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摘要:我国太阳能总体资源丰富，但由于太阳能能量密度低，且辐射强度受到各种天气以及地理位置的影响，处于不稳定状态。单独使用太阳能系统无法满足各种不同的气候情况。因此，在太阳能使用中，常常使用辅助热源来保证长时稳定的效果。本文对热泵机组在太阳能热水系统中的应用进行了简单研究，介绍了两种不同系统结合的集成运行模式，为设计应用提供参考。
关键词:空气能热泵；太阳能；热水
0引言
目前，随着中国经济持续快速发展，中国已经进入了能源的新时代，由于各种能源使用带来的问题逐渐被人们所重视。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的可再生清洁能源，可以在各方面进行应用。采用真空管集热器利用太阳能加热低温热水是目前太阳能应用最广泛的技术，此系统可以广泛应用于生活热水以及采暖系统，大大减少了资源以及能耗的浪费。
我国太阳能总体资源丰富，但由于太阳能能量密度低，且辐射强度受到各种天气以及地理位置的影响，处于不稳定状态。单独使用太阳能系统无法满足各种不同的气候情况。因此，在太阳能使用中，常常使用辅助热源来保证长时稳定的效果。
空气能作为一种可以随时随地取用的能源，由此产生的空气能热泵机组在系统简单性、安装便利性上有很好的优势。同时，空气能热泵机组能够节约大量能耗的损失。因此，空气能热泵机组和太阳能热水系统配合适用，能够在满足热水使用需求的同时，达到节能减排的目的。
合理地应用空气源热泵机组和太阳能热水集成的热水系统，不仅可以最大程度地利用丰富的太阳能资源，而且有效地减少电能的消耗。本文对热泵机组在太阳能热水系统中的应用进行了简单研究，介绍了两种不同系统结合的集成运行模式，为设计应用提供参考。
1中国太阳能资源情况分析
我国分太阳能资源十分丰富，据统计资料分析，中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿吨标准煤的储量。根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准[1]，我国太阳能资源地区分为以下四类：
一、二类地区，主要包括青藏高原、甘肃、宁夏、新疆、河北、河南、山东、山西、新疆、内蒙古、青海、西藏、吉林、辽宁、云南、陕西北部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。面积较大，占全国总面积三分之二以上。此两类地区年日照时数大于2000小时，年辐射量在5000MJ/m2以上，具有良好的太阳能资源利用条件。
四类地区：全年辐射量在4200MJ/m2，以下，主要包括四川、贵州两省。此地区也是我国太阳能资源最少的地区。
图2中国建筑热工设计分区图
在中国的大多数地区，均有大量的供热以及制热水需求，目前常见的太阳能热水系统及其容易受到气候条件的影响。在阴雨天气，或者日照短的时间，系统加热时间长，出水温度不稳定。但此类天气热水需求量较大，单独的太阳能热水系统无法满足热水使用需求。即使是日照时间长的气候，太阳能热水系统也无法全天稳定供应热水，只能通过保温水箱将热水储存，当水箱中水使用完毕时，会出现无水可用的窘境。
所以，推进辅助热源结合太阳能系统使用，可以解决有大量热水使用需求的系统在室外光照不足，太阳辐射不足以满足系统要求的问题。
3空气源热泵做为辅助热源的可行性
空气源热泵是一种通过制冷剂循环，实现与室外空气进行交换热量的热泵系统。
空气源热泵是目前应用最广泛的系统，与其他热泵相比，空气源热泵的主要优点就在于其热源获取的便利性。只要有良好的通室外环境畅通的空间，满足机组合适的安装运行空间，便可以考虑使用空气源热泵机组。
通过研究分析[3~4]，空气源热泵辅之供热太阳能热水系统，将热泵技术和太阳能利用技术有机结合起来，以空气源热泵作为传统太阳能热水器的辅助热源，既有太阳能热水器的优点，又可以保证全天的运行。以电热水器、燃气热水器为参照的技术经济分析表明，空气源热泵辅助供热太阳能供热水系统节能性和经济效益均显著，是适宜推广的生活热水系统形式。
当然，由于空气源热泵机组的运行能力受到室外环境影响很大，有一定的地域局限性。且机组在运行一段时间后出现的结霜问题同样不可忽视，但市面上已经出现了能够在我国全国各地都能稳定运行的机组，满足全国各个气候带的热泵机组需求。在全国大力推进“煤改空气源热泵”的大环境下，空气源热泵技术已经得到了长足的发展。我们倡导因地制宜使用热泵，以推进热泵技术的健康发展，实现其真正意义上的节能减排。从技术层面上讲，欲扩大空气源热泵的应用地域，需要面对的核心技术主要为“高效，除霜，低温”。只要解决好上述3个问题，空气源热泵的适用性将得到很大的提高。
4空气源热泵辅助太阳能热水系统设计方案探讨
本文介绍了一种采用双水箱模式进行空气源热泵辅助太阳能热水运行的方案。通过测量系统不同区域的温度，自动判断太阳辐射是否能够满足热水温度需求，根据设定热水温度决定空气源热泵机组的启停。通过简单控制，实现太阳能的最大化利用。下面对不同情况下系统的运行模式进行简单介绍。
图3系统原理图
4.1系统水循环运行控制
在太阳能真空管集热器的进出口处设置感温设备，当检测到真空管集热器进出水口温差≥6℃时，温差循环泵开启，循环水箱中的水在太阳能真空管集热器中循环，当检测到真空管集热器进出水口温差＜3℃时，温差循环泵关闭，循环水箱中的水停止在太阳能集热器中循环。
两个水箱等高，水箱之间除了水箱循环泵之外还通过一根连通管连接，保证在两个水箱中设有感温设备，当检测到循环水箱中水温与供热水箱中水温温差≥6℃时，水箱循环泵启动。两个水箱之间进行热水循环，当检测到循环水箱中水温与供热水箱中水温温差＜3℃时，水箱循环泵关闭。两个水箱之间停止热水循环。
当供热水箱温度＜设定热水温度-3℃时，热泵机组开启，开始对供热水箱中的水进行加热；当供热水箱温度≥设定热水温度+3℃时，热泵机组关闭，停止对供热水箱中的水进行加热。
当热水管网中热水温度≤设定热水温度-3℃时，管道循环泵启动，供热水箱和热水管网中的水开始循环，对热水管网中的水进行加热；当热水管网中热水温度＞设定热水温度+3℃时，管道循环泵关闭，供热水箱和热水管网中的水停止循环。
4.2补水运行控制
当热水杯使用到一定程度时，供热水箱中水位会相应降低，由于供热水箱和循环水箱之间采用连通管连接，循环水箱中水位会与供热水箱中水位保持一致，在循环水箱中水位低于低水位时，会开启补水装置，对水箱进行补水。
4.3系统运行特点
本系统采用双水箱设计，每个循环均独立控制，简化了控制逻辑，在优先保证热水使用温度的前提下，保证了太阳能的利用率。避免出现太阳辐射充足，但因太阳能加热时间较慢，而导致的热水使用温度不够。同时也保证了无论是否有足够的阳光，均优先使用太阳能真空管集热器进行热水的加热。同时也避免出现太阳辐射不足时便停止太阳能真空管集热器的水循环，单独启动空气源热泵机组的情况。
本系统控制逻辑简单，系统安装简便，在保证热水出水温度的情况了，充分利用了太阳辐射。为节能减排贡献一份力量。
5结语
太阳能资源的合理有效利用可以大大减少温室气体的排放，但根据我国现有的气候和太阳辐射情况，太阳能系统单独使用局限性很大，有时并不能满足工程需求，是太阳能广泛利用必须越过的障碍。空气源热泵机组作为一种使用灵活，节能环保，安装运行简单的机组，常常可以作为辅助热源同太阳能系统结合使用。两种系统的合理结合，可以为太阳能热水系统扩展使用范围，提高太阳能这种取之不尽用之不竭的清洁能源的利用率，为我们共同的蓝天贡献一份努力。
参考文献:
[1]王伟，南晓红，马俊，李飞.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨[J].制冷与空调，2011,25（5）438-442.
[2]西安建筑大学，华南理工大学，重庆大学，清华大学.建筑物理（第四版）[M]：中国建筑工业出版社，2009年8月：12-13.
[3]铁燕，罗会龙.空气源热泵辅助供热太阳能热水系统技术经济性分析[J].制冷与空调，2009,9（4）33-35.
[4]巨勇平，张永铨，吕灿仁，刘耀浩.空气源热泵的节能效果及经济可行性分析[J].天津大学学报，1996,29（5）750-757.