太阳能热水系统与热泵热水系统的比较分析

太阳能热水系统与热泵热水系统的比较分析
中国建筑科学研究院黄涛袁东立
南京朗诗置业股份有限公司程洪涛
摘要：本文以南京地区某11层楼为研究对象，设计了太阳能热水系统，利用气象数据库的气象资料模拟计算了该系统的全年太阳能保证率，并分别从节能性和运行费用上与热泵热水系统进行了比较和分析。

关键词：太阳能保证率热泵经济性热水系统
1 前言
太阳能的优点在于环保、可免费使用；但其缺点恰恰是每天的太阳辐射具有不确定性。

另外，随着季节变化，太阳辐射量也有较大的变化。

因此，仅靠太阳能来满足全天24小时供应热水是不现实的。

通常的做法是采用太阳能与其它辅助能源联合供应热水的方法，优先利用太阳能产生的热水，当太阳不足时，再利用辅助能源补充。

热泵热水系统是热泵技术在生产热水方面的一个应用，它的供热方式与传统的热水系统截然不同，是以空气、水、土壤等为低温热源，以电能为动力从低温热源吸取热量来加热生活用水，热水通过循环系统直接送入用户。

热泵热水系统是一种高效的供能技术，避免了传统燃油、燃气和电热水器能耗大、污染严重、费用高等缺点。

那么对于太阳能热水系统和热泵热水系统，到底哪个更经济，更节能下文将做进一步分析。

本文以11层楼某单元为计算对象，用户数量为22户，每户按人计算，用水定额按50L/cap·d计算，最高日用水量为22**50=吨。

2 太阳能热水系统的性能模拟
设计了一套太阳能热水系统，系统采用真空管集热器，并以南京地区的气象条件为参数，模拟计算太阳能热水系统全年的能量利用情况。

计算模型
（1）集热器效率计算模型
)(
)(T
a
i L R R i I T T U F F --=ταη
式中：R F ——迁移因子；
Ti ——集热器入口温度，℃； Ta ——环境温度，℃；
τα——有效投射率-吸收率乘积； It ——太阳辐射量，W/m 2。

在本文模拟计算中采用国家太阳能热水器质检中心提供的集热器的瞬时效率：
)(
97.26842.0T
a i i I T T --=η
气象数据库提供的太阳辐射量都是指水平面上接收的太阳辐射。

实际使用中，为了保证集热器全年最大量的接收到太阳辐射，一般集热器都是倾斜安放的（β>0），因此要通过修正因子把水平面上的辐射量转换到倾斜面上。

倾斜面和水平面上接收到的太阳辐射量之比，称为修正因子R b 。

δϕωδϕδ
βϕωδβϕsin sin cos cos cos sin )sin(cos cos )cos(+-+-=
b R
ϕ——当地地理纬度
β——表面倾角
δ——赤纬角
ω
——时角
（2）水箱温度的计算模型
T
i c u I A Q η=
u p
Q dt
dT
mC = 用简单的欧拉法把方程改写成： T
i c p
J J
J I A C m t
T T η∆+='
式中J m ——集热器中的水容量kg 。

假设集热器中的高温水与蓄热水箱中的水充分混合，则混合后水箱的温度由下式计算：
)/()('
J X J J x x X m m T m T m T ++=
系统供出热水过程中的水箱温度计算模型为：
X p
dT
m C L dt
= 式中L ——随时间变化的热水负荷kW X m ——水箱中的水容量kg 动态模拟及分析
表1是根据南京地区气象数据资料，整理的太阳辐射量的数据，从表1上可以得出：南京地区水平辐射量大于200W/m 2
的小时数为2148，200W/m 2
以下辐射量较小对太阳能热水系统来说意义不大。

表1太阳辐射量
考虑到用户使用热水的时间是不确定的，因此在程序模拟的过程中根据用户的生活规律把全天的热水用量按不同的时间段分配，具体分配方式如表2。

表2 全天热水用量分配
经过计算机对系统的全年动态仿真，计算得到全年365天太阳能保证率分布，由图1可知，太阳能保证率大于90%（满足当天制取热水所需能量的90%以上）和在40％－50％之间的天数最多，大约为49天；太阳能保证率在20％以下的天数最少，大约为29天；太阳能保证率在50％以上的总共为208天。

图1全年365天太阳能保证率分布
图2全年各月的太阳能保证率
图2是全年各个月的太阳能保证率的情况，由图可知，一月、二月、十一月、十二月的保证率最低，在40％以下，五月最高超过了80％，其它各月一般在55％－80％之间。

全年的保证率为55％。

以上述计算为依据，热水系统全年需要加热热水能量为，其中太阳能提供，需要辅助能量。

3 热泵热水系统性能分析
热泵是一种以消耗一定高品位能源为代价，而将能量从低温物体传递到高温物体的装置。

热泵虽然
消耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和，故采用热泵装置可以大大节约高位能源。

通常用供给的总热量与消耗的热量的比值（COP）来表示系统的性能。

若按照其冷热源的性质来分，热泵热水系统可分为空气源热泵热水系统、水源热泵热水系统、土壤源热泵热水系统。

从实际工程的应用情况来看，空气源热泵热水系统全年的平均制热COP在－之间；地源热泵热水系统全年的平均制热COP在－之间，水源热泵热水系统全年的平均制热COP在－之间。

4 太阳能热水系统与热泵热水系统的经济比较
图3是热泵热水系统在不同制热COP条件下消耗能量与太阳能热水系统辅助能量的对比，直线3是本文设计的条件下，太阳能热水系统所需的辅助能量，曲线6是不同COP下热泵热水系统所消耗的能
量，二者相交于热泵的制热COP等于，意味着，当热泵热水系统的制热COP大于时，其消耗的能量要少于太阳能热水系统。

图3热泵热水系统与太阳能热水系统的能量对比
图4热泵热水系统与太阳能热水系统的运行费用对比
考虑到不同建筑的实际可安装面积以及系统初投资的不同，所设计安装的集热器面积也会不尽相同，在上文确定的集热器面积的基础上分别增加和减少了10％和15％集热器面积，并进行了模拟计算，结果见图中直线1、2、4、5。

由直线5、6可知，即使集热器面积增加15％，其所需的辅助能量也仅相当于制热COP为的热泵消耗的能量。

鉴于目前地源热泵和水源热泵热水系统的制热COP一般都可以达到以上，部分空气源热泵制热COP也能达到以上，因此，从节能角度上看，热泵热水系统的经济性要好于太阳能热水系统。

由于目前工程上的太阳能系统一般都是采用天然气作为辅助，下面对天然气辅助的太阳能热水系统和热泵热水系统的运行费用进行比较和分析，见图4，由图可知，天然气辅助的太阳能热水系统的运行费用与制热COP为的热泵热水系统大体相当，因此从运行费用角度上看天然气辅助的太阳能热水系统稍好一些。

当然，具体工程还得由当地的能源价格以及太阳能热水系统的设计情况综合比较。

对于采用峰谷电价的地区，可以考虑利用谷电蓄存一部分能量，这样热泵热水系统的运行费用会更有竞争力。

5 结论
以南京地区某11层楼为研究对象，设计了太阳能热水系统，热水系统的全年太阳能保证率为55％，经过比较分析，太阳能热水系统的节能性不如热泵热水系统，但是如果选用合适的辅助能源，例如天然气辅助，其在运行费用上会稍有一些优势。

对于实际工程应该综合考虑后选取合适的系统。

参考文献
[1] 郑瑞澄等.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.北京:化学工业出版社,2005.。