天津港欧亚国际集装箱码头有限公司工程技术部天津市300461
摘要：近年来，各种能源应用形式频出，供能系统出现了一个非常重要的趋势就是“从单一能源到多能源互补”，主要表现为太阳能与空气源、浅层地能、燃气、电、生物质能等能源互补使用。而热泵技术是利用低品位可再生能源的有效方式，因而以热泵技术为基础的多能源组合供冷供热技术的发展已经引起广泛重视。基于此，本文主要对太阳能与空气源热泵双热源联合热水系统的应用进行分析探讨。
关键词：太阳能；空气源热泵；双热源联合；热水系统；应用
前言
太阳能作为可再生能源，存在能流密度低，间歇性和不可靠性的缺点，但可以通过水箱将其热能蓄存起来。将太阳能与空气源热泵通过蓄热水箱结合组成系统，在兼顾提供生活热水的同时，可以提高系统的蒸发温度，从而弥补空气源热泵和太阳能的不足，同时向用户供生活热水，解决寒冷地区冬季环境温度较低时空气源热泵制热能效比低的问题。该系统与传统的使用电加热及单一空气源热泵供应生活热水系统相比，减少了能耗及对环境的污染，并且系统性能有较大的提高。
1、太阳能/空气双热源热泵系统设计
1.1空气源热泵系统
由于地域条件的限制，随着室外环境温度的变化，空气源热泵的制热量、能效比等也随之发生变化。冬季制热时，空气源热泵系统的蒸发温度随室外温度的降低而下降，压缩机的制冷剂流量降低，导致系统的制热量降低，而用水热负荷随环境温度的降低而升高，当室外空气温度低于某一值时，系统供热量满足不了负荷要求，需要辅助加热。反之，室外温度升高时，空气源热泵系统的制热量增大，但用水热负荷降低，即系统的制热量与热水负荷为负相关关系，这个温度值即为平衡点温度（见图1），其值取决于空气源热泵的制热性能，也决定了热泵容量及太阳能集热面积。
图1
1.2太阳能集热水系统
太阳能集热系统由太阳能集热器，蓄热水箱及其连接管路和附件组成。热水箱给用户提供生活热水，设计水温50℃。
1.3太阳能/空气双热源热泵供热系统设计
系统（如图2）通过蓄热水箱将空气源热泵系统与太阳能集热器有机结合，水作为吸热介质在太阳集热器内通过单向流动吸收、输送太阳辐射能。其中蓄热水箱与室外换热器并联，在冬季作为风冷蒸发器的补充，其蒸发压力，过热度等要与风冷蒸发器的工况相适应，因此，设计时需对应风冷蒸发器运行工况进行设计。由于热泵机组全年运行，为了保证热泵热水器在低温高温环境中能够可靠运行，及时有效地除霜，本系统采用辅助化霜换热器进行除霜，在运行过程中，控制器通过对环境温州、盘管温度、进水温度、运行时间等参数进行实时采集，实时判断翅片管式蒸发器是否结霜，使系统能及时有效地进入化霜程序运行，在化霜运行过程中，制冷剂经压缩机压缩成高温高压气体通过换向阀换向进入翅片管式蒸发器，在对翅片管式蒸发器除霜的同时制冷剂蒸气被冷凝成低温高压液体，经过电子膨胀阀和化霜电磁阀流入辅助化霜换热器蒸发成代温低压制冷剂气体，最后再经过换向阀回流至压缩机，形成闭合的制冷循环系统；本系统通过套管换热器后面单向阀阻止制冷剂流经套管换热器，有效地防止化霜过程中热量损失，同时也从根本解决了化霜过程中套管换热器被冻裂的可能性。
图2
1.4系统运行模式
1）太阳能蓄热模式。太阳能集热器通过电动三通阀与生活热水箱相连。太阳辐射充足时，太阳能集热器加热生活热水至50℃，当达到设定水温时，热泵机组不启动。
2）热泵机组制热模式。当太阳能辐射不足时，水箱温度和太阳能集热温度较低时，关闭水源蒸发器侧电磁阀9，利用空气源热泵制备热水向室内供热。。
2、太阳能/空气双热源热泵系统的运行原理
为了保证热水供应系统在实际使用过程中真正实现全自动运行，无需人工值守，本系统通过控制器对热水循环管路中的靶流开关和蓄热保温水箱中的低水位开关、高水位开关及蓄热保温水箱温度及太阳能集热温度进行采集，实时判断蓄热保温水箱中热水的温度及水位，使系统有效地对循环水泵、进水电磁阀、热泵主机进行控制。先通过进水电磁阀对蓄热保温水箱补冷水，当水位到达低水位开关时，太阳能集热温度较低时（＜50度），热泵系统循环水泵启动，运行两分钟后对靶流开关检测，如水流开关已闭合，则启动主机；当水位升高到低水位开关和高水位开关之间时，进水电磁阀启停根据蓄热保温水箱温度来控制，当蓄热保温水箱温度低于44。C时进水电磁阀关闭，随着热泵热水器对水不断加热，蓄热保温水箱温度不断提升，当蓄热保温水箱温度上升至47。C时，进水电磁开启补水，冷水补进的同时蓄热保温水箱温度又不断下降，当蓄热保温水箱温度下降至44。C时，进水电磁阀关半，蓄热保温水箱中的水再被加热升高至47。C时，再补冷水，如此周而复始地循环工作，直至蓄热保温水箱水位升高水位开关，然后再集中加热至设定温度后主机退出运行。采用这种对蓄热保温水箱分段补水、分段加热的方法，保证了蓄热保温水箱中的水始终是44。C以上的生活热水，从而实现全天候提供热水。
具体实施方式
以下结合实例及其附图对本发明创造的技术方案作进一步详细描述。
如图2所示，一种空气源热泵热水器，包括含有制冷系统的主机、蓄热保温水箱1和控制器，控制器采用智能电脑控制，输入部分包括环境温度传感器、盘管温度传感器、水箱温度传感器24、高水位开关22、低水位开关23、靶流开关21，用于控制进水电磁阀20、循环水泵3、压缩机5、电机12、电子膨胀阀15、化霜电磁阀13，蓄热保温水箱1上、下部分别设有循环热水管2，并与套管换热器4和循环水泵3连接，主机中的制冷系
统由套管换热器4、压缩机5、高压开关6、低压开关7、汽液分离器8、具有反向不导通特性的换向阀9、翅片管式蒸发器10、辅助化霜换热器13、化霜电磁阀14、电子膨胀阀15、单向阀16、单向阀17、储液器18及配管组成一闭合制冷剂回路，换向阀9第一向通过高压开关6接压缩机5上部、第二向接套管换热器4上部、第三向接辅助化霜换热器13上部和通过汽液分离器8和低压开关7接压缩机5下部、第四向接翅片管式蒸发器10上部，翅片管式蒸发器10下部设置电子膨胀阀15，辅助化霜换热器13下部设置化霜电磁阀14，套管换热器4通过储液器18、过滤器17、单向阀16接电子膨胀阀15和化霜电磁阀14，轴流风扇11、电机12和翅片管式蒸发器10组成风冷换热器，蓄热保温水箱1上部接由自来水进水管19和进水电磁阀20组成的补水系统，蓄热保温水箱1与套管换热器4之间接有靶流开关21，蓄热保温水箱1上部设有高水位开关22、下部设有低水位开关23和水箱温度传感器24。
在正常制热水时，制冷剂循环过程如图①所示：沿实线箭头方向循环，制冷剂经压缩机5压缩成高温高压气体通过换向阀9进入套管换热器4，在套管换热器中与循环水进行热交换对水进行加热，同时制冷剂蒸气被冷凝成低温高压液体，流经过滤器17、单向阀16后，通过电子膨胀阀15节流成低温低压液体进入翅片管式蒸发器10，在翅片管式蒸发器10中与强制的空气流进行热交换并蒸发成低温低压制冷剂气体，最后再经过换向阀9和汽液分离器8回流至压缩机5，形成闭合的制冷循环系统，如此周而复始地对循环水进行加热，在正常制热水时过程中化霜电磁阀14处于关闭状态，辅助化霜换热器13不起作用。
在寒冷的冬季，由于环境温度比较低，而且空气中具有一定的湿度，热泵热水器运行过程中翅片管式蒸发器10表面因空气中水蒸不断凝结而结霜，热泵系统制热效果也随之降低，此时控制器通过对环境湿度、盘管湿度、运行时间等参数进行实时采集，系统及时有效地进入化霜程序运行，在化霜运行过程中，制冷剂经压缩机5压缩成高温高压气体通过换向阀9进入翅片管式蒸发器10，在对翅片管式蒸发器10除霜的同时制冷剂蒸气被冷凝成低温高压液体，经过电子膨胀阀15和化霜电磁阀14流入辅助化霜换热器13进行蒸发低温低压制冷剂气体，最后再经过换向阀9回流至压缩机5，由于换向阀9反向不导通的特性，从而有效地阻止制冷剂流入套管冷凝器4对循环水进行制冷，有效地防止化霜过程中热量损失，同时也从根本解决了化霜过程中套管冷凝器4被冻裂的可能性。
参见图②，本系统热水供给系统由蓄热保温水箱1、循环热水管2、水过滤器26、循环水泵3、主机组成一个热水循环系统，自来水进水管19和进水电磁阀20组成补水系统，高水位开关22、低水位开关23、水箱温度传感器24、靶流开关21为控制器输入参数，进水电磁阀20、循环水泵3、主机为控制器输出执行部件，通过控制器对进水电磁阀20、循环水泵3、主机智能控制，在实现全天候热水供给的同时充分地提高了热水的利用率。
3、总结
本文提出一种太阳能/空气双热源热泵系统，介绍了系统组成及运行模式，结合系统设备安装地点天津港欧亚国际集装箱码头公司，根据节能运行的原则，与传统的燃煤取暖炉、燃气热水供热装置和电热装置进行经济对比，该太阳能/空气双热源热泵系统随着运行时间的增加，经济性的优势愈加明显。该系统在保证了环保、节能、安全的同时，具有良好的经济性。
参考文献：
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