一、引 言  

由于我国太阳能资源十分丰富，年日照时间为2500小时的地区占国土面积的2/3以上，有的地区高达3000小时，开发利用太阳能潜力巨大，在能源危机和环境污染双重压力下，太阳能逐渐成为可再生能源中最引人注目、研究开发最多、应用最为广泛的清洁能源，在太阳能技术的研究利用中，太阳能热水系统是太阳能利用中最成熟、最具经济性的利用方式，也是目前经济上最具有竞争力的绿色能源技术。随着能源紧缺日益扩大，人们的节能意识逐渐增强。近几年国家和地方政府纷纷出台相应的政策法规，鼓励或规定在建筑中优先使用太阳能热水系统。而空气源热泵技术也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，从低温热源空气中高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到加热的目的。随着人们对获取生活用热水的要求日趋提高，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。

二、空气源热泵技术

所谓热泵，就是靠电能驱动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。也就是说，热泵可以把不能直接利用的低品位热能(空气、土壤、井水、河水、太阳能、工业废水等)转换为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能(煤、石油、燃气、电能等)的目的。在矿物能源逐渐短缺、环境问题日益严重的当今世界，利用低位能的热泵技术已引起人们的关注和重视。

 空气源热泵的历史以压缩式空气源热泵最悠久。它可追溯到18世纪初叶，可以说1824年卡诺循环的发表即奠定了热泵研究的基础。空气源热泵热水机组的制造、推广和使用在我国只是最近十几年的事情，但由于其相对传统制取热水设备的高效节能、环保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空间等优点而引起了市场日益广泛的关注。热泵热水机组以清洁再生原料（空气＋电）为能源，既不使用也不产生对人体有害的气体，同时也减少了温室效应和大气污染。目前，在我国电力资源短缺的前提下，采用热泵热水机组制取热水，既能以最小的电力投入获得最大的供热效益。

热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的,热泵热水机组工作时，蒸发器吸收环境热能，压缩机吸入常温低压介质气体，经过压缩机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器，高温高压的气体在冷凝器中释放热量来制取热水，并冷凝成低温高压的液体。后经膨胀阀节流变成低温低压液体进入蒸发器内进行蒸发，低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后蒸发，变成低温低压的气体。蒸发产生的气体再次被吸入压缩机，开始又一轮同样的工作过程。这样的循环过程连续不断，周而复始，从而达到不断制热的目的。                  

三、太阳能与空气源热泵结合技术

3.1太阳能热泵技术

  太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，它把热泵技术和太阳能热利用技术有机的结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。

  太阳能热泵技术是原有的热泵技术与太阳能光热，光伏技术的有机融合。能通过热泵的形式，提高能效的利用，而且通过太阳能作为辅助热源可以有效地避免空气源热泵等在室外空气温度过低时引起的供热能力和性能系数降低的问题，

提高了热泵对使用环境的适应性。

3.2太阳能与空气源热泵互补热利用技术

常规太阳能热水系统易受气候的影响，在阴雨天或春秋季，太阳辐射能热量较少，较难满足热水量的需求，不能全天候使用，也影响了太阳能热水系统的推广应用。空气源热泵作为节能设备具有独特优势，它可以节省高品位电能，降低化石类能源的消耗，减少环境污染。空气源热泵是以空气为热源，通过输入少量的高品位能源(电能)来实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统，空气源热泵仅消耗少量的电能可以将数倍低温热能通过压缩机的压缩变为高温热能。因此将热泵技术与太阳能热水系统有机地结合起来可弥补阴雨天太阳能的不足。太阳能热水系统与热泵互补系统结合了太阳能的清洁性、可再生性和空气源热泵的节能性，是一种节能、无污染的高效能源利用系统。

太阳能与热泵的结合有两种工作模式：一是以太阳能加热为主，以空气能热泵加热为辅，但是前提是建筑允许放置太阳能集热板，有足够的安装面积；二是以空气能热泵加热为主，太阳能加热为辅，此种模式是为了使空气能热泵在低温环境下还能高效、稳定、可靠运行，用太阳能作为其辅助热源或直接加热热水箱内的水或提供预热。

四、应用案例分析

4.1项目概况

4.1.1工程名称：浙江大学附属中学

4.1.2工程所在地：杭州市江干区丁桥镇临丁路

4.1.3建筑性质与形式：五层学生公寓，2栋；两层食堂，1栋。该学校主要建筑包括教学及教学辅助用房、办公用房和生活服务用房、地下停车库与地下用房、体育活动场所等。总建筑面积84505平方米，其中地上建筑面积55005平方米，地下建筑面积29500平方米，总投资4.985亿元。

4.1.4用热水量：男女宿舍楼55度热水各30吨，食堂55度热水20吨。

4.1.5热水用途：每个宿舍内设有淋浴间，供淋浴及洗手、洗脸用，磁卡表计量。食堂内设有职工淋浴间，供淋浴及食堂刷碗、洗菜用，磁卡表计量。

4.1.6当地的太阳辐射量：1163~1393kWh/m²·a。

4.1.7当地的气候条件：年日照时数为1400~2200H，月平均气温见表1-1

 

月份	月平均气温	月份	月平均气温	月份	月平均气温
1月	6.4	5月	22.7	9月	25.6
2月	5.9	6月	26.3	10月	21.1
3月	12.3	7月	30.5	11月	14.2
4月	17.6	8月	29.5	12月	10.4

 

表1-1

4.1.8建设单位：杭州市教育资产营运管理中心

4.1.9设计单位：杭州普桑能源科技有限公司

4.1.10施工单位：杭州普桑能源科技有限公司

4.2系统介绍

4.2.1 系统原理简述

   本工程男女宿舍楼各设置一个独立的集中生活热水供应系统，食堂设置一个独立的集中生活热水供应系统，采用太阳能辅助空气源热泵24小时集中供应热水。制取热水的水源为市政自来水（水压为0.3MPA)，太阳能集热系统采用温差循环式加热方式，冷水经过太阳能集热器预加热后贮存于20立方的集热循环水箱（A水箱，闭式水箱），当使用热水时，通过自来水的压力将A水箱的热水输送到生活储热水箱（B水箱，闭式水箱），控制系统随时感应生活储热水箱温度，当达不到设定温度时，空气源热泵加热生活储热水箱，使生活储热水箱始终恒温在55度（可调），保证24小时热水需求。自来水的补水设置于A水箱内，采用自来水的压力将太阳能预热水输送到B水箱中。热水管道末端设置温度感应点，温度低于设定温度时，回水泵工作，保证打开用水阀门，即开即热。控制系统采用杭州普桑能源科技有限公司设计开发的可编程PLC电脑控制系统，实现太阳能与热泵互补系统智能、全自动运行。

 

                             太阳能与热泵互补系统流程图

4.2.2辅助热源形式

辅助热源采用四季沐歌高效节能低温型空气源热泵，男女宿舍及食堂各采用25匹空气源热泵2台，总共6台25匹空气源热泵。

4.2.3太阳能集热器形式、集热器面积计算

采用全玻璃真空管集热器集中集热，根据GB 50364-2005《民用建筑太阳热水系统应用技术规范》，太阳集热器的总面积计算公式，经计算得: 总面积为=697.7㎡。

故所需太阳能总面积为：697.7㎡ ，但由于屋面面积有限，每套太阳能集热系统集热面积为250平米。男女宿舍楼太阳能集热器分别设置在宿舍楼顶，食堂太阳能集热器设置在食堂楼顶。

4.2.4系统设备配置

每套太阳能热水系统分别配置250平米太阳能集热器、2台25匹低温型空气源热泵、配置2台20吨卧式闭式水箱、一套PLC电脑控制系统。

（1）太阳能集热器

    目前国内的太阳能光热元件在国际上处于领先水平，本项目采用具有领先水平的四季沐歌太阳能集热设备。本项目采用高性能全玻璃真空管太阳能集热器，密集式排列，吸热快，效率高。

A、真空管：采用四季沐歌国际具有领先水平的高效全玻璃真空集热管（航天管），系能参数，见下表：

项目名称	性能参数	备注
长度（mm）	1800	符合国标
罩玻璃长度（mm）	58	符合国标
壁厚（mm）	1.5/1.6	优于国标
膨胀系数	3.3×10-6	优于国标
罩玻璃的透射率	≥0.95	优于国标
吸收体	溅射渐变铝-氮/铝	优于国标
太阳吸收比	≥0.96	优于国标
发射比	≤0.05	优于国标
真空度	≤5×10-2Pa	优于国标
空晒度	≥250℃	优于国标
平均热损系数	≤0.52W/㎡℃	优于国标
抗冰雹能力	直径25mm冰雹冲击不破损	优于国标
耐压能力	≥0.6——0.8MPa	优于国标

表1-2

 

B、太阳能集热器性能规格参数

 

项目名称		指标	国家标准	备注
型号		58（mm）×1800（mm）		符合国标
真空管支数		50		符合国标
集热器接口		DN25		优于国标
保温材料		熟化聚氨酯		优于国标
承受压力		0.6kg/㎡	0.5kg/㎡	优于国标
占地尺寸		2000（mm）×3800（mm）		优于国标
联 箱 参 数	内胆材质	0.8mm厚度304/2B食品级不锈钢		优于国标
	外皮材质	采用优质不锈钢材质，耐腐蚀，寿命长		优于国标
	保温材料	采用进口高压发泡设备，无氟聚氨酯整体发泡保温，发泡均匀，闭孔率超过98%，保温性能良好		优于国标

表1-3

（2）空气源热泵

四季沐歌空气源热泵热水机组采用目前世界上最先进、最安全、最环保、最高效的热水生产技术，结合我国用户的使用特点，全新开发出一系列空气能热泵热水机组，在进水温度、进水压力、环境温度等参数不断变化的情况下，始终保证出水温度恒定在设定值（出厂设定55℃），48～60℃可调。机组开启即有高温热水产生。

型号	KFXRS-095/II
额定制热量（KW）	94.8
定额功率（KW）	23.5
定额电流（A）	30.11
制热能力（m3／h）	2040
最大输入功率(KW)	34.3
最大输入电流(A)	52
电源规格	380V3N~50/60Hz
冷媒类型	R22
出水温度℃	55度 (45-60度可调)
进水管管径(mm)	DN50(外螺纹）
出水管管径(mm)	DN50(外螺纹）
循环水管管经(mm)	DN50(外螺纹）
水系统最高承压(MPa)	5
压缩机	高效涡旋式
室外风机出风风向	顶出风
机组宽×高×深（m×m×m)	2009×1162×2025
机组重量(kg)	760
运行噪音dB(A）	60

表1-4

（3）储热水箱

项目名称	技术参数
外形尺寸	φ2300x4800x5mm
材质	304食品级不锈钢
内胆厚度	5mm厚304不锈钢
保温材料	50mm橡塑棉
外保护层	0.5mm铝板
容积	20立方
接口	DN100法兰
工作压力Mpa	3
设计压力Mpa	10
工作温度℃	0-100
设计最高温度℃	150
介质	水
腐蚀裕量mm	0
焊接接头系数	0.97
水箱形状	卧式，圆柱型

表1-5

（4）控制系统

本项目的关键技术在于采用了计算机智能控制技术，杭州普桑能源科技有限公司电气工程师将确定太阳能热水系统运行的所有影响因素全部转换成计算机能够识别的信号，输入计算机，并将所有可能出现的情况和在各种情况下太阳能热水系统应该采取的运行指令编制成计算机程序，输入计算机。这样，根据太阳能热水系统实际运行的状况，计算机就会自动分析、判断、处理，自动做出正确的判断和指令，达到充分利用太阳能源，实现热水供应系统的智能化、自动化运行的效果。

项目名称	技术参数
输入电源	380V/50Hz
控制器	德国西门子PLC控制器
设备无负载时功耗	< 6W
测温范围	0～99℃
测温精度	±1℃
漏电动作电流	30mA/0.1S
外形尺寸	800 mm×600 mm×200mm
安装地点	室内
安装允许环境温度	>0 ℃
安装允许环境湿度	<85%
主要功能	温差循环、防冻循环、定温循环、一用一备水泵自动转化、水温、水位显示、手动与自动转化、定时、高温保护等功能
特殊功能	故障报警功能，远程监控功能，停电保持功能
安全防护功能	系统设有短路、过流、漏电和过热断电四种防护

表1-6

4.2.5与建筑的结合方式

太阳能集热器布置在学生宿舍楼和食堂的平屋顶，屋顶标高分别为25m、12m，真空管与地面夹角为20度，成排布置，支架采用热镀锌材料，美观整齐，与建筑完美结合。

4.2.6供水温度

    本系统采用24小时供应热水，热水水温控制在55-60度。

4.2.7系统特点

（1）太阳能加热系统及辅助热泵加热系统均采用闭式系统，全玻璃真空管集热器为非承压集热器，通过板式换热器与承压水箱进行热交换。

（2）与建筑一体化。太阳能系统整体设计，占用屋面面积空间紧凑。给周围环境增添生机起到画龙点睛的作用，绿色能源溶入和谐的人文环境中。

（3）太阳能系统安全可靠。充分考虑了防风、防雷、防冻、抗冰雹、防漏电、防高温，保证太阳能系统安全可靠运行。

（4）系统设置了太阳能储热水箱和恒温水箱，不仅解决了屋面承载能力小的缺陷，而且使太阳能得到充分利用，减少常规能源的消耗。

（5）电脑智能控制，全自动运行。该控制系统将太阳能热水系统运行管理的所有参数，全部编成计算机程序，并通过电脑控制器，真正实现了太阳能系统的全自动智能化运行和２４小时供应热水。

（6）设计了手动及应急操作功能。系统自动运行可以与手动操作功能自由转换，系统循环泵及辅助加热设备可以按需要手动操作，真正体现人性化的操作界面。

（7）热水供水干管定温循环，在使用热水时不需放掉很多冷水，保证使用者的满意度及舒适度。

（8）采用进口恒温阀，对供热水水温进行控制，防止学生烫伤。

（9）采用全自动红外线感应淋浴喷头，节约水资源。

五、结束语

太阳能与空气源热泵互补利用技术是太阳能热利用技术和热泵技术有机的结合，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等优点，能较好地解决“太阳能与建筑一体化”和“全天候”的问题。太阳能与热泵互补热利用技术将在太阳能利用中占有重要地位，有着广阔的发展前景。我国正在进行城市化进程，绿色环保的理念越来越深入人心，其节能减排的意义将是不可估量的，太阳能与空气源热泵互补利用技术必将有广阔的市场前景。

 

 

空气源热泵与储热水箱部分图片1

空气源热泵与储热水箱部分图片2