太阳能与热泵系统节能分析及热水箱设计研究

摘要；随着经济社会的不断发展，对能源的需求越来越大，而能源的供需矛盾也日益突出，寻找清洁能源、可持续发展成为迫切要求。太阳能与热泵系统节能的实现，是以太阳能节能为主、热泵系统节能为辅，该节能方法在现实生活中已经得到广泛应用。但是，在节能技术设计方面尚且存在一些问题，在设计不合理的影响下，太阳能与热泵系统达不到想要的节能效果。对此，本文根据近几年测试的数据及经验，分别对太阳能及热泵系统做出节能分析，并对热水箱设计进行简单探讨。

关键词：太阳能；热泵系统；节能分析；热水箱设计

中图分类号： TU832 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

在经济社会发展的同时，节能成为世界工业发展的首要任务。太阳能热泵热水系统结合了太阳能利用技术和热泵技术两者的优点，是一种新型节能环保的热水系统。在“十二五”规划上，节能减排成为我国的新兴产业，同时还提出很多节能措施，这些措施能够减少能源消耗，在一定程度上缓解自然污染、环境破坏的速度。尤其是太阳能和热泵系统，它们的应用使生活热水节能量达到45%以上，本文将根据相关资源分布情况，来详细分析太阳能与热泵系统的节能。

一、太阳能与热泵系统节能分析

太阳能与热泵系统，是热水箱的重要组成部分，对太阳能与热泵系统进行能量控制，将有利于完善和改进热水系统，使热水箱能够最大限度发挥供热功能。太阳能与热泵系统节能作为“节能减排”的主要目标，我国早在2001年就提出太阳能、热泵系统在建筑一体化中的节能措施。我国对太阳能资源分布和太阳能评估做了详细的调查和分析，并得出相关结果和结论[1]。

（一）太阳能资源分布情况分析

1、太阳能资源丰富区。资源丰富区是指太阳辐照量在6700MJ/m2.a以上的地区，是太阳能资源等级最高的地区。例如新疆南部、北部、甘肃、青海等海拔高的地区。海拔高缩短了太阳与地面的照射距离，使这些地区能够接受更多的日照，提高了太阳辐照量。

2、太阳能资源较富区。是指太阳辐照量在5400-6700MJ/m2.a之间的地区，这些地区大多是靠北的山丘地区，最具有代表性的地区有内蒙古呼伦贝尔、北京、天津、山西等有一定海拔的地区。这些地区是太阳能应用得最多的地区，因为这些地区除了自然环境优势外，还有经济发达的优势。

3、太阳能资源一般区。是指太阳辐照量在4200-5400MJ/m2.a之间的地区，这些地区海拔一般较低，并且处于平原地区，例如黑龙江、山东、安徽、湖南、福建等。这些地区太阳照射的距离较长，太阳辐照量相对较低。

4、太阳能资源贫乏区。是指太阳辐照量低于4200MJ/m2.a以下的地区，这些地区大多分布在盆地或盆地附近的地区，因为大多盆地的海拔都低于地平面，增加了这些地区与太阳的距离，使太阳辐照量降低。例如四川、贵州西部、云南南部、广西等地。

（二）一般热泵系统制热系数分析

热泵系统制热系数是指热泵COP值与环境温度值的正比例关系。例如，某热泵厂家提供的压输机制热系数中，热泵COP值与环境温度值的关系分析中发现，当环境温度低于10℃时，COP值才刚好达到2.0；环境温度达到20℃时，COP值达到3.0；环境温度达到30℃时，COP值达到4.0；环境温度超过30℃时，COP值超过4.0。从这些数据不难看出，环境温度值与COP值是呈正比例关系，并且是以1：10%的比例增加[2]。

COP值是衡量热泵系统供热的指标，也是衡量热泵系统的节能指标，该指标随着环境温度的提高而提高的特点，与太阳能随着太阳辐照量增加而增加的特点具有一致性。两者都需要太阳提供一个温度较高的环境，才能更好的进行供热工作，因此有效的节能方法，是以太阳能为供热主体，以热泵系统供热为辅助。

（三）太阳能与热泵系统节能评估

太阳能与热泵系统节能评估，要求明确掌握太阳辐照量、集热器面积、集热器效率、环境温度、COP值等指标[3]。该评价是太阳能与热泵系统节能的目标和标准，下面将简单分析太阳能与热泵系统节能的评估，并做出相关的数据分析。

这里以云南东部某地区为例，该地区集热器的热效率平均为60%，按照春夏秋冬季节的相关温度数据，推算出集热器面积，集热器热效率与面积，决定太阳能可承受的热能消耗为热水箱供热量的60%，热泵系统为40%。该地区年平均气温为20℃，可以判断当地实际太阳照射时间和面积，并得出太阳能与热泵供热系统全年大约节能86.8%，实际节能72.5%。

二、热水箱设计

（一）热水箱设计存在的问题

传统热水箱的设计，要求太阳能与热泵系统同时使用一个热水箱，这在很大程度上影响了太阳能与热泵系统的供热效率。因为在供热过程中，太阳能供热不足时，才会使用热泵系统供热，使供热过程复杂，延缓了供热速度。为了提高供热速度，很多用户不得不花精力去增加太阳能与热泵系统的供应量，导致热水箱设计时出现很多问题，集中体现在工程造价和热量控制两方面。

一方面，为了提高太阳能与热泵系统供热量，设计师会花资金去设计一个更大的热水器供用户使用，供热量提高了，但造价一般用户难以接受，这样会导致用户量下降。另一方面，热量的控制主要受季节影响。夏季太阳能提供的热量就能满足用户的需求，无需热泵系统提供热量，属于节能效果最佳的季节；秋季，大部分的热量是太阳能提供的，少数热量是由热泵系统提供。

（二）热水箱设计的措施

第一，增设热水箱，热水箱可以分成两个，分别供太阳能和热泵系统使用，其水箱的容量可达10t，这样做的目的是为了减少扩大水箱体积带来的额外花费，在一定程度上控制了热水箱的工程造价，以便用户能够接受。同时，也降低了太阳能与热泵系统的供热成本，提高了供热效率，满足用户的热量使用需求。第二，用真空管将两个水箱连接起来，两水箱的连接是为了解决因季节变化而不能及时供热的问题，两个水箱分别吸收太阳、热泵系统提供的热能，一般先使用太阳能提供的热量，储存热泵系统提供的热量，解决冬季热量供应不及时的问题。

该设计与传统水箱的设计相比，具有很多的优势，在这里笔者简单总结如下：第一，能够使太阳能得到充分利用，最大限度节约了热能；第二，该系统集太阳能热水箱、热泵系统热水箱于一体，两者是相互联系的，可以进行统一控制，不需要另行设计；第三，为热泵系统提供了足够的加热时间和空间。

结语

开发新能源和节能是寻求能源出路的两大重要途径 ，太阳能热泵供热系统以其显著的节能性和环保性具有广阔的发展前景。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，太阳能与热泵系统是热水箱最重要的供热源，它的节能直接影响“节能减排”目标的实现。因此，要加强太阳能与热泵系统的节能力度。本文通过分析太阳辐照量、集热器热效率、集热器面积、环境温度和COP值等指标，可以计算出相对条件下太阳能与热泵系统的节能量，为热水箱的改进设计提供依据。

参考文献

[1]郑荣进，庄麟，池清，等.温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析[J].农业机械学报，2013，04：233-238+232.

[2]肖菊，丁文萍，杨敏芝.工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013，06：829-832.

[3]熊慧灵，刘何清，李永存.太阳能-溶液-热泵干燥系统节能分析[J].建筑节能，2015，05：56-60.

作者简介

朱冰（1983年12月14日-）；男；汉族；湖北钟祥人；本科；工程师；主要从事建筑给排水工程设计工作。