【多能互补】太阳能与空气源热泵相结合技术应用研究
武汉工程大学/杜新健 湖北三峡新能源有限公司/杜火青、任周峰 宜昌市太阳能研究所/李莉华
关键词：太阳能，空气源热泵，新型能源结合，节能高效，安全环保
1工程概况
湖北西陵经济开发区高新技术产业服务平台信息平台中心大楼应用建筑面积为40188.2m2，该项目是为信息平台中心大楼2F-4F公寓提供日常洗浴热水。整个太阳能供热系统集热面积230.7m2，日供热水16t，采用太阳能集中供热系统+ 空气源热泵辅助加热方式，实现早、中、晚3个时间段定时热水供应。
2太阳能热水系统方案设计
2.1设计要求
太阳能光热利用和空气源热泵辅助加热，定时提供热水供应，日用55℃热水量16t。该系统安装位置不影响建筑外型美观，维护管理方便。
2.2设计参数
该大楼楼高7层，其中工程所在的2F-4F每层27间，共81间。采用三时段定时供水方式，按住宅热水定额100升/人·天，平均每间2人计，每天约需热水16t。
3系统设计
3.1热水负荷计算
3.2太阳能集热器面积计算
3.2.2集热器模块设计
该系统采用真空管集热器，根据采光面积及屋面结构特点，最大限度利用屋面有效面积，选用规格为φ58×1800×50型集热器30组，单组集热器面积为7.4m2。
3.3辅助热源功率设计计算
该项目选用空气源热泵作为辅助加热，用量按太阳能最不利情况考虑，以系统小时耗热量计。辅助热源一般通过水加热设备的形式向系统提供热量，辅助热源提供的辅助加热量即为水加热器的供热量。常见的水加热器可以分为容积式水加热器、半容积式水加热器或半即热式、快速式水加热器三种。
集中热水供应系统中，水加热设备的设计小时供热量应根据日热水用水量小时变化曲线、加热方式及水加热设备的工作制度经积分曲线计算确定。当无条件时，可按下列原则确定：半容积式水加热器或储热容积与其相当的水加热器，热水机组的供热量按设计小时耗热量计算。该项目辅助加热设备，按太阳能最不利情况考虑，用空气源热泵辅助加热供应。
耗电量W按下式计算：
3.4太阳能系统原理设计说明
3.4.1太阳能定温加热
在光照条件下，当集热器内水温达到设定温度值时(可在0~100℃以内任意设定，根据本系统要求设定在55℃)，控制器使定温电磁阀自动打开，自来水进入集热器，并将集热器内达到设定温度的热水顶入储热水箱；当集热器内水温低于设定值时，电磁阀自动关闭。周而复始，直至水箱满水位。
3.4.2储热水箱满水位时，太阳能温差变频循环加热
当储热水箱水满时，控制器使系统自动转入温差循环，即当集热器内水温高于水箱水温时，控制器使循环水泵按温差变频方式自动启动，将水箱内较低温度的水打入集热器，而将集热器内高于水箱温度的热水顶入储热水箱；当集热器内水温不高于水箱水温时，控制器使循环水泵自动停止。
3.4.3储热水箱最低水量保持
控制器随时检测储热水箱水位，当低于最低设定保持水位时，控制系统会使辅助加热自动启动，并通过太阳能向水箱补水，直至达到最低保持水量热水时，空气源热泵及定温电磁阀自动停止。
3.4.4空气源热泵辅助加热
当遇到阴雨天气时，在用水时间段前2~3小时，控制器检测到水箱水温达不到设定要求，则向水箱上水至最低水位后启动空气源热泵辅助加热，用以保证三个用水时间段有热水。下午3点时将水位升高至中间水位，启动空气源热泵辅助加热以保证晚上高峰用水需求。
3.5电气安全设计
3.5.1漏电保护设计
a)太阳能热水系统单独设立电气控制柜，电气控制柜安装漏电保护开头以确保系统漏电时能自动切断电源，避免触电事故发生；b)采取接地和漏电保护开关双重保护措施。接地保护：将用电设备上与带电体相绝缘的金属外壳做接地边接水泵、电磁阀、电动阀；c)太阳能热水系统的电气设计满足太阳能热水系统用电负荷和运行安全要求；d)太阳能热水系统中所使用的电器设备应有剩余电流保护、接地和断电等安全措施；e)系统应设专用供电回路，内置加热系统回路，并设置剩余电流动作保护装置，保护动作电流值不得超过30mA；f)太阳能热水系统电器控制线路穿管暗敷，部分入管道井中敷设。
3.5.2防雷接地设计
该系统管路等设备均在屋内，集热器矩阵整体处于屋面避雷网保护范围内，集热器的避雷采用直接与屋面避雷网连接的方法，具体如下：
3.5.2.1太阳能热水系统等电位连接
支架的焊接长度不应小于圆钢直径的6倍，用不小于φ12的镀锌圆钢作防雷引下线与房屋天面避雷网做可靠连接；
将系统中水管与水管、水管与水箱间的连接处用不小于φ12的镀锌圆钢跨接后相焊接，焊接长度不小于圆钢直径的10倍，再与房屋天面避雷网做可靠连接。
储热水箱设计在室内，无需进行防雷设计。
3.5.2.2太阳能热水系统各种线路的屏蔽
太阳能热水器从屋面到控制室的线路有水位水温信号线、控制线(辅助电加热线)等，这部分线路全部都要采用屏蔽线或屏蔽措施，其屏蔽层两端要做好接地。
4环境影响分析
太阳能热水系统的环保效益体现在因节省常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为二氧化碳的减排量。
每平方米太阳能集热器平均每个正常日照日，可产生相当于2.5kW·h 电的热量，每年可节约标准煤250kg左右，按一吨标煤燃烧排放2.47t二氧化碳计算，整个太阳能热水系统工程全年CO2减排量为：
5太阳能系统示意图
图1系统运行原理图
6结语
空气源热泵热效率是电辅热的四倍左右，并且它不受光照影响，弥补了太阳能热水器的不足，更加充分的利用了太阳能光热这一优秀能源。两种新型能源的结合充分体现了节能高效、安全环保的设计理念。该项目为太阳能和空气源热泵有效的结合提供了可借鉴经验。
