密集，对热泵装置的外形尺寸选择有较大的限制。同时在设计热泵制热系统之前，需要对当地的地域及气象条件进行分析，考虑在实际的建设中是否需要增加辅助加热系统。在通常的设计过程中，认为最低温度低于-10℃的地区在选择空气源热泵机组的同时要设置辅助热源。我国华东、华南大部分地区冬季室外温度不是很低 ，能够满足热泵的运行要求，可以不考虑设置，这样就降低了设计的复杂性、工程的初投资和后期的维护费用。

太阳能辅助空气源热泵系统又被称为太阳能热泵，主要是以空气源热泵作为供热主体，太阳能作为附加的一种装置。空气源热泵产生热能的过程，实质是提取空气中的太阳能，据热泵工作原理，系统整个的运行过程中仅消耗少量电能。太阳能辅助空气源热泵可以分为直膨式太阳能热泵系统、非直膨式太阳能热泵系统两种类型。直膨式太阳能热泵系统是指将制冷剂作为太阳能集热的工质，将太阳能集热器作为热泵的蒸发器，通过热泵的循环作用冷凝，将热释放给被加热的对象;非直膨式是指将水、空气及防冻液等作为工质，分为串联、并联、双热源三种形式。

4 技术方案设计及实例

在后期太阳能辅助空气源热泵的应用中，应当不断的优化该装置在严寒地区的使用性能，提高其地域适应性，为寒冷、农村等地区提供更好的技术支撑。对于农村民用建筑建设来说，高投资、运行及维护的复杂性会阻碍技术的进一步推广，因此在设计上应当在原有空气源热泵的基础上，遵循易操作、低成本及技术可靠的原则进行设备研发。具体来说，有以下几种方式：①单一空气源热泵供热：在没有光照的情况下空气源热泵从空气中获取热的单一运行模式。②单一空气源热泵供冷：主要是在炎热的夏季对建筑供冷。③太阳能辅助空气源热泵：主要是在室外温度较低的白天，当有太阳辐射热可利用的时候，提高运行效率。通过对较寒冷的哈尔滨和北京两个城市的气象数据进行分析计算，分五种工况来研究热泵蒸发器温度发生变化后其制热性能系数的变化。通过初步计算，在其他条件完全相同的情况下，如果只改变蒸发器空气的进口温度，热泵的制热性能系数会增加，温度每增加1℃，热泵的制热性能系数就会增加0.06[3]。在寒冷的冬季利用空气源热泵进行供热时，温度每增加1℃，制热性能系数就会增加0.04-0.07，保守计算取0.05。通过该项研究说明，热泵蒸发器温度的升高，能够在一定程度上提高空气源热泵制热性能系数。

综上所述，与单一的太阳能或空气源热泵系统相比，太阳能辅助空气源热泵系统的出现不仅能够有效的增加制热量，提高热泵的制热性能系数，减少单一系统的地域限制，从而能够高效、安全、稳定地运行。同时太阳能辅助空气源热泵能够提取空气中的热能，减少能源消耗，具有较显著的节能环保优势。

参考文献：

[1]王建玉.空气源热泵辅助太阳能热水系统的节能控制策略研究[J].节能，2018，37（6）：70-45.

[2]郭宏伟，王宇，高文学，等.不同气候区太阳能-空气源热泵热水系统运行性能评价[J].制冷学报，2019，25（4）：45-51.

[3]刘志辉，陈哲.北方农村地区冬季太阳能光热系统与空气源热泵系统辅助采暖运行监测分析[J].墙材革新与建筑节能，2019，57（6）：476-55.