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[摘 要]以杭州某干部学校空气源热泵辅助太阳能热水系统为研究对象，介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统工作原理，空气源热泵辅助太阳能热水系统常规自动控制系统，还通过对原常规自控策略的改进，对系统现场情况进行预控，确定辅助热源的开启时间，最大化地利用太阳能系统进行集热。
[关键词]空气源热泵；太阳能热水系统；节能；系统控制
中图分类号：S304 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0054-01
引言
太阳能热水系统在我国太阳能资源丰富的地区得到了广泛应用。在日光充足条件下，整个系统的运行费用几乎为零，且环保无污染。但常规太阳能热水系统易受气候影响，当天气条件不利时，只能依靠辅助热源进行加热。空气源热泵以环境空气作为低温热源，具有系统简单、热效率高等优点。以空气源热泵辅助太阳能热水系统，可以弥补常规太阳能热水系统的缺陷。
空气源热泵辅助太阳能热水系统运行的关键是最大限度地利用太阳能制取热水，当太阳能不能满足要求时，自动启动空气源热泵加热。目前，该类热水系统的控制功能相对简单，没有综合考虑光照条件、水箱水量、用水工况等因素的影响，降低了太阳能的利用效率。本文以杭州某干部学校的空气源热泵辅助太阳能热水系统为研究对象，分析了系统的运行原理、不同气候的运行模式、设计了空气源热泵辅助太阳能热水系统的自动控制系统，并对系统进行研制。
一、空气源热泵辅助太阳能热水系统工作原理
空气源热泵辅助太阳能热水系统由太阳能集热系统和空气源热泵辅助加热系统，系统主要有太阳能集热板（1）、密闭式集热水箱（2）、集热水泵（3）、空气源热泵（4）、热泵循环水泵（5）、密闭式供热水箱（6）、供热水循环泵（7）及其他附件等组成。系统原理图见图1。
本系统采用空气源热泵直热式辅助太阳能热水系统。平板型集热器吸收太阳能加热介质，通过集热水泵，不断将集热板吸收的太阳能传到集热水箱，使集热水箱中的水温不断上升直至达到设定温度；当太阳辐射较弱时，单纯依靠太阳不足以加热生活热水到设定温度，自动开启空气源热泵辅助加热，把供热水箱温度加热到设定温度；当连续阴雨天气或者雨雪天气，太阳能循环无法达到启动条件，则由空气源热泵单独运行制取热水。
二、空气源热泵辅助太阳能热水系统模式
运行策略优先使用太阳能系统进行加热，当太阳能热水系统不能满足设定热水温度时，自动启动气源热泵进行补充加热。随着天气条件、日照辐射变化，会有三种制热水模式：太阳能热水系统单独运行模式、空气源热泵单独运行模式、空气源热泵与太阳能共同运行模式。控制系统原理图见图2。
主要监控设备有：集热板温度、集热水泵2台、集热水箱温度、供热水箱温度、供热水泵2台、电磁阀1只，供热水回水管末端温度、其中空气源热泵机组1台、热泵循环水泵2台由空气源热泵机组热泵集中控制柜单独控制。
1）集热板最高点温度监控（T1）；
2）集热水泵起停、运行状态、故障、手自动状态监控；
3）集热水箱温度检测（T2）；
4）供热水箱温度检测（T3、T5）；
5）供热水泵起停、运行状态、故障、手自动状态监控；
6）供热水回水管末端温度检测（T4）；
2.1太阳能集热系统控制：
太阳能集热系统控制是通过开启集热循环泵将集热器中吸收的太阳能转换为水箱中水的热能。本项目采用温差循环控制，即系统运行后首先检测各测点温度，当集热器出口温度T1与集热水箱温度T2的温差达到系统设定的温差，启动集热水泵P1，当两者温差降低到系统的设定温差，集热水泵P1停止。
2.2、水箱间循环控制：
本项目两水箱补水采用自力式补水方式，因此对于本项目而言水箱间循环控制就是水箱间温差循环控制。当集热水箱温度T2和供热水箱温度T3的温差达到设定的温差，电磁阀V2打开，热泵循环水泵P2开启，两水箱进行内循环，当两者温差降低到系统的设定温差，电磁阀V2关闭，两水箱进行内循环。
2.3、供水系统管道温度控制：
供水系统管道控制是当供热水回水管末端温度T4小于设定值且与供热水箱温度T3温差大于设定值时，供热水泵P3开启，使供热水箱中温度较高的热水与供热管道中温度较低的冷水进行循环，降低两者的温差，保证用户打开水阀就能使用到温度适宜的热水。当两者温差降到设定停止温差是，停止供热水泵P3。
2.4、防冻控制
对于太阳能热水系统来说，当环境温度过低时，为防止结冰，就必须要考虑到防冻保护。本项目采用定温循环，即当集热板出口温度T1低于设定温度时，集热水泵P3自动开启，强制循环太阳能热水系统，当集热板出口温度T1高于设定温度值时，水泵停止运行。
2.5、空气源热泵辅助加热控制
主要发生在阴天多云天气，供水水箱温度低于设定温度时，开启热泵循环水泵P5，空气源热泵系统进入加热状态，当供水水箱温度高于系统停止温度时，关闭热泵循环水泵P5，空气源热泵系统停止工作。
该系统具有较强的适用性，设计简单，在空气源热泵辅助太阳能供热系统中得到广泛应用。用户可以根据项目特点和现场环境设置不同的控制参数，对系统进行全面的控制，还可以通过完善参数设置使系统处于最佳运行状态，但是也存在了一些不足之处，比如参数设置多，很难保证系统处于最佳运行状态。因此设计一套合理且便利的运行策略对整个系统的节能优化显得尤为重要。
三、小结
本文介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统的工作原理，分析在不同气候条件的3种运行模式，根据空气源热泵辅助太阳能热水系统常规控制系统，进行了系统节能控制的分析，以温差为依据控制太阳能热水系统，以能量为依据控制空气源热泵辅助热水系统。此控制策略不但能满足用户动态需求，且能有利用太阳能资源，起到自动控制节能效果。
参考文献
[1] 郑瑞澄主编.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，2011
[2] 丁鸿昌，杨前明，等.基于多参数空气源热泵辅助太阳能热水机组的控制系统.可再生能源，第31卷第8期，2013年8月
[3] 王伟，南晓红，等.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨.制冷与空调，第25卷第5期，211年10月
基金項目
*浙江省科技厅重大科技专项（编号：2014C01002）（可再生能源在建筑中的规模化应用关键技术研究与示范）。
[关键词]空气源热泵；太阳能热水系统；节能；系统控制
中图分类号：S304 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0054-01
引言
太阳能热水系统在我国太阳能资源丰富的地区得到了广泛应用。在日光充足条件下，整个系统的运行费用几乎为零，且环保无污染。但常规太阳能热水系统易受气候影响，当天气条件不利时，只能依靠辅助热源进行加热。空气源热泵以环境空气作为低温热源，具有系统简单、热效率高等优点。以空气源热泵辅助太阳能热水系统，可以弥补常规太阳能热水系统的缺陷。
空气源热泵辅助太阳能热水系统运行的关键是最大限度地利用太阳能制取热水，当太阳能不能满足要求时，自动启动空气源热泵加热。目前，该类热水系统的控制功能相对简单，没有综合考虑光照条件、水箱水量、用水工况等因素的影响，降低了太阳能的利用效率。本文以杭州某干部学校的空气源热泵辅助太阳能热水系统为研究对象，分析了系统的运行原理、不同气候的运行模式、设计了空气源热泵辅助太阳能热水系统的自动控制系统，并对系统进行研制。
一、空气源热泵辅助太阳能热水系统工作原理
空气源热泵辅助太阳能热水系统由太阳能集热系统和空气源热泵辅助加热系统，系统主要有太阳能集热板（1）、密闭式集热水箱（2）、集热水泵（3）、空气源热泵（4）、热泵循环水泵（5）、密闭式供热水箱（6）、供热水循环泵（7）及其他附件等组成。系统原理图见图1。
本系统采用空气源热泵直热式辅助太阳能热水系统。平板型集热器吸收太阳能加热介质，通过集热水泵，不断将集热板吸收的太阳能传到集热水箱，使集热水箱中的水温不断上升直至达到设定温度；当太阳辐射较弱时，单纯依靠太阳不足以加热生活热水到设定温度，自动开启空气源热泵辅助加热，把供热水箱温度加热到设定温度；当连续阴雨天气或者雨雪天气，太阳能循环无法达到启动条件，则由空气源热泵单独运行制取热水。
二、空气源热泵辅助太阳能热水系统模式
运行策略优先使用太阳能系统进行加热，当太阳能热水系统不能满足设定热水温度时，自动启动气源热泵进行补充加热。随着天气条件、日照辐射变化，会有三种制热水模式：太阳能热水系统单独运行模式、空气源热泵单独运行模式、空气源热泵与太阳能共同运行模式。控制系统原理图见图2。
主要监控设备有：集热板温度、集热水泵2台、集热水箱温度、供热水箱温度、供热水泵2台、电磁阀1只，供热水回水管末端温度、其中空气源热泵机组1台、热泵循环水泵2台由空气源热泵机组热泵集中控制柜单独控制。
1）集热板最高点温度监控（T1）；
2）集热水泵起停、运行状态、故障、手自动状态监控；
3）集热水箱温度检测（T2）；
4）供热水箱温度检测（T3、T5）；
5）供热水泵起停、运行状态、故障、手自动状态监控；
6）供热水回水管末端温度检测（T4）；
2.1太阳能集热系统控制：
太阳能集热系统控制是通过开启集热循环泵将集热器中吸收的太阳能转换为水箱中水的热能。本项目采用温差循环控制，即系统运行后首先检测各测点温度，当集热器出口温度T1与集热水箱温度T2的温差达到系统设定的温差，启动集热水泵P1，当两者温差降低到系统的设定温差，集热水泵P1停止。
2.2、水箱间循环控制：
本项目两水箱补水采用自力式补水方式，因此对于本项目而言水箱间循环控制就是水箱间温差循环控制。当集热水箱温度T2和供热水箱温度T3的温差达到设定的温差，电磁阀V2打开，热泵循环水泵P2开启，两水箱进行内循环，当两者温差降低到系统的设定温差，电磁阀V2关闭，两水箱进行内循环。
2.3、供水系统管道温度控制：
供水系统管道控制是当供热水回水管末端温度T4小于设定值且与供热水箱温度T3温差大于设定值时，供热水泵P3开启，使供热水箱中温度较高的热水与供热管道中温度较低的冷水进行循环，降低两者的温差，保证用户打开水阀就能使用到温度适宜的热水。当两者温差降到设定停止温差是，停止供热水泵P3。
2.4、防冻控制
对于太阳能热水系统来说，当环境温度过低时，为防止结冰，就必须要考虑到防冻保护。本项目采用定温循环，即当集热板出口温度T1低于设定温度时，集热水泵P3自动开启，强制循环太阳能热水系统，当集热板出口温度T1高于设定温度值时，水泵停止运行。
2.5、空气源热泵辅助加热控制
主要发生在阴天多云天气，供水水箱温度低于设定温度时，开启热泵循环水泵P5，空气源热泵系统进入加热状态，当供水水箱温度高于系统停止温度时，关闭热泵循环水泵P5，空气源热泵系统停止工作。
该系统具有较强的适用性，设计简单，在空气源热泵辅助太阳能供热系统中得到广泛应用。用户可以根据项目特点和现场环境设置不同的控制参数，对系统进行全面的控制，还可以通过完善参数设置使系统处于最佳运行状态，但是也存在了一些不足之处，比如参数设置多，很难保证系统处于最佳运行状态。因此设计一套合理且便利的运行策略对整个系统的节能优化显得尤为重要。
三、小结
本文介绍了空气源热泵辅助太阳能热水系统的工作原理，分析在不同气候条件的3种运行模式，根据空气源热泵辅助太阳能热水系统常规控制系统，进行了系统节能控制的分析，以温差为依据控制太阳能热水系统，以能量为依据控制空气源热泵辅助热水系统。此控制策略不但能满足用户动态需求，且能有利用太阳能资源，起到自动控制节能效果。
参考文献
[1] 郑瑞澄主编.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，2011
[2] 丁鸿昌，杨前明，等.基于多参数空气源热泵辅助太阳能热水机组的控制系统.可再生能源，第31卷第8期，2013年8月
[3] 王伟，南晓红，等.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨.制冷与空调，第25卷第5期，211年10月
基金項目
*浙江省科技厅重大科技专项（编号：2014C01002）（可再生能源在建筑中的规模化应用关键技术研究与示范）。