摘要：太阳能中央热水系统一般采用各种能源的热水炉作为辅助热源，目前，空气源热泵作为辅助热源的应用也越来越多。本文介绍了一种太阳能——空气源热泵中央热水系统的工作原理和各组成部分的设计要求。
关键词：太阳能空气源热泵,辅助加热,热水系统
引言
空气源热泵作为一种较为成熟的节能制冷供热技术，因其制热在节能降耗及环保方面的良好表现，集中热水供应系统也越来越多的采用空气源热泵设备作为热源。空气源热泵结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在集中热水供应方面具有不可替代的优势。但空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度-10℃以上的地区。
为了改善空气源热泵在低温环境下制热运行的性能，扩大它的使用区域，这里提出一种适合于低温环境中工作的太阳能——空气源热泵中央热水系统。该系统采用低温太阳能辅助的空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和空气源热泵互为辅助热源，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，做到全年、全天候供应热水。
1 太阳能——空气源热泵中央热水系统介绍
1.1 太阳能——空气源热泵中央热水系统基本组成
太阳能——空气源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，包括太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。
1.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组原理
为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠的运行，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，从而使空气源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。在机组的蒸发器上增加了辅助换热器。空气源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。
1.3 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值显著提高
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明显的提高。
(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，并保证空气源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，空气源热泵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，减少空气源热泵设备的使用寿命。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，并且可以使整个空气源热泵机组的使用寿命有效延长。
2 太阳能——空气源热泵中央热水系统的工作原理
太阳能与太阳能辅助加热的空气源热泵结合作为中央热水系统的热源，其目的在于取长补短，使二者互为补充，互为备用：在日照充足时优先使用太阳能加热热水，利用太阳能集热器产生的低温热水作为空气源热泵的辅助热源，从而改善热泵的运行工况，提高其制热性能。这种组合形式，使二者均在相对比较稳定高效的条件下工作，保证系统全年全天候的热水供应。空气源热泵制热过程本质上是对空气中蕴藏的太阳热能的提升利用，根据热泵的工作特性，在整个热水系统的运行过程中，空气源热泵机组作为辅助热源运行所供应的热量中，只有小部分来自电能，所以太阳能——空气源热泵中央热水系统大大提高了太阳能利用率，减少了对一次能源的消耗。
太阳能——空气源热泵中央热水系统的运行主要有以下四种工况：
(1)太阳能加热生活热水
在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，利用太阳能集热器采集的热量经换热器输送到热水箱。
(2)太阳能辅助空气源热泵机组加热生活热水
当阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于热水箱水温不足以直接加热生活热水时，空气源热泵机组启动，加热热水箱内生活热水。在秋冬季节，当环境温度低于空气源热泵的经济运行温度时，空气源热泵机组的制热效率下降并且蒸发器表面结霜，此时，空气源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空气源热泵机组辅助换热器内，预热通过的空气，使空气源热泵效率提高，并切具有防止蒸发器结霜的作用，可以节约空气源热泵机组的耗电量。
(3)太阳能和空气源热泵机组同时加热生活热水
在晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统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，则太阳能和空气源热泵机组同时工作向热水系统供热。
(4)空气源热泵机组直接加热生活热水
在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，空气源热泵机组单独工作对热水箱加热。
3 太阳能——空气源热泵中央热水系统设计
3.1 太阳能辅助加热空气源热泵机组功率的确定
太阳能——空气源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，空气源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，空气源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。
3.2太阳能集热器面积的确定
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。不同的太阳能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——空气源热泵中央热水系统，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，所以应采用闭式间接加热系统，系统循环工质应采用防冻液溶液。
4 结论
4.1 运行可靠性分析
太阳能在生活热水系统中的规模化利用已有30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——空气源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
根据我国北方大部分地区的太阳辐照资料，按照卫生热水系统平均耗热量和太阳能集热器日平均得热量确定太阳能热水系统的集热器面积，太阳能——空气源热泵中央热水系统中，太阳能直接加热可满足热水系统全年60—80%的热量需求， 其余20—40%热量由空气源热泵机组供应，其平均COP可达3.0，即其所供应热量有65%以上来自太阳能集热器不能直接利用的太阳能和空气热能。在整个系统运行中，集热系统吸收的太阳能的利用率接近100%，辅助加热的电力消耗只占系统总能耗的7—14%，较常规能源的热水系统可至少节能85%以上。
通过上述分析可见，太阳能——空气源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。
