空气源热泵辅助太阳能热水系统在河南省的应用分析

河南省工业情报标准信息中心 刘大可

空气源热泵辅助太阳能热水系统在河南省的应用分析

河南省工业情报标准信息中心 刘大可

能源是国家的重要战略经济资源，也是综合国力的重要组成部分。随着人民生活水平的提高，能源紧缺的问题也日益显现，节能减排已成为我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极其紧迫的任务。在城镇化进程中，宾馆、医院、学校、酒店、美容美发等服务行业发展迅猛，这些行业热水的耗能很大。为了尽可能地减少耗能，提高效益，本文，笔者在收集分析相关资料和调研的基础上，结合河南省的气候特点，选择节能效果较好的新型空气源热泵辅助太阳能热水系统进行分析，对其应用进行了探讨并提出建议。

一、空气源热泵辅助太阳能热水系统的原理

空气源热泵辅助太阳能热水系统是将空气源热泵机组和太阳能热水装置两种高效热水设备有机组合在一起，通过精确的智能控制系统，在光照充足的情况下利用太阳能加热，在太阳能不足时开启空气源热泵热水机组，代替传统的电热管对水加热到所需规定的温度，以满足不同用户的需求。该系统同时具备了环保节能和运行稳定的功能，既保证了热水温度又降低了运行成本，具有应用推广价值。

1.空气源热泵辅助太阳能热水系统的构成。空气源热泵辅助太阳能热水系统主要有3部分构成：即太阳能热水装置、空气源热泵热水机组、控制器部分。另外有热水保温水箱、连接管道等辅助部分。

（1）太阳能热水装置。其主要部件为太阳能集热器，即利用太阳能加热水温的热水器。它的最大优势是在日照充足的条件下，整个体系运行成本几乎为零，而且使用维护简单、寿命长、节能、安全，这也是目前在太阳能比较丰富的地区应用广泛且作为主要能源的重要原因。其缺点是：当天气条件不利（如光照不足、夜间等情况）或者屋面可放置集热器的面积有限时，不能保证用户所需的热水温度，此时必需用电辅助加热，但耗能会大大增加。

（2）空气源热泵热水机组。该机组是一种利用电动机驱动，采用蒸汽压缩循环，将低温热源（空气或水）的热量转移到较高温的被加热水中，来制取生活热水和采暖热水的新型设备。空气源热泵热水机组作为高效集热并转移热量的装置，可以将低温热能向高温热能转移。它的最大优势是只要室外环境温度在机组运行范围内（-10～50℃）就可以全天候直供热水，弥补了太阳能热水装置本身存在的缺陷，节约了用电。

（3）控制器部分。该部分主要有温度传感器、压力控制器、恒温控制器、电磁阀、电子控制芯片等组成，用来自动调节热水达到所需温度。

2.空气源热泵辅助太阳能热水系统的控制原理。空气源热泵辅助太阳能热水系统如图1所示。太阳能循环泵的工作由系统控制器控制，当中央控制器检测到太阳能热水单元出水口热水温度达到要求时，关闭空气源热泵机组并开启阀门，使热水进入热水水箱；当中央控制器检测到热水达不到要求的温度时，启动空气源热泵，使热水同时进入热水水箱，以保证热水箱水温达到用户的要求。

空气源热泵辅助太阳能热水系统主要在4种情况下运行。

（1）太阳能直接加热，根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，利用集热器采集的热量通过中间换热器输送到热水箱。

（2）阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于热水箱水温时，热泵机组启动，利用空气作为热源加热热水箱内热水。在秋冬季节环境温度低于热泵的经济运行温度，热泵机组的制热效率下降且蒸发器表面结霜，此时，热泵辅助加热循环启动，高于环境温度的低温太阳能热水进入热泵机组辅助换热器内，预热了所通过的空气，使热泵效率提高，防止蒸发器结霜，节约了热泵机组的耗电量。

（3）晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热的有效供热量或太阳能集热器的数量较少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能热水装置和热泵机组同时工作向热水系统供热。

（4）连续雨雪天气，空气源热泵机组直接加热，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供，太阳能热水装置处于待机状态。

二、河南省的气候特点

河南省位于北纬31°23～36°22，东经110°21～116°39，地跨暖温带和北亚热带，总面积为16.7万km2。属于暖温带的地域比较广阔，占全省面积的70.1%。全省全年可得太阳辐射的总时数为4 428.1～4 432 h，因地理环境和云雾的影响，全省实际日照时数为2 000～2 600 h，日照率大致为45%～55%，其分布趋势为平原多于山区，黄河以北大部分在2 400～2 600 h，西部山地为2 000 h。根据日照站的实际观测，河南全年太阳辐射量为113～510.7 kJ/cm2。各地区之间的差异比较明显，如信阳固始县比北部的安阳偏多33.7 kJ/cm2。从时间上看也有明显的变化，最低月值为12月份，全省大部分地区不到25.1 kJ/cm2；最高月值为6，7月份，一般在54.4 kJ/cm2以上。

以郑州市为例，郑州地处河南中部，冷暖适中，四季分明，年平均降雨量640.9mm，夏季平均最高气温30℃，冬季平均最低气温-0.84℃，全年日照时间约为2 400 h。以上数据表明河南省的太阳能资源虽不算很丰富，但还是有很大利用空间的，适合空气源热泵辅助太阳能热水系统的使用。

三、各种类型热水加热装置耗能和经济性对比

各种类型热水系统热效益见表1，各种类型热水加热装置经济性对比见表2。

表 1 各种类型热水系统热效率

表 2 各种类型热水加热装置经济性对比

从表1，表2中可以看出，空气源热泵辅助太阳能热水系统是目前最经济的热水系统。太阳能热水系统受天气因素影响很大，需经常开启辅助加热管。而传统的辅助加热模式与电热水器并无两样，能耗较大，使用空气源热泵技术替代传统的电热管加热，能耗就大幅降低；单独使用空气源热泵热水器相比燃煤锅炉运行的费用差距并不是很大，空气源热泵作为辅助加热太阳能热水，可充分利用河南省太阳能资源，从而达到环保节能、降低使用费用的目的。目前，郑州等城市因环保的需要，小型燃煤锅炉已全面禁用，商业用热水只能选用燃气、燃油和电热水器，但成本极高。因此，推广应用空气源热泵辅助太阳能热水系统对节能减排增效是一种优化的选择。

四、空气源热泵辅助太阳能热水系统目前存在的问题。

1.投资较大。由于空气源热泵辅助太阳能热水系统是2种高效热水装置的结合，因此首次购用成本较大，目前市场商用机型成本比传统空气源热泵热水系统高出40%～60%，但应用成本较低，相信今后在市场竞争中会生产出性价比更高的产品。

2.系统占用空间较大。传统太阳能热水器就有占用楼面空间大、高层建筑不便安装等问题，该系统也存在同样的问题。这与建筑行业、制造业、服务行业等的技术发展创新紧密相关，随着科研水平的提高，产品不断升级，会逐渐解决这些问题，以满足各种用户的需求。

五、空气源热泵辅助太阳能热水系统在河南省应用建议

目前，空气源热泵辅助太阳能热水系统已在我国深圳、北京、上海、杭州、云南等地推广应用，均取得良好的使用效果。国家针对此系统已经制定出产品标准，将引导这种新型节能技术及产品走向快速发展的道路。河南省地处中原，人口众多，经济基础较弱，资源消耗大，空气源热泵辅助太阳能热水系统的应用推广对于河南省节能减排将会起到良好的作用。因此，笔者提出如下建议。

1.抓住机遇开发利用。国家十二五发展规划和河南省十二五发展规划，均把节能减排列为重中之重。今年5月，财政部和住房城乡建设部联合发布《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》，明确绿色建筑不仅要节能，还要节地、节水、节材，实现保护环境目的，并通过建立财政激励机制、健全标准规范及评价标识体系、推进相关科技进步和产业发展等多种手段，力争到2020年，绿色建筑占新建建筑比重超过30%。开发推广空气源热泵辅助太阳能热水系统符合发展方向和国家政策，为河南省城镇化和新农村建设提供新型节能设备，具有广阔的市场前景。

2.目前，北京、浙江、深圳等省市已经成立了空气源热泵辅助太阳能热水系统专业公司，并取得了显著的节能成果和经济效益。建议河南省有关高校、科研单位和相关企业尽快对此类产品进行调研，把握市场动向，尽快开发出具有市场竞争力的系列化、标准化产品。

3.根据河南省的实际情况，建议开发过程分2步走。首先，开发600 L以上的商用空气源热泵辅助太阳能热水系统，其次，再开发600L以下的家用热水系统。600 L以上的商用空气源热泵辅助太阳能热水系统因产品大多为用户定制，生产批量小，生产管理、质量控制和售后服务难度均小于600 L以下的家用型空气源热泵辅助太阳能热水系统，更易取得成功。

4.国家针对此系统已经制定出产品标准，《家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统技术条件》（GB/T23889-2009）于2010年1月开始实施，且商用600 L以上产品标准《空气源热泵辅助的太阳能热水系统（储水箱容积大于0.6 m3）技术规范》（GB/T 26973-2011）于2012年8月1日将要实施。空气源热泵辅助的太阳能热水系统当前在河南省市场的认知度较低，需要加大宣传力度，加快宣传和贯彻以上标准及产品的推广应用，使河南省环保型热水装置设备及相关服务行业向更高的层次迈进。

5.加大对安装维修人员的培训，做好人员的技术储备。空气源热泵辅助太阳能热水系统安装难度较大，安装人员需具有安装太阳能热水装置和热泵热水机组的双重经验技术。国家将要实施的技术标准对系统的施工安装、试运行与验收都提出了明确规定，对推广和安装公司提出了更加严格的要求，安装人员必须具有较高的技术水准和良好的职业素养，应加强对人员的职业培训，建立优良的服务队伍。