摘要：近年来，随着我国经济的不断提高，城乡建设迅速发展，能源的需求及耗费量巨额增加,充分利用和开发可再生能源――太阳能、空气热能等新能源势在必行。本文提出了一种太阳能－热泵中央热水系统形式，介绍了其工作原理和各组成部分的设计要求以及工程应用实例。是一种实用的环保节能技术，具有一定的推广应用价值。
关键词：太阳能 热泵 辅助加热 热水系统
Abstract: in recent years, as the economy continues to improve, urban and rural construction and rapid development, energy demand and consumption huge increase, make full use of and the development of renewable energy sources such as solar energy, air heat energy, new energy is imperative. This paper puts forward a kind of solar energy heat pump hot water system of the central form, this paper introduces the working principle and the design requirements of each part and examples of engineering application. Is a kind of practical environmental protection and energy saving technology, has some of the application value.
Keywords: solar energy heat pump hot water system auxiliary heating
中图分类号：S214 文献标识码：A文章编号：
一． 太阳能辅助加热空气源热泵机组工作原理
我们先了解气源热泵的热效率：气源热泵通过压缩机做功，转换环境中大气的热量把水加热，热泵的热效率可用下式计算：
η＝Q+λW／W
式中Q――工质气化是吸收环境中的热量；
W――压缩机加压所做的功；
λ――机械功转化为内能的效率。
因此可知热泵的η随Q呈线性增加，且η的值可以大于1。工质从环境中吸收的Q与液态工质和环境温度差有关，液态工质和环境温度差越大，工质气化过程吸收的热量就越多。这表明，气源热泵的热效率随环境温度的升高儿增加。
为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠的运行，国内外众多科研单位和生产企业进行了研发和改进，归纳起来主要有三种方式。一是依靠外界辅助热源来提高热泵低温制热性能，比如通过电加热提高热泵制热出水温度、采用燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等；二是通过改善制冷剂循环系统来提高热泵的低温制热性能，比如采用双级压缩的空气源热泵，设中间补气回路的空气源热泵等；三是采用变频系统，低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以防止其过热，从而使热泵机组能够正常运行。
太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一种方式而产生的，如图2所示。在机组的蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时，高于环境温度的太阳能热水流经该辅助换热器，与将进入蒸发器的室外空气进行热量交换提高其温度，从而使制冷剂在相对较高的环境里蒸发吸热，提高了蒸发温度，改善了压缩机的工作状况。
图2、太阳能辅助加热空气源热泵机组示意图
二、太阳能辅助加热空气源热泵机组性能特点
与普通的空气源热泵相比较，太阳能辅助加热空气源热泵机组在低温工况下运行具有如下几个明显的特点：
（1）COP显著提高
在同样的环境温度下，太阳能辅助加热使制冷剂系统的蒸发温度得以提高，机组的制热性能系数较普通空气源热泵机组有了明显的提高，热泵制热性能系数随蒸发温度变化情况如图2所示。
（2）防止蒸发器结霜，减少除霜时间
由于辅助热源的加热作用，提高了进入蒸发器的空气温度，使其结霜的可能性降低，这样就可以防止蒸发器表面结霜，使其保持较高的换热效率，同时，机组的化霜次数和时间也大大减少，可以节省大量的电能，并保证热泵机组连续不间断的运行。
（3）改善空调压缩机工作环境，延长机组使用寿命
在环境温度较低时，空调压缩机的压缩比急剧升高，压缩机的排气温度常常会超过压缩机允许的工作范围，从而导致压缩机频繁的启停，无法正常工作，长此以往，将会损伤压缩机的整体性能，减少空调设备的使用寿命。通过太阳能作为辅助热源提高系统蒸发温度，间接的改善了压缩机的工作环境，不但解决了压缩机在外界低温环境下不能正常工作的问题，并且可以使整个热泵机组的使用寿命有效延长。
三、 太阳能辅助换热器的设计
辅助换热器位于热泵蒸发器的外侧，作为热泵机组的一个部件与热泵机组同步设计生产，采用和蒸发器同样外型尺寸和材质的翅片管换热器。辅助换热器的换热面积、空气通过温升及其与热泵蒸发器的间距应根据太阳能集热器可以提供的辅助热量、太阳能水温、环境温度及热泵机组蒸发温度、排风量等参数进行设计计算。
3.1 太阳能辅助加热空气源热泵机组功率的确定
太阳能―热泵中央热水系统中，太阳能辅助加热空气源热泵机组在晴好天气作为太阳能集热系统的辅助热源设备，在太阳能资源不足时或阴雨天气作为系统的主要热源保证热水的正常供应，所以其制热功率应按照整个热水系统的设计热负荷进行确定。对于全日制中央热水系统，热泵机组功率按照热水系统设计小时热负荷确定，对于非全日制中央热水系统，热泵机组的功率应根据最大用水量、热水箱容积、加热时间等参数进行确定。热泵机组的额定制热功率不小于中央热水系统的设计负荷，在冬季比较寒冷的地区，可适当加大机组的型号，使其尽量在一天中气温比较高的时段内运行，在较短的时间内满足系统的用热需求。
3.2太阳能集热器面积的确定
太阳能―热泵中央热水系统中，太阳能集热器的面积应以热水系统的设计热负荷或根据实际情况确定的太阳能供热量作为基本依据，并分析计算项目所在地单位面积的太阳能集热器平均每日有效得热量，从而确定太阳能集热器的安装面积。
热水工程中，太阳能集热器一般是固定角度安装，其单位面积日有效得热量随季节的变化和每日内太阳辐照强度的变化，并不是一个固定值。其影响因素主要有集热器的安装角度、系统运行工况、所在地气象参数和太阳辐照量等。不同的集热器类型具有不同的集热效率，其有效得热量也不同，所以在实际应用中一般根据集热器生产厂家提供的集热器集热效率等性能参数和太阳辐照资料进行分析计算，取全年平均值。
3.3 太阳能集热系统形式
对于太阳能―热泵中央热水系统，太阳能集热系统既作为热水加热的主要热源又作为热泵机组的辅助热源，并且应能承受较低的环境温度，所以应采用闭式系统，系统循环工质采用防冻液溶液。
四、太阳能―热泵中央热水系统的实用意义
4.1 运行可靠性分析
作为太阳能―热泵中央热水系统的主要组成部分，太阳能和空气源热泵都是技术成熟的节能环保产品。太阳能在生活热水系统中的规模化利用已有20余年的历史，空气源热泵的大量应用也有数十年的历史，太阳能热泵中央热水系统将太阳能与空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功能的条件下，使其运行效率显著提高，从而能够保证系统稳定可靠运行，节约热水系统常规能源消耗。
4.2 节能效益分析
太阳能―热泵中央热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在白天最低温度-15℃以上、太阳辐照良好的我国大部分地区都可推广应用。统和热水供应，冬天采暖运行时节约常规能源60%以上，在我国大部分冬冷夏热地区，本系统也可与建筑物采暖空调系统结合，发挥最大的节能作用。
五．结语
此种系统虽具有节能环保安全等优点，同时也存在一些问题，主要是受投资和屋面面积的限制，当气候寒冷有逢阴雨天气时，还是不能完全保障其热效率。作为宾馆、别墅、高级办公楼等可作为建筑热水供应的首宣设备。
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