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【摘 要】太阳能热水系统一般采用各种能源的锅炉作为辅助热源，太阳能—热泵热水系统，在北方寒冷地区冬季运行可靠稳定，全年综合节能率85%以上，是一种实用的环保节能技术，具有一定的推广应用价值。本文简单介绍了空气源热泵机组作为太阳能系统的辅助热源的中央热水系统，其工作原理和各组成部分的设计要求以及工程应用实例。
【关键词】空气源热泵；太阳热水系统；供热；集热器面积
随着经济的发展和人民生活的提高，我国面临着越来越大的能源压力，越来越多的住宅、宾馆、游泳池采用太阳能作为中央热水系统的主要能源。这些场所一般要求全天24小时供应高品质热水，具有间断性的太阳能难以解决全天候供热，太阳能—热泵热泵系统以空气源热泵机组作为太阳能辅助热源，全年综合利用提高太阳能集热系统在冬季的热效率。
由于采用低温空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，能最大限度的利用太阳能，解决阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率。为大面积太阳能推广应用积累经验，通过实践进行技术的改善、提高、起到样板和示范作用。本文以济南某工程为例，简明扼要的介绍了一个太阳能热泵热水系统的工作原理和组成部分的设计要求。
1.太阳能热泵系统组成及工作原理
空气源热泵热水器辅助工作原理为定时补水+24h加热的方式
定时补水：一天设置2个补水时间段，并且2个水位设定。到达补水时间，水位达不到设定值，空气源热泵热水器开启，往空气源热泵热水器蓄热水箱中补水，通过热泵热水器蓄热水箱往蓄热水箱补水，补至设定水位结束。
蓄热水箱換热：如蓄热水箱水温不足，则开启热泵机组，加热热泵蓄热水箱中的水，通过循环泵将蓄热水箱与热泵水箱换热，从而提升蓄热水箱水温。
太阳能—热泵中央热水系统的主要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其他辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括热水加热循环泵、太阳能循环泵、换热器、冷水箱、蓄热水箱、管路、泵、阀等设备组成的闭路循环系统。
2.太阳能系统设计及主要技术参数
2.1系统日用水量的确定
根据用户提供的洗浴人及热水供应系统的日耗热量、热水量计算公式得日用热水量为30吨，其计算公式如（1）、（2）
（1）
（2）
2.2系统集热面积的确定
太阳能集热系统能够获取的有效得热量主要受两个因素的影响，一是太阳能集热器本身的热性能质量，二是安装的太阳能集热器总面积计算公式为：
式中Ac—表示直接系统集热器采光面积（m2）
QW—日均用水量（Kg）
Cw—水的定压比热容（KJ/kg·℃）
Ti—水的初始温度（℃）
Tend—储水箱内的水的设计温度（℃）
JT—当地集热器采光的年平均日太阳辐照量（KJ/m2）
f—太阳能保证率（%），根据系统使用周期内的太阳辐照，系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定
ЛL—蓄热水箱及管路的热损失率，根据经验取值
Лcd—集热器平均集热效率，根据经验取值，具体取值应根据集热器产品的实际检测结果而定
根据济南当地情况（冷水温度15℃，日太阳辐射量17×103 KJ/㎡，太阳能年保证率60%，集热器年平均集热效率0.4，热损率0.2），由公式（3）计算出30吨60度热水量所需系统总集热面积为A c=622㎡。
2.3系统集热器的选型
根据济南当地太阳能资源、气候条件及屋面的造型，可选用山东桑乐太阳能有限公司的横排联箱72组，4组串联，东西18排。系统运行方式为定温直流+温差循环的运行方式，并且提供与热泵接口，为热泵提供预热水。太阳能的方位为正南方向。
2.4蓄热水箱电加热
根据空气源热水器的工作原理，冷媒在吸热器内的蒸发温度为零下20℃，按理论上计算，只要环境温度高于零下20℃，冷媒都可以吸热，但由于温度过低时，会在吸热器上结霜而封堵空气通道，虽然热水器设计有除霜功能，但当环境温度低于零下6℃时，需要一定的热能去化霜，这样就会降低采热的效能和加长采热水的时间，所以在零下6℃天气时间比较长的地区，在水箱中设置电加热，在特殊的天气用电加热采热水。
根据计算公式：
不考虑热量损耗，可以得出：1吨水箱一般配10千瓦电加热，每小时可升温8.6℃；考虑热量损耗可升温7-8℃，具体看保温和散热情况。此工程蓄热水箱为30吨，选用电加热功率为80KW，蓄热水温从35℃升到45℃需5小时。
2.5蓄热水箱容积的确定
储热水箱的容量V应根据其蓄热容量VX、热水膨胀量VP、循环回流水量VH等因素确定。
本工程热水容量为30T，热水膨胀量为1.5T，回水流量3.5T，计算出本工程太阳能需热水箱的容积为35T。
3.空气源热泵系统设计
3.1空气源热泵工作原理
热泵技术是一种节能制冷供热技术。热泵循环与制冷循环本质上都是逆向循环，实际上就是一个反向使用的制冷机，其热能大部分来自周围低温的环境介质，只有一部分由机械能转变而成，以花费少量机械功作为代价，将低温环境的热能转移到较高的环境中。
其工作原理为制冷剂在蒸发器吸收热量，经压缩机转换为高温高压的制冷剂气体，在冷凝器中放热，转换为低温高压制冷制气体，经节流阀（毛细管、电子膨胀阀）节流，恢复为常温常压制冷剂工质，回到蒸发器，完成整个循环。
空气源热泵热水器利用了热泵技术的制热工况，将换热器至于水箱中做为冷凝器，选用冷凝温度高的制冷剂工质或者采用电子控制解决压缩机热保护，从而达到制取高温热水的目的。
3.2空气源热泵机组选型
热泵制热量计算：
根据实际需求量及经验，选用额定输入功率为7.5KW，型号为LPRB7.5D600A热泵机组3台共同制取热水。此工程蓄热水箱为30吨，选用此热泵系统，蓄热水温从35℃升到45℃需4小时。
4.控制系统设计
其工作原理采用定温真流+温差循环+管道变频恒压供水循环的工作方式运行。
定温直流方式：集热器中水温达到设定温度，启动补水电磁阀与循环泵，通过自来水将集热器中热水推向蓄热水箱。
温差循环：水箱水达到设定水位，系统进入温差循环状态。当集热器水温高于水箱水温时，电磁阀2与温差循环泵启动，直至集热器温度与水箱温度相差2度停止。
管道变频恒压供水：供水采用变频一拖二轮换模式，稳定供水压力节约电能。
防冻：排空防冻与电伴热带防冻相结合。冬季达到设定时间太阳能集热器中水不再升温，排空电磁阀自动打开，集热器系统中的存水排空到太阳能蓄热水箱中，达到设定时间且集热器升温，排空电磁阀关闭，温差循环泵开启5分钟，使真空管集热器及管道充满水；当管道温度低于4℃，电伴热带启动，加热系统上下水管道及供水循环管道温度，当管道温度达到14℃时，电伴热带停止工作。
本系统采用PLC设计可编程控制器和触摸屏显示控制方案。三种操作模式确保系统连续运行：一是全自动运行模式；二是半自动运行模式；三是全手动运行模式。正常情况下，系统全自动运行，当传感器等输入部件出现故障后，可转入半自动（手动）模式，当PLC控制模块出现故障后，可通过控制柜面板的手动开关进入全手动控制运行，确保热水连续供应。
5.结束语
至今，本系统已运行一年多，通过对各个分系统的检测来年看，各项指标均达到设计要求。据不完全测算，整个系统每年可节约标准煤360t。
参考文献：
[1]郑瑞澄 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M] 北京：化学工业出版社，2003
[2]罗运俊 太阳能热水器原理、制造与施工[M]北京：化学工业出版社，2005
[3]陈耀宗 建筑给水排水设计手册[M]北京：中国建筑工业出版社，1992
【关键词】空气源热泵；太阳热水系统；供热；集热器面积
随着经济的发展和人民生活的提高，我国面临着越来越大的能源压力，越来越多的住宅、宾馆、游泳池采用太阳能作为中央热水系统的主要能源。这些场所一般要求全天24小时供应高品质热水，具有间断性的太阳能难以解决全天候供热，太阳能—热泵热泵系统以空气源热泵机组作为太阳能辅助热源，全年综合利用提高太阳能集热系统在冬季的热效率。
由于采用低温空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，能最大限度的利用太阳能，解决阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率。为大面积太阳能推广应用积累经验，通过实践进行技术的改善、提高、起到样板和示范作用。本文以济南某工程为例，简明扼要的介绍了一个太阳能热泵热水系统的工作原理和组成部分的设计要求。
1.太阳能热泵系统组成及工作原理
空气源热泵热水器辅助工作原理为定时补水+24h加热的方式
定时补水：一天设置2个补水时间段，并且2个水位设定。到达补水时间，水位达不到设定值，空气源热泵热水器开启，往空气源热泵热水器蓄热水箱中补水，通过热泵热水器蓄热水箱往蓄热水箱补水，补至设定水位结束。
蓄热水箱換热：如蓄热水箱水温不足，则开启热泵机组，加热热泵蓄热水箱中的水，通过循环泵将蓄热水箱与热泵水箱换热，从而提升蓄热水箱水温。
太阳能—热泵中央热水系统的主要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组，其他辅助设备与常规的中央热水系统相同，包括热水加热循环泵、太阳能循环泵、换热器、冷水箱、蓄热水箱、管路、泵、阀等设备组成的闭路循环系统。
2.太阳能系统设计及主要技术参数
2.1系统日用水量的确定
根据用户提供的洗浴人及热水供应系统的日耗热量、热水量计算公式得日用热水量为30吨，其计算公式如（1）、（2）
（1）
（2）
2.2系统集热面积的确定
太阳能集热系统能够获取的有效得热量主要受两个因素的影响，一是太阳能集热器本身的热性能质量，二是安装的太阳能集热器总面积计算公式为：
式中Ac—表示直接系统集热器采光面积（m2）
QW—日均用水量（Kg）
Cw—水的定压比热容（KJ/kg·℃）
Ti—水的初始温度（℃）
Tend—储水箱内的水的设计温度（℃）
JT—当地集热器采光的年平均日太阳辐照量（KJ/m2）
f—太阳能保证率（%），根据系统使用周期内的太阳辐照，系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定
ЛL—蓄热水箱及管路的热损失率，根据经验取值
Лcd—集热器平均集热效率，根据经验取值，具体取值应根据集热器产品的实际检测结果而定
根据济南当地情况（冷水温度15℃，日太阳辐射量17×103 KJ/㎡，太阳能年保证率60%，集热器年平均集热效率0.4，热损率0.2），由公式（3）计算出30吨60度热水量所需系统总集热面积为A c=622㎡。
2.3系统集热器的选型
根据济南当地太阳能资源、气候条件及屋面的造型，可选用山东桑乐太阳能有限公司的横排联箱72组，4组串联，东西18排。系统运行方式为定温直流+温差循环的运行方式，并且提供与热泵接口，为热泵提供预热水。太阳能的方位为正南方向。
2.4蓄热水箱电加热
根据空气源热水器的工作原理，冷媒在吸热器内的蒸发温度为零下20℃，按理论上计算，只要环境温度高于零下20℃，冷媒都可以吸热，但由于温度过低时，会在吸热器上结霜而封堵空气通道，虽然热水器设计有除霜功能，但当环境温度低于零下6℃时，需要一定的热能去化霜，这样就会降低采热的效能和加长采热水的时间，所以在零下6℃天气时间比较长的地区，在水箱中设置电加热，在特殊的天气用电加热采热水。
根据计算公式：
不考虑热量损耗，可以得出：1吨水箱一般配10千瓦电加热，每小时可升温8.6℃；考虑热量损耗可升温7-8℃，具体看保温和散热情况。此工程蓄热水箱为30吨，选用电加热功率为80KW，蓄热水温从35℃升到45℃需5小时。
2.5蓄热水箱容积的确定
储热水箱的容量V应根据其蓄热容量VX、热水膨胀量VP、循环回流水量VH等因素确定。
本工程热水容量为30T，热水膨胀量为1.5T，回水流量3.5T，计算出本工程太阳能需热水箱的容积为35T。
3.空气源热泵系统设计
3.1空气源热泵工作原理
热泵技术是一种节能制冷供热技术。热泵循环与制冷循环本质上都是逆向循环，实际上就是一个反向使用的制冷机，其热能大部分来自周围低温的环境介质，只有一部分由机械能转变而成，以花费少量机械功作为代价，将低温环境的热能转移到较高的环境中。
其工作原理为制冷剂在蒸发器吸收热量，经压缩机转换为高温高压的制冷剂气体，在冷凝器中放热，转换为低温高压制冷制气体，经节流阀（毛细管、电子膨胀阀）节流，恢复为常温常压制冷剂工质，回到蒸发器，完成整个循环。
空气源热泵热水器利用了热泵技术的制热工况，将换热器至于水箱中做为冷凝器，选用冷凝温度高的制冷剂工质或者采用电子控制解决压缩机热保护，从而达到制取高温热水的目的。
3.2空气源热泵机组选型
热泵制热量计算：
根据实际需求量及经验，选用额定输入功率为7.5KW，型号为LPRB7.5D600A热泵机组3台共同制取热水。此工程蓄热水箱为30吨，选用此热泵系统，蓄热水温从35℃升到45℃需4小时。
4.控制系统设计
其工作原理采用定温真流+温差循环+管道变频恒压供水循环的工作方式运行。
定温直流方式：集热器中水温达到设定温度，启动补水电磁阀与循环泵，通过自来水将集热器中热水推向蓄热水箱。
温差循环：水箱水达到设定水位，系统进入温差循环状态。当集热器水温高于水箱水温时，电磁阀2与温差循环泵启动，直至集热器温度与水箱温度相差2度停止。
管道变频恒压供水：供水采用变频一拖二轮换模式，稳定供水压力节约电能。
防冻：排空防冻与电伴热带防冻相结合。冬季达到设定时间太阳能集热器中水不再升温，排空电磁阀自动打开，集热器系统中的存水排空到太阳能蓄热水箱中，达到设定时间且集热器升温，排空电磁阀关闭，温差循环泵开启5分钟，使真空管集热器及管道充满水；当管道温度低于4℃，电伴热带启动，加热系统上下水管道及供水循环管道温度，当管道温度达到14℃时，电伴热带停止工作。
本系统采用PLC设计可编程控制器和触摸屏显示控制方案。三种操作模式确保系统连续运行：一是全自动运行模式；二是半自动运行模式；三是全手动运行模式。正常情况下，系统全自动运行，当传感器等输入部件出现故障后，可转入半自动（手动）模式，当PLC控制模块出现故障后，可通过控制柜面板的手动开关进入全手动控制运行，确保热水连续供应。
5.结束语
至今，本系统已运行一年多，通过对各个分系统的检测来年看，各项指标均达到设计要求。据不完全测算，整个系统每年可节约标准煤360t。
参考文献：
[1]郑瑞澄 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M] 北京：化学工业出版社，2003
[2]罗运俊 太阳能热水器原理、制造与施工[M]北京：化学工业出版社，2005
[3]陈耀宗 建筑给水排水设计手册[M]北京：中国建筑工业出版社，1992