一、引 言
由于我國太陽(yáng)能資源十分豐富，年日照時(shí)間為2500小時(shí)的地區占國土面積的2/3以上，有的地區高達3000小時(shí)，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能潛力巨大，在能源危機和環(huán)境污染雙重壓力下，太陽(yáng)能逐漸成為可再生能源中最引人注目、研究開(kāi)發(fā)最多、應用最為廣泛的清潔能源，在太陽(yáng)能技術(shù)的研究利用中，太陽(yáng)能熱水系統是太陽(yáng)能利用中最成熟、最具經(jīng)濟性的利用方式，也是目前經(jīng)濟上最具有競爭力的綠色能源技術(shù)。隨著(zhù)能源緊缺日益擴大，人們的節能意識逐漸增強。近幾年國家和地方政府紛紛出臺相應的政策法規，鼓勵或規定在建筑中優(yōu)先使用太陽(yáng)能熱水系統。而空氣源熱泵技術(shù)也是一種很好的節能型供熱技術(shù)，是利用少量高品位的電能作為驅動(dòng)能源，從低溫熱源空氣中高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，以達到加熱的目的。隨著(zhù)人們對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(yáng)能難以滿(mǎn)足全天候供熱。要解決這一問(wèn)題，熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能利用相結合無(wú)疑是一種好的選擇方法。
二、空氣源熱泵技術(shù)
所謂熱泵，就是靠電能驅動(dòng)，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。也就是說(shuō)，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(yáng)能、工業(yè)廢水等)轉換為可以利用的高位能，從而達到節約部分高位能(煤、石油、燃氣、電能等)的目的。在礦物能源逐漸短缺、環(huán)境問(wèn)題日益嚴重的當今世界，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世紀初葉，可以說(shuō)1824年卡諾循環(huán)的發(fā)表即奠定了熱泵研究的基礎?？諝庠礋岜脽崴畽C組的制造、推廣和使用在我國只是最近十幾年的事情，但由于其相對傳統制取熱水設備的高效節能、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(chǎng)日益廣泛的關(guān)注。熱泵熱水機組以清潔再生原料（空氣＋電）為能源，既不使用也不產(chǎn)生對人體有害的氣體，同時(shí)也減少了溫室效應和大氣污染。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)現的,熱泵熱水機組工作時(shí)，蒸發(fā)器吸收環(huán)境熱能，壓縮機吸入常溫低壓介質(zhì)氣體，經(jīng)過(guò)壓縮機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(lái)制取熱水，并冷凝成低溫高壓的液體。后經(jīng)膨脹閥節流變成低溫低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器內進(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，開(kāi)始又一輪同樣的工作過(guò)程。這樣的循環(huán)過(guò)程連續不斷，周而復始，從而達到不斷制熱的目的。
三、太陽(yáng)能與空氣源熱泵結合技術(shù)
3.1太陽(yáng)能熱泵技術(shù)
太陽(yáng)能熱泵一般是指利用太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統，它把熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機的結合起來(lái)，可同時(shí)提高太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵系統性能。
太陽(yáng)能熱泵技術(shù)是原有的熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能光熱，光伏技術(shù)的有機融合。能通過(guò)熱泵的形式，提高能效的利用，而且通過(guò)太陽(yáng)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(guò)低時(shí)引起的供熱能力和性能系數降低的問(wèn)題，
提高了熱泵對使用環(huán)境的適應性。
3.2太陽(yáng)能與空氣源熱泵互補熱利用技術(shù)
常規太陽(yáng)能熱水系統易受氣候的影響，在陰雨天或春秋季，太陽(yáng)輻射能熱量較少，較難滿(mǎn)足熱水量的需求，不能全天候使用，也影響了太陽(yáng)能熱水系統的推廣應用?？諝庠礋岜米鳛楣澞茉O備具有獨特優(yōu)勢，它可以節省高品位電能，降低化石類(lèi)能源的消耗，減少環(huán)境污染?？諝庠礋岜檬且钥諝鉃闊嵩?，通過(guò)輸入少量的高品位能源(電能)來(lái)實(shí)現低品位熱能向高品位熱能轉移的熱泵系統，空氣源熱泵僅消耗少量的電能可以將數倍低溫熱能通過(guò)壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?。因此將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能熱水系統有機地結合起來(lái)可彌補陰雨天太陽(yáng)能的不足。太陽(yáng)能熱水系統與熱泵互補系統結合了太陽(yáng)能的清潔性、可再生性和空氣源熱泵的節能性，是一種節能、無(wú)污染的高效能源利用系統。
太陽(yáng)能與熱泵的結合有兩種工作模式：一是以太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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、穩定、可靠運行，用太陽(yáng)能作為其輔助熱源或直接加熱熱水箱內的水或提供預熱。
四、應用案例分析
4.1項目概況
4.1.1工程名稱(chēng)：浙江大學(xué)附屬中學(xué)
4.1.2工程所在地：杭州市江干區丁橋鎮臨丁路
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(chē)庫與地下用房、體育活動(dòng)場(chǎng)所等?？偨ㄖ娣e84505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)宿舍內設有淋浴間，供淋浴及洗手、洗臉用，磁卡表計量。食堂內設有職工淋浴間，供淋浴及食堂刷碗、洗菜用，磁卡表計量。
4.1.6當地的太陽(yáng)輻射量：1163~1393kWh/m2·a。
4.1.7當地的氣候條件：年日照時(shí)數為1400~2200H，月平均氣溫見(jiàn)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建設單位：杭州市教育資產(chǎn)營(yíng)運管理中心
4.1.9設計單位：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系統介紹
4.2.1 系統原理簡(jiǎn)述
本工程男女宿舍樓各設置一個(gè)獨立的集中生活熱水供應系統，食堂設置一個(gè)獨立的集中生活熱水供應系統，采用太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵24小時(shí)集中供應熱水。制取熱水的水源為市政自來(lái)水（水壓為0.3MPA)，太陽(yáng)能集熱系統采用溫差循環(huán)式加熱方式，冷水經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器預加熱后貯存于20立方的集熱循環(huán)水箱（A水箱，閉式水箱），當使用熱水時(shí)，通過(guò)自來(lái)水的壓力將A水箱的熱水輸送到生活儲熱水箱（B水箱，閉式水箱），控制系統隨時(shí)感應生活儲熱水箱溫度，當達不到設定溫度時(shí)，空氣源熱泵加熱生活儲熱水箱，使生活儲熱水箱始終恒溫在55度（可調），保證24小時(shí)熱水需求。自來(lái)水的補水設置于A水箱內，采用自來(lái)水的壓力將太陽(yáng)能預熱水輸送到B水箱中。熱水管道末端設置溫度感應點(diǎn)，溫度低于設定溫度時(shí)，回水泵工作，保證打開(kāi)用水閥門(mén)，即開(kāi)即熱?？刂葡到y采用杭州普桑能源科技有限公司設計開(kāi)發(fā)的可編程PLC電腦控制系統，實(shí)現太陽(yáng)能與熱泵互補系統智能、全自動(dòng)運行。
太陽(yáng)能與熱泵互補系統流程圖
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，總共6臺25匹空氣源熱泵。
4.2.3太陽(yáng)能集熱器形式、集熱器面積計算
采用全玻璃真空管集熱器集中集熱，根據GB 50364-2005《民用建筑太陽(yáng)熱水系統應用技術(shù)規范》，太陽(yáng)集熱器的總面積計算公式，經(jīng)計算得: 總面積為
=697.7㎡。
故所需太陽(yáng)能總面積為：697.7㎡ ，但由于屋面面積有限，每套太陽(yáng)能集熱系統集熱面積為250平米。男女宿舍樓太陽(yáng)能集熱器分別設置在宿舍樓頂，食堂太陽(yáng)能集熱器設置在食堂樓頂。
4.2.4系統設備配置
每套太陽(yáng)能熱水系統分別配置250平米太陽(yáng)能集熱器、2臺25匹低溫型空氣源熱泵、配置2臺20噸臥式閉式水箱、一套PLC電腦控制系統。
（1）太陽(yáng)能集熱器
目前國內的太陽(yáng)能光熱元件在國際上處于領(lǐng)先水平，本項目采用具有領(lǐng)先水平的四季沐歌太陽(yáng)能集熱設備。本項目采用高性能全玻璃真空管太陽(yáng)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，見(jiàn)下表：
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項目名稱(chēng) |
性能參數 |
備注 |
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長(cháng)度（mm） |
1800 |
符合國標 |
|
罩玻璃長(cháng)度（mm） |
58 |
符合國標 |
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壁厚（mm） |
1.5/1.6 |
優(yōu)于國標 |
|
膨脹系數 |
3.3×10-6 |
優(yōu)于國標 |
|
罩玻璃的透射率 |
≥0.95 |
優(yōu)于國標 |
|
吸收體 |
濺射漸變鋁-氮/鋁 |
優(yōu)于國標 |
|
太陽(yáng)吸收比 |
≥0.96 |
優(yōu)于國標 |
|
發(fā)射比 |
≤0.05 |
優(yōu)于國標 |
|
真空度 |
≤5×10-2Pa |
優(yōu)于國標 |
|
空曬度 |
≥250℃ |
優(yōu)于國標 |
|
平均熱損系數 |
≤0.52W/㎡℃ |
優(yōu)于國標 |
|
抗冰雹能力 |
直徑25mm冰雹沖擊不破損 |
優(yōu)于國標 |
|
耐壓能力 |
≥0.6——0.8MPa |
優(yōu)于國標 |
表1-2
B、太陽(yáng)能集熱器性能規格參數
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項目名稱(chēng) |
指標 |
國家標準 |
備注 |
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型號 |
58（mm）×1800（mm） |
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符合國標 |
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真空管支數 |
50 |
|
符合國標 |
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集熱器接口 |
DN25 |
|
優(yōu)于國標 |
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保溫材料 |
熟化聚氨酯 |
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優(yōu)于國標 |
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承受壓力 |
0.6kg/㎡ |
0.5kg/㎡ |
優(yōu)于國標 |
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占地尺寸 |
2000（mm）×3800（mm） |
|
優(yōu)于國標 |
|
|
聯(lián)
箱
參
數 |
內膽材質(zhì) |
0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼 |
優(yōu)于國標 |
|
|
外皮材質(zhì) |
采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長(cháng) |
優(yōu)于國標 |
||
|
保溫材料 |
采用進(jìn)口高壓發(fā)泡設備，無(wú)氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過(guò)98%，保溫性能良好 |
優(yōu)于國標 |
||
表1-3
（2）空氣源熱泵
四季沐歌空氣源熱泵熱水機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)，結合我國用戶(hù)的使用特點(diǎn)，全新開(kāi)發(fā)出一系列空氣能熱泵熱水機組，在進(jìn)水溫度、進(jìn)水壓力、環(huán)境溫度等參數不斷變化的情況下，始終保證出水溫度恒定在設定值（出廠(chǎng)設定55℃），48～60℃可調。機組開(kāi)啟即有高溫熱水產(chǎn)生。
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型號 |
KFXRS-095/II |
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額定制熱量（KW） |
94.8 |
|
定額功率（KW） |
23.5 |
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定額電流（A） |
30.11 |
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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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電源規格 |
380V3N~50/60Hz |
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冷媒類(lèi)型 |
R22 |
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出水溫度℃ |
55度 (45-60度可調) |
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進(jìn)水管管徑(mm) |
DN50(外螺紋） |
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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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水系統最高承壓(MPa) |
5 |
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壓縮機 |
高效渦旋式 |
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室外風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)向 |
頂出風(fēng) |
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機組寬×高×深（m×m×m) |
2009×1162×2025 |
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機組重量(kg) |
760 |
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運行噪音dB(A） |
60 |
表1-4
（3）儲熱水箱
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項目名稱(chēng) |
技術(shù)參數 |
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外形尺寸 |
φ2300x4800x5mm |
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材質(zhì) |
304食品級不銹鋼 |
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內膽厚度 |
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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設計壓力Mpa |
10 |
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工作溫度℃ |
0-100 |
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設計最高溫度℃ |
150 |
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介質(zhì) |
水 |
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腐蝕裕量mm |
0 |
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焊接接頭系數 |
0.97 |
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水箱形狀 |
臥式，圓柱型 |
表1-5
（4）控制系統
本項目的關(guān)鍵技術(shù)在于采用了計算機智能控制技術(shù)，杭州普桑能源科技有限公司電氣工程師將確定太陽(yáng)能熱水系統運行的所有影響因素全部轉換成計算機能夠識別的信號，輸入計算機，并將所有可能出現的情況和在各種情況下太陽(yáng)能熱水系統應該采取的運行指令編制成計算機程序，輸入計算機。這樣，根據太陽(yáng)能熱水系統實(shí)際運行的狀況，計算機就會(huì )自動(dòng)分析、判斷、處理，自動(dòng)做出正確的判斷和指令，達到充分利用太陽(yáng)能源，實(shí)現熱水供應系統的智能化、自動(dòng)化運行的效果。
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項目名稱(chēng) |
技術(shù)參數 |
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輸入電源 |
380V/50Hz |
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控制器 |
德國西門(mén)子PLC控制器 |
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設備無(wú)負載時(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 |
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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)轉化、水溫、水位顯示、手動(dòng)與自動(dòng)轉化、定時(shí)、高溫保護等功能 |
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特殊功能 |
故障報警功能，遠程監控功能，停電保持功能 |
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安全防護功能 |
系統設有短路、過(guò)流、漏電和過(guò)熱斷電四種防護 |
表1-6
4.2.5與建筑的結合方式
太陽(yáng)能集熱器布置在學(xué)生宿舍樓和食堂的平屋頂，屋頂標高分別為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(guān)整齊，與建筑完美結合。
4.2.6供水溫度
本系統采用24小時(shí)供應熱水，熱水水溫控制在55-60度。
4.2.7系統特點(diǎn)
（1）太陽(yáng)能加熱系統及輔助熱泵加熱系統均采用閉式系統，全玻璃真空管集熱器為非承壓集熱器，通過(guò)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(yáng)能系統整體設計，占用屋面面積空間緊湊。給周?chē)h(huán)境增添生機起到畫(huà)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(yáng)能系統安全可靠。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(yáng)能系統安全可靠運行。
（4）系統設置了太陽(yáng)能儲熱水箱和恒溫水箱，不僅解決了屋面承載能力小的缺陷，而且使太陽(yáng)能得到充分利用，減少常規能源的消耗。
（5）電腦智能控制，全自動(dòng)運行。該控制系統將太陽(yáng)能熱水系統運行管理的所有參數，全部編成計算機程序，并通過(guò)電腦控制器，真正實(shí)現了太陽(yáng)能系統的全自動(dòng)智能化運行和２４小時(shí)供應熱水。
（6）設計了手動(dòng)及應急操作功能。系統自動(dòng)運行可以與手動(dòng)操作功能自由轉換，系統循環(huán)泵及輔助加熱設備可以按需要手動(dòng)操作，真正體現人性化的操作界面。
（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(mǎn)意度及舒適度。
（8）采用進(jìn)口恒溫閥，對供熱水水溫進(jìn)行控制，防止學(xué)生燙傷。
（9）采用全自動(dòng)紅外線(xiàn)感應淋浴噴頭，節約水資源。
五、結束語(yǔ)
太陽(yáng)能與空氣源熱泵互補利用技術(shù)是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機的結合，具有集熱效率高、供熱性能系數高、形式多樣、布置靈活、一機多用、應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽(yáng)能與建筑一體化”和“全天候”的問(wèn)題。太陽(yáng)能與熱泵互補熱利用技術(shù)將在太陽(yáng)能利用中占有重要地位，有著(zhù)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(lái)越深入人心，其節能減排的意義將是不可估量的，太陽(yáng)能與空氣源熱泵互補利用技術(shù)必將有廣闊的市場(chǎng)前景。
空氣源熱泵與儲熱水箱部分圖片1
空氣源熱泵與儲熱水箱部分圖片2