一、引 言
由于我國太陽能資源十分豐富，年日照時(shí)間為2500小時(shí)的地區(qū)占國土面積的2/3以上，有的地區(qū)高達(dá)3000小時(shí)，開發(fā)利用太陽能潛力巨大，在能源危機(jī)和環(huán)境污染雙重壓力下，太陽能逐漸成為可再生能源中最引人注目、研究開發(fā)最多、應(yīng)用最為廣泛的清潔能源，在太陽能技術(shù)的研究利用中，太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能利用中最成熟、最具經(jīng)濟(jì)性的利用方式，也是目前經(jīng)濟(jì)上最具有競爭力的綠色能源技術(shù)。隨著能源緊缺日益擴(kuò)大，人們的節(jié)能意識(shí)逐漸增強(qiáng)。近幾年國家和地方政府紛紛出臺(tái)相應(yīng)的政策法規(guī)，鼓勵(lì)或規(guī)定在建筑中優(yōu)先使用太陽能熱水系統(tǒng)。而空氣源熱泵技術(shù)也是一種很好的節(jié)能型供熱技術(shù)，是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩?/span>空氣中高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫?zé)嵩矗赃_(dá)到加熱的目的。隨著人們對(duì)獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點(diǎn)的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術(shù)與太陽能利用相結(jié)合無疑是一種好的選擇方法。
二、空氣源熱泵技術(shù)
所謂熱泵，就是靠電能驅(qū)動(dòng)，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。也就是說，熱泵可以把不能直接利用的低品位熱能(空氣、土壤、井水、河水、太陽能、工業(yè)廢水等)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能(煤、石油、燃?xì)狻㈦娔艿?的目的。在礦物能源逐漸短缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的當(dāng)今世界，利用低位能的熱泵技術(shù)已引起人們的關(guān)注和重視。
空氣源熱泵的歷史以壓縮式空氣源熱泵最悠久。它可追溯到18世紀(jì)初葉，可以說1824年卡諾循環(huán)的發(fā)表即奠定了熱泵研究的基礎(chǔ)。空氣源熱泵熱水機(jī)組的制造、推廣和使用在我國只是最近十幾年的事情，但由于其相對(duì)傳統(tǒng)制取熱水設(shè)備的高效節(jié)能、環(huán)保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空間等優(yōu)點(diǎn)而引起了市場日益廣泛的關(guān)注。熱泵熱水機(jī)組以清潔再生原料（空氣＋電）為能源，既不使用也不產(chǎn)生對(duì)人體有害的氣體，同時(shí)也減少了溫室效應(yīng)和大氣污染。目前，在我國電力資源短缺的前提下，采用熱泵熱水機(jī)組制取熱水，既能以最小的電力投入獲得最大的供熱效益。
熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理實(shí)現(xiàn)的,熱泵熱水機(jī)組工作時(shí)，蒸發(fā)器吸收環(huán)境熱能，壓縮機(jī)吸入常溫低壓介質(zhì)氣體，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成為高溫高壓氣體并輸送進(jìn)入冷凝器，高溫高壓的氣體在冷凝器中釋放熱量來制取熱水，并冷凝成低溫高壓的液體。后經(jīng)膨脹閥節(jié)流變成低溫低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)，低溫低壓液體在蒸發(fā)器中從外界環(huán)境吸收熱量后蒸發(fā)，變成低溫低壓的氣體。蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體再次被吸入壓縮機(jī)，開始又一輪同樣的工作過程。這樣的循環(huán)過程連續(xù)不斷，周而復(fù)始，從而達(dá)到不斷制熱的目的。
三、太陽能與空氣源熱泵結(jié)合技術(shù)
3.1太陽能熱泵技術(shù)
太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)，它把熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。
太陽能熱泵技術(shù)是原有的熱泵技術(shù)與太陽能光熱，光伏技術(shù)的有機(jī)融合。能通過熱泵的形式，提高能效的利用，而且通過太陽能作為輔助熱源可以有效地避免空氣源熱泵等在室外空氣溫度過低時(shí)引起的供熱能力和性能系數(shù)降低的問題，
提高了熱泵對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性。
3.2太陽能與空氣源熱泵互補(bǔ)熱利用技術(shù)
常規(guī)太陽能熱水系統(tǒng)易受氣候的影響，在陰雨天或春秋季，太陽輻射能熱量較少，較難滿足熱水量的需求，不能全天候使用，也影響了太陽能熱水系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。空氣源熱泵作為節(jié)能設(shè)備具有獨(dú)特優(yōu)勢，它可以節(jié)省高品位電能，降低化石類能源的消耗，減少環(huán)境污染?？諝庠礋岜檬且钥諝鉃闊嵩矗ㄟ^輸入少量的高品位能源(電能)來實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵僅消耗少量的電能可以將數(shù)倍低溫?zé)崮芡ㄟ^壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮堋Ｒ虼藢岜眉夹g(shù)與太陽能熱水系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來可彌補(bǔ)陰雨天太陽能的不足。太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)合了太陽能的清潔性、可再生性和空氣源熱泵的節(jié)能性，是一種節(jié)能、無污染的高效能源利用系統(tǒng)。
太陽能與熱泵的結(jié)合有兩種工作模式：一是以太陽能加熱為主，以空氣能熱泵加熱為輔，但是前提是建筑允許放置太陽能集熱板，有足夠的安裝面積；二是以空氣能熱泵加熱為主，太陽能加熱為輔，此種模式是為了使空氣能熱泵在低溫環(huán)境下還能高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，用太陽能作為其輔助熱源或直接加熱熱水箱內(nèi)的水或提供預(yù)熱。
四、應(yīng)用案例分析
4.1項(xiàng)目概況
4.1.1工程名稱：浙江大學(xué)附屬中學(xué)
4.1.2工程所在地：杭州市江干區(qū)丁橋鎮(zhèn)臨丁路
4.1.3建筑性質(zhì)與形式：五層學(xué)生公寓，2棟；兩層食堂，1棟。該學(xué)校主要建筑包括教學(xué)及教學(xué)輔助用房、辦公用房和生活服務(wù)用房、地下停車庫與地下用房、體育活動(dòng)場所等。總建筑面積84505平方米，其中地上建筑面積55005平方米，地下建筑面積29500平方米，總投資4.985億元。
4.1.4用熱水量：男女宿舍樓55度熱水各30噸，食堂55度熱水20噸。
4.1.5熱水用途：每個(gè)宿舍內(nèi)設(shè)有淋浴間，供淋浴及洗手、洗臉用，磁卡表計(jì)量。食堂內(nèi)設(shè)有職工淋浴間，供淋浴及食堂刷碗、洗菜用，磁卡表計(jì)量。
4.1.6當(dāng)?shù)氐奶栞椛淞浚?163~1393kWh/m2·a。
4.1.7當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件：年日照時(shí)數(shù)為1400~2200H，月平均氣溫見表1-1
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月份 |
月平均氣溫 |
月份 |
月平均氣溫 |
月份 |
月平均氣溫 |
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1月 |
6.4 |
5月 |
22.7 |
9月 |
25.6 |
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2月 |
5.9 |
6月 |
26.3 |
10月 |
21.1 |
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3月 |
12.3 |
7月 |
30.5 |
11月 |
14.2 |
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4月 |
17.6 |
8月 |
29.5 |
12月 |
10.4 |
表1-1
4.1.8建設(shè)單位：杭州市教育資產(chǎn)營運(yùn)管理中心
4.1.9設(shè)計(jì)單位：杭州普桑能源科技有限公司
4.1.10施工單位：杭州普桑能源科技有限公司
4.2系統(tǒng)介紹
4.2.1 系統(tǒng)原理簡述
本工程男女宿舍樓各設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)，食堂設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)，采用太陽能輔助空氣源熱泵24小時(shí)集中供應(yīng)熱水。制取熱水的水源為市政自來水（水壓為0.3MPA)，太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)式加熱方式，冷水經(jīng)過太陽能集熱器預(yù)加熱后貯存于20立方的集熱循環(huán)水箱（A水箱，閉式水箱），當(dāng)使用熱水時(shí)，通過自來水的壓力將A水箱的熱水輸送到生活儲(chǔ)熱水箱（B水箱，閉式水箱），控制系統(tǒng)隨時(shí)感應(yīng)生活儲(chǔ)熱水箱溫度，當(dāng)達(dá)不到設(shè)定溫度時(shí)，空氣源熱泵加熱生活儲(chǔ)熱水箱，使生活儲(chǔ)熱水箱始終恒溫在55度（可調(diào)），保證24小時(shí)熱水需求。自來水的補(bǔ)水設(shè)置于A水箱內(nèi)，采用自來水的壓力將太陽能預(yù)熱水輸送到B水箱中。熱水管道末端設(shè)置溫度感應(yīng)點(diǎn)，溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，回水泵工作，保證打開用水閥門，即開即熱。控制系統(tǒng)采用杭州普桑能源科技有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的可編程PLC電腦控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能與熱泵互補(bǔ)系統(tǒng)智能、全自動(dòng)運(yùn)行。
太陽能與熱泵互補(bǔ)系統(tǒng)流程圖
4.2.2輔助熱源形式
輔助熱源采用四季沐歌高效節(jié)能低溫型空氣源熱泵，男女宿舍及食堂各采用25匹空氣源熱泵2臺(tái)，總共6臺(tái)25匹空氣源熱泵。
4.2.3太陽能集熱器形式、集熱器面積計(jì)算
采用全玻璃真空管集熱器集中集熱，根據(jù)GB 50364-2005《民用建筑太陽熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，太陽集熱器的總面積計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算得: 總面積為
=697.7㎡。
故所需太陽能總面積為：697.7㎡ ，但由于屋面面積有限，每套太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積為250平米。男女宿舍樓太陽能集熱器分別設(shè)置在宿舍樓頂，食堂太陽能集熱器設(shè)置在食堂樓頂。
4.2.4系統(tǒng)設(shè)備配置
每套太陽能熱水系統(tǒng)分別配置250平米太陽能集熱器、2臺(tái)25匹低溫型空氣源熱泵、配置2臺(tái)20噸臥式閉式水箱、一套PLC電腦控制系統(tǒng)。
（1）太陽能集熱器
目前國內(nèi)的太陽能光熱元件在國際上處于領(lǐng)先水平，本項(xiàng)目采用具有領(lǐng)先水平的四季沐歌太陽能集熱設(shè)備。本項(xiàng)目采用高性能全玻璃真空管太陽能集熱器，密集式排列，吸熱快，效率高。
A、真空管：采用四季沐歌國際具有領(lǐng)先水平的高效全玻璃真空集熱管（航天管），系能參數(shù)，見下表：
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項(xiàng)目名稱 |
性能參數(shù) |
備注 |
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長度（mm） |
1800 |
符合國標(biāo) |
|
罩玻璃長度（mm） |
58 |
符合國標(biāo) |
|
壁厚（mm） |
1.5/1.6 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
膨脹系數(shù) |
3.3×10-6 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
罩玻璃的透射率 |
≥0.95 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
吸收體 |
濺射漸變鋁-氮/鋁 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
太陽吸收比 |
≥0.96 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
發(fā)射比 |
≤0.05 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
真空度 |
≤5×10-2Pa |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
空曬度 |
≥250℃ |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
平均熱損系數(shù) |
≤0.52W/㎡℃ |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
抗冰雹能力 |
直徑25mm冰雹沖擊不破損 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
耐壓能力 |
≥0.6——0.8MPa |
優(yōu)于國標(biāo) |
表1-2
B、太陽能集熱器性能規(guī)格參數(shù)
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項(xiàng)目名稱 |
指標(biāo) |
國家標(biāo)準(zhǔn) |
備注 |
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型號(hào) |
58（mm）×1800（mm） |
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符合國標(biāo) |
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真空管支數(shù) |
50 |
|
符合國標(biāo) |
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集熱器接口 |
DN25 |
|
優(yōu)于國標(biāo) |
|
|
保溫材料 |
熟化聚氨酯 |
|
優(yōu)于國標(biāo) |
|
|
承受壓力 |
0.6kg/㎡ |
0.5kg/㎡ |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
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占地尺寸 |
2000（mm）×3800（mm） |
|
優(yōu)于國標(biāo) |
|
|
聯(lián)
箱
參
數(shù) |
內(nèi)膽材質(zhì) |
0.8mm厚度304/2B食品級(jí)不銹鋼 |
優(yōu)于國標(biāo) |
|
|
外皮材質(zhì) |
采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長 |
優(yōu)于國標(biāo) |
||
|
保溫材料 |
采用進(jìn)口高壓發(fā)泡設(shè)備，無氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過98%，保溫性能良好 |
優(yōu)于國標(biāo) |
||
表1-3
（2）空氣源熱泵
四季沐歌空氣源熱泵熱水機(jī)組采用目前世界上最先進(jìn)、最安全、最環(huán)保、最高效的熱水生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合我國用戶的使用特點(diǎn)，全新開發(fā)出一系列空氣能熱泵熱水機(jī)組，在進(jìn)水溫度、進(jìn)水壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)不斷變化的情況下，始終保證出水溫度恒定在設(shè)定值（出廠設(shè)定55℃），48～60℃可調(diào)。機(jī)組開啟即有高溫?zé)崴a(chǎn)生。
|
型號(hào) |
KFXRS-095/II |
|
額定制熱量（KW） |
94.8 |
|
定額功率（KW） |
23.5 |
|
定額電流（A） |
30.11 |
|
制熱能力（m3／h） |
2040 |
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最大輸入功率(KW) |
34.3 |
|
最大輸入電流(A) |
52 |
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電源規(guī)格 |
380V3N~50/60Hz |
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冷媒類型 |
R22 |
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出水溫度℃ |
55度 (45-60度可調(diào)) |
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進(jìn)水管管徑(mm) |
DN50(外螺紋） |
|
出水管管徑(mm) |
DN50(外螺紋） |
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循環(huán)水管管經(jīng)(mm) |
DN50(外螺紋） |
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水系統(tǒng)最高承壓(MPa) |
5 |
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壓縮機(jī) |
高效渦旋式 |
|
室外風(fēng)機(jī)出風(fēng)風(fēng)向 |
頂出風(fēng) |
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機(jī)組寬×高×深（m×m×m) |
2009×1162×2025 |
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機(jī)組重量(kg) |
760 |
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運(yùn)行噪音dB(A） |
60 |
表1-4
（3）儲(chǔ)熱水箱
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項(xiàng)目名稱 |
技術(shù)參數(shù) |
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外形尺寸 |
φ2300x4800x5mm |
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材質(zhì) |
304食品級(jí)不銹鋼 |
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內(nèi)膽厚度 |
5mm厚304不銹鋼 |
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保溫材料 |
50mm橡塑棉 |
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外保護(hù)層 |
0.5mm鋁板 |
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容積 |
20立方 |
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接口 |
DN100法蘭 |
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工作壓力Mpa |
3 |
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設(shè)計(jì)壓力Mpa |
10 |
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工作溫度℃ |
0-100 |
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設(shè)計(jì)最高溫度℃ |
150 |
|
介質(zhì) |
水 |
|
腐蝕裕量mm |
0 |
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焊接接頭系數(shù) |
0.97 |
|
水箱形狀 |
臥式，圓柱型 |
表1-5
（4）控制系統(tǒng)
本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)在于采用了計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)，杭州普桑能源科技有限公司電氣工程師將確定太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行的所有影響因素全部轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，并將所有可能出現(xiàn)的情況和在各種情況下太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)該采取的運(yùn)行指令編制成計(jì)算機(jī)程序，輸入計(jì)算機(jī)。這樣，根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的狀況，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)分析、判斷、處理，自動(dòng)做出正確的判斷和指令，達(dá)到充分利用太陽能源，實(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化運(yùn)行的效果。
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項(xiàng)目名稱 |
技術(shù)參數(shù) |
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輸入電源 |
380V/50Hz |
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控制器 |
德國西門子PLC控制器 |
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設(shè)備無負(fù)載時(shí)功耗 |
< 6W |
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測溫范圍 |
0～99℃ |
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測溫精度 |
±1℃ |
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漏電動(dòng)作電流 |
30mA/0.1S |
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外形尺寸 |
800 mm×600 mm×200mm |
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安裝地點(diǎn) |
室內(nèi) |
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安裝允許環(huán)境溫度 |
>0 ℃ |
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安裝允許環(huán)境濕度 |
<85% |
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主要功能 |
溫差循環(huán)、防凍循環(huán)、定溫循環(huán)、一用一備水泵自動(dòng)轉(zhuǎn)化、水溫、水位顯示、手動(dòng)與自動(dòng)轉(zhuǎn)化、定時(shí)、高溫保護(hù)等功能 |
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特殊功能 |
故障報(bào)警功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，停電保持功能 |
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安全防護(hù)功能 |
系統(tǒng)設(shè)有短路、過流、漏電和過熱斷電四種防護(hù) |
表1-6
4.2.5與建筑的結(jié)合方式
太陽能集熱器布置在學(xué)生宿舍樓和食堂的平屋頂，屋頂標(biāo)高分別為25m、12m，真空管與地面夾角為20度，成排布置，支架采用熱鍍鋅材料，美觀整齊，與建筑完美結(jié)合。
4.2.6供水溫度
本系統(tǒng)采用24小時(shí)供應(yīng)熱水，熱水水溫控制在55-60度。
4.2.7系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）太陽能加熱系統(tǒng)及輔助熱泵加熱系統(tǒng)均采用閉式系統(tǒng)，全玻璃真空管集熱器為非承壓集熱器，通過板式換熱器與承壓水箱進(jìn)行熱交換。
（2）與建筑一體化。太陽能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，占用屋面面積空間緊湊。給周圍環(huán)境增添生機(jī)起到畫龍點(diǎn)睛的作用，綠色能源溶入和諧的人文環(huán)境中。
（3）太陽能系統(tǒng)安全可靠。充分考慮了防風(fēng)、防雷、防凍、抗冰雹、防漏電、防高溫，保證太陽能系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。
（4）系統(tǒng)設(shè)置了太陽能儲(chǔ)熱水箱和恒溫水箱，不僅解決了屋面承載能力小的缺陷，而且使太陽能得到充分利用，減少常規(guī)能源的消耗。
（5）電腦智能控制，全自動(dòng)運(yùn)行。該控制系統(tǒng)將太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行管理的所有參數(shù)，全部編成計(jì)算機(jī)程序，并通過電腦控制器，真正實(shí)現(xiàn)了太陽能系統(tǒng)的全自動(dòng)智能化運(yùn)行和２４小時(shí)供應(yīng)熱水。
（6）設(shè)計(jì)了手動(dòng)及應(yīng)急操作功能。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行可以與手動(dòng)操作功能自由轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)循環(huán)泵及輔助加熱設(shè)備可以按需要手動(dòng)操作，真正體現(xiàn)人性化的操作界面。
（7）熱水供水干管定溫循環(huán)，在使用熱水時(shí)不需放掉很多冷水，保證使用者的滿意度及舒適度。
（8）采用進(jìn)口恒溫閥，對(duì)供熱水水溫進(jìn)行控制，防止學(xué)生燙傷。
（9）采用全自動(dòng)紅外線感應(yīng)淋浴噴頭，節(jié)約水資源。
五、結(jié)束語
太陽能與空氣源熱泵互補(bǔ)利用技術(shù)是太陽能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽能與建筑一體化”和“全天候”的問題。太陽能與熱泵互補(bǔ)熱利用技術(shù)將在太陽能利用中占有重要地位，有著廣闊的發(fā)展前景。我國正在進(jìn)行城市化進(jìn)程，綠色環(huán)保的理念越來越深入人心，其節(jié)能減排的意義將是不可估量的，太陽能與空氣源熱泵互補(bǔ)利用技術(shù)必將有廣闊的市場前景。
空氣源熱泵與儲(chǔ)熱水箱部分圖片1
空氣源熱泵與儲(chǔ)熱水箱部分圖片2