1、华南地区太阳能和热泵系统联合供热设计可行性摘要：随着科学技术的不断进步，经济的不断发展，日常生产、生活所需要的自然资源正在逐渐的减少，对于环境保护的意识越来越强，同时也越来越重视自然资源的开发与利用。目前用于供热系统的能源主要有太阳能和热泵系统，对于其特有的节能优势受到了人们的广泛认可。本文对太阳能和热泵系统的集热性能以及供热效率进行了介绍，并对华南地区太阳能和热泵系统联合供热的可行性和供热方式进行了分析。 关键词：太阳能；热泵系统；联合供热设计 中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号： 随着太阳能供热系统被广泛认可，对其能源的开发与利用也越来越普遍。目前，作为清洁、环境友好的绿色能
2、源，太阳能以其独特的优势，是人类理想的替代能源，其开发利用是最终解决常规能源，特别是石化能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，利用太阳能来满足人类的供热需求是人类开发利用太阳能的一个主要手段。我国太阳能热水器的年产量和保有量均居世界首位。但是，因为影响太阳能供热系统的因素太多，比如平均日辐射量、气候、气温以及日照时间等，所以不可能全天都处于工作状态，必须与其它稳定性较大的热源结合使用。热泵供热系统基本上不受气候条件的影响，但是它会消耗一部分电能将不能直接利用的低品位热源（空气）转化为可以直接利用的高品位热能。由于在全年四季中均能充分利用低品位热能，使组合后的太阳能和热泵联合供
3、热系统比单一太阳能供热系统更具有节能潜力。 1.太阳能供热系统的集热性能以及供热效率 太阳能供热主要是利用集热器吸收由太阳辐射出来的能量，将温度比较低的水加热到高温加以利用，集热器主要有真空管型和平板型两类。1.1 玻璃真空管集热器的集热性能以及供热效率 太阳辐射可以透过真空管的玻璃外壳，直接射在玻璃吸热管上，这时吸热管就可以把太阳辐射的能量变成热能，通过相关的部件将这些转变而来的热能传递出去，进而增加周围环境的温度。同时，在传递的过程中不可避免的会损失一部分热能。根据能量守恒定律，一定时间内集热器所吸收的辐射能就等于最终使用的能量加上在传递途中损失的部分能量，即： （1） 式中：集热器吸收太
4、阳辐射的能量 集热器吸收输出的有效能量 输出损失的能量 根据热效率的定义，当选用 U 形管的玻璃真空管集热器时，其热效率公式为： （2） 式中：热效率 太阳辐照度 反射板的投影面积 吸热玻璃管的外表面积 太阳透过率 吸热板的吸收率 吸热玻璃管的平均温度 空气的平均温度 1.2 平板集热器的集热性能以及供热效率 集热器吸收的太阳辐射能量就等于输出有效能量、途中损失能量与集热器本身热量变化量之和，即： （3） 式中：集热器热量变化量 当集热器的工作状态稳定之后，集热器的本身热量不会再发生变化。根据相应的热效率定义，其公式为： （4） 式中：太阳总辐射强度 效率因子 工质的平均温度 2.热泵供热系统
5、的工作原理以及性能 热泵系统是利用空气中的热源进行相应供热的设备，主要是由蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀组成，并且在内部加入适量的工质。系统工作的原理是按照逆卡循环原理运行：利用液体工质吸收空气中的热量，在蒸发器中将其进行汽化，然后经过压缩机，对气体进行高温高压的压缩，在进入冷凝器，在器内进行液化，将吸收的热量传递到需要加热的水中，最后经过膨胀阀，完成吸收的过程。将这一过程反复运转，就可以不断的吸收热量加以利用。而冷水吸收的热量总和就是吸收的空气中热量加上热泵转化的热能，其最终可以利用的热量大于热泵转化的热量，这一点就可以说明热泵系统供热要比其它加热设备更加省电。 热泵是利用压缩机做功，将吸
6、收的空气热量转移到水箱中，达到加热水的目的，其热效率公式为： （5） 式中：Q工质汽化时吸收的热量 W压缩机压缩做功 机械功转化为内能的效率 所以可以知道热泵的效率是与汽化时吸收的热量有关，其中热效率值一般均是大于 1 的，在常温的时候甚至大约达到 350-400，见表1。 表 1 热效率与水温的关系 Table 1Relationship between thermal efficiency and the temperature of water 3. 华南地区太阳能和热泵系统联合供热设计的可行性 一个具有良好热性能的供热系统除了要达到用户的基本需求以及相关的节能环保要求外，还要充分考虑其
7、应用的地域条件。根据相关的资料调查表明，华南地区的日平均辐射量大概为 4200MJ/5400MJ/，年日照时间大概在 1400h3000h 之间，台风、雨季的影响比较严重，与此同时，该地区还处在亚热带，年平均温度大概为 1622，日平均气温10的天数在 300 天以上。最低温度大约为 0，最低水温大约为10。所以，日平均辐射量与年日照时间作为资源使用的前提，满足本地区的供热要求，但是，此地的台风、雨季比较多，对太阳能的供热会产生一定的影响，需要设置相应的辅助加热设备。又因为此地冬季的气温、水温都比较高，达到了热泵的使用要求，这样就可以将太阳能和热泵系统结合起来一同使用。结合使用不仅供热效率高，
8、避免了台风、雨季的不良影响，还充分利用了此地气温比较高的优势。将两种方式结合起来不仅充分利用了当地资源，节约了能源，还达到了良好的供热效果。4.太阳能和热泵系统联合供热的方式 4.1 太阳能供热系统独立工作 当大多数天气均是比较晴朗的时候，太阳能系统的供热情况均比较良好，这时太阳能供热系统的运行情况是由系统控制器按照水箱中的水温以及太阳能集热器的工作情况进行控制的，利用源源不断的热量采集，经过相应的传输，最终送达水箱，升高水的温度，以待使用。 4.2 热泵系统供热的单独使用 当发生多云或者阴天天气，甚至雨雪天气的时候，太阳能供热系统就不可能再继续进行相应的工作，这样就满足不了人们生活的热水需求
9、。此时，就要启动热泵系统进行相应的工作，并且独立工作一段时间，以满足人们日常使用热水的需求。 4.3 太阳能和热泵系统共同供热 当天气比较好的时候，人们生活所需要的热水量比较多时，超出了太阳能集热系统的供热范围，或者是太阳能的供热设备有限，不能达到用户的热水需求的时候，就可以同时使用太阳能和热泵系统进行供热运转，这样就可以满足用户的最大需求。 4.4 太阳能辅助热泵系统供热 当发生多云或者阴天天气的时候，太阳能供热系统的供热量就会降低，达不到人们生活的正常需求，这时就可以启动热泵系统，利用空气中存在的热量进行加热生活所需的水量，达到所需温度。在冬天的时候，当空气温度低于热泵系统工作运行温度的时
10、候，热泵系统的供热效率就会下降，导致设备表面出现结霜的现象，这时就要启动相应的辅助循环设备，也就是高于空气温度的低温太阳能设备，利用此设备对进入热泵系统中的空气进行相应的预热，提高热泵的热效率，避免发生热泵设备表面结霜的现象，也可以节约热泵系统的电耗量。 结束语： 总的来说，太阳能和热泵系统的供热方式目前还是供热系统中一种新兴技术，对于促进传统的给排水系统行业的技术发展、创新提供了新的方向，与此同时，还拓宽了设计人员的视野与思路，为节能设计提供了一定的社会价值，并且对相关技术的进步有着一定的积极意义。 参考文献： 1邱东梅,林喜芳.华南地区太阳能和热泵系统联合供热设计可行性探讨J.北京:机械工业出版社,2005(02). 2建设部工程质量安全监督与行业发展,中国建筑标准设计研究所.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇给水排水M.北京:中国计划出版社,2007. 3李世国,王艳华,熊黛林.中国建筑能耗现状及节能措施概述J.环境科学与管理,2008(02). 4张玉峰,李新宇,钟建丽等.全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究J.浙江大学学报,2005(03).
