关键词:余热回收，热泵，洗浴污水，太阳能
中图分类号：TE08文献标识码：A
0前言
相对来说,高校浴室开放时间固定,用水流量大、温度较稳定,并且淋浴温度适中,适合用热泵技术进行余热回收。浴室系统高低温热源的温度变化较大,低位热流具有滞后性,具有鲜明的浴室余热回收特点。太阳能作为无污染的、同时也是人类可以利用的最丰富的能源，对节能非常有利。太阳能热水器是太阳热能利用中最基本也是目前经济效益比较明显的一种装置，而热泵技术在余废热回收、低位能源的有效利用、环保与节能、运行经济性等方面具有非常明显的优势,为能源的综合利用、社会的可持续发展作出一定的贡献[1]-[5]。
某高校坐落于上海市临港新城，建筑面积60万m2。学校学生浴室2500m2，每天平均容纳学生4000人/天，最高可容纳学生5000人/天.浴室供热是一项巨大的能源消耗。考虑到现在矿物燃料的价格上涨且太阳能采暖技术趋于成熟，太阳能是一个取之不竭、用之不尽的洁净能源宝库，太阳光热转换效率高，采用太阳能集中热水系统对其进行部分供热并用热泵对污水进行热量回收可大量节约常规能源和减少环境污染。根据各地接受太阳总辐射量的多少，上海在全国范围内被划分为第四类地区，是我国太阳能资源较差地区，全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502×104kJ／m2・a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量[6]-[7]。
1系统的方案设计与计算
1.1方案设计
现有的浴室供热系统热量全部由燃气锅炉提供，不仅能耗大而且污染环境比较严重。为了节能环保并降低运行成本，现加入太阳能系统和污水源热泵机组的余热回收系统。将太阳能收集的热量和热泵回收的热量对所需热量进行补充，从而减少燃气锅炉的使用。
原理如图1所示
图1
本系统由燃气锅炉、太阳能系统和热泵机组的余热回收系统组成。太阳能系统加热的水送到储热水箱，锅炉系统和热泵系统热量送至热水箱，然后通过温度比例调节器将水调节成适合洗澡的温度后送至浴室，提供给学生使用。
1.2设计条件
1.2.1浴室的用水温度在冬天的时候以42～45℃为宜，春秋天的时候温度可以略低一些。因为公共场所用水量要充分考虑，因此本太阳能系统的出水温度为50℃。
1.2.2上海的地理指数：
A、北纬：31°12'，东经：121°29'
B、属于北亚热带季风气候，四季分明，日照充足，年日照总时数1678.8（h）
C、太阳总辐射量653.1cal/（cm2・天）
上海年平均气温如表1所示
表1上海年平均气温（℃）
月份
温度123456789101112
全天3.54.68.31418.823.327.827.723.61812.36.2
白天5.86.910.416.321.325.529.829.525.420.214.48.6
1.2.3设计要求：某高校位于上海市临港新城，建筑面积60万m2。学校的学生浴室2500m2，每天平均容纳学生4000人/天，最高可容纳学生5000人/天。
1.3热值计算
根据国家《室内给排水热水供应设计规范》规定每人每次淋浴用水为35L~50L，但是工作场所用水要考虑充分，经过对现在学校浴室洗浴用水的调查，每人每次约为40L~50L，因此本设计中每人每次洗浴用水按照45L用水标准。
1.3.1经查历年来的上海地区气候资料可知：春秋基础水温为T0春秋≈13℃，冬季基础水温为T0冬≈7℃。夏天基础水温为T0夏≈19℃
查未饱和水的热力性质表得各温度下水的比焓值如表2所示
表2各温度下水的比焓值
温度T0（℃）7131950
比焓h（kJ/kg）29.554.779.8209.4
1.3.2所需水量计算
学生浴室设计人数为4000人，该系统具有辅助热源，按照国家的规定，有辅助热源的，储存量为所需量的1.2~1.5倍，所以本系统的设计储水量为：（45×5000）×1.2=270000L，所以设计储水量取为270000L，即270吨。可以满足每天最高容纳5000人的洗浴所需水量。
2.3.3所需热值计算
春秋天时的热值计算：（209.4－54.7）×270000=41769000（kJ）
冬天的热值计算：（209.4-29.5）×270000=48573000（kJ）
1.4太阳能集热面积的确定
在学校浴室现有条件下，在其顶部安装太阳能集热器：
屋顶长80m，宽25m，可得总面积为：80×25=2000m2；
锅炉房面积100m2，可安装太阳能面积为2000－100=1900m2；
冬夏较长：N夏=120天，N冬=90天，其中冬季阴雨天约N'冬≈30天。
春秋较短：N春秋=150天，其中阴雨天约N'春秋≈50天。
春秋基础水温：T0春秋≈13℃，冬季基础水温：T0冬≈7℃
1.4.1太阳能热水系统的得热量Qs
太阳能热水系统的得热量Qs与太阳辐照量，日平均环境温度和水箱内的起始水温有关系的得热量方程，从而可以推算出该太阳能水系统在该地区的全年得热量。
（1-1）
（1-2）
式中的系数a1、a2、和a3由试验结果通过拟合方程时确定。Qs就是贮热水箱在一天中所获得的净太阳能，即得热量。
其中：Qs――太阳能热水系统的得热量（MJ）H――集热器倾斜面上的日太阳辐照量（MJ/）――日平均环境温度（℃）――贮热水箱内的水温（℃）a1、a2、a3――由试验结果拟合方程得到的系数，不同的太阳能热水系统具体系数值不同。
1.4.2太阳能热水系统的贮热水箱平均热损失系数us
（1-3）
其中：――水的密度1.0×103kg/m3――水的比热容4.2×103J/(kg・℃)――贮水箱中的流体容积（m3）――贮热水箱内的初始水温（℃）――贮热水箱内的最终水温（℃）――贮热水箱附近的空气平均温度（℃）――时间间隔（s）
按照这些公式就可以算出该太阳能热水系统的贮热水箱在春秋天和冬天时候的平均热损失系数us。
1.4.3估算法确定太阳能集热系统的集热量
整个太阳能集热面积为1900m2，日射当量为4000kcal/(m2•日)，即为16800kJ/(m2•日)，平均日效率为55%。所以春秋时每天所得的集热量为Q1=1900×16800×55%=17556000kJ；冬季每天所得的集热量为Q2=1900×12600×55%=13167000kJ。
2系统设计
该系统每天为学生们要提供270吨的热水，学校现有水箱2个，其中蓄热水箱为120吨，另一个为储热水箱30吨，该系统每天最多可以提供350吨45℃的热水，在蓄热水箱的出水总管上安置一个比例型温度调节器，一边连接储热水箱，一边连接在自来水公司的供水管上面，将供水的温度调节在学生洗浴时所需要的温度。
经过对现在该高校学生浴室情况的调查可知：在每天下午5:00至7:00之间洗浴的同学特别多，是平均人数的1.5倍左右，目前高峰的时候可以达到7500人/天，本系统的蓄热水箱可以贮存接近100℃的热水。这样的话就可以按照学生真正的洗浴情况，合理的安排燃气锅炉提前为本系统蓄热，这样的话就完全可以为本系统在提供洗浴热水350吨左右，可以满足350000÷45=7778人，完全满足了峰值时候的需要。
2.1辅助热源设计
太阳能热水系统最大的缺点就是在阴雨天的时候没有办法来提供学生洗浴所需要的热水，必需采用其它的辅助热源在阴雨天以及冬天的时候来补充热力需求的不足，本着节约成本的原则该系统的辅助热源选择3台常压热水锅炉，额定热功率2.1MW.
3运行策略
3.1春秋天晴天的运行策略
因为本系统设计的原则基于春秋天太阳能辐射强度和用水需求来设计的，所以在整个春秋天的时候，天气晴好，本系统的太阳能热水系统就基本可以满足大部分学生洗浴用水的需求，需要部分辅助热源提供辅助。运行策略如表6所示
表6春秋天晴天的运行策略（kJ）
时间热负荷太阳能供热能力太阳能供热太阳能蓄热锅炉蓄热锅炉供热热泵供热
6：00-7：0003499200349920000
7：00-8：0006933600693360000
8：00-9：000104328001043280000
9：00-10：000115320001153200000
10：00-11：000135320001353200000
11：00-12：000213912002139120000
12：00-13：000254640002546400000
13：00-14：000323976003239760000
14：00-15：000254640002546400000
15：00-16：00628632014480805304083144808000982237
16：00-17：0097593606933606709560693360003049800
17：00-18：0073195203499205032170349920002287350
18：00-19：00975936005101870061993733049800
19：00-20：007319520000050321702287350
20：00-21：0013249200000910882414038
合计4176900017556000175560001755600001214242512070575
3.2冬天晴天的运行策略
在冬天的时候一方面由于太阳辐射强度不够，一方面由于冬天所需的热负荷也大，因此在冬天运行的时候主要靠辅助热源来对系统进行热负荷补充。大体的运行策略是在太阳能的热量全部用完后利用燃气锅炉按照需要加热，然后在学生洗浴的时候来补充太阳能热水系统的不足。运行策略如表7所示
表7冬天晴天的运行策略(kJ)
时间热负荷太阳能供热能力太阳能供热太阳能蓄热锅炉蓄热锅炉供热热泵供热
6：00-7：000000000
7：00-8：0001696140169614000
8：00-9：0003392280339228000
9：00-10：0006784560678456000
10：00-11：000135691201356912000
11：00-12：000203536802035368000
12：00-13：000203536802035368000
13：00-14：000319016003190160000
14：00-15：000251382402513824000
15：00-16：006147440678456518690267845600960538
16：00-17：00113491201696147802520169614003546600
17：00-18：00851184001775780056743122659950
18：00-19：0011349120000078025203546600
19：00-20：008511840000058518902659950
20：00-21：00270364000001858752844888
合计4857300013167000131670001316700002118747414218526
3.3春秋阴雨天及应急情况的运行策略
春秋天的阴雨天及太阳能不能提供热量的应急情况下，本系统不能利用太阳能来产生热水，那么所需的热量要靠燃气锅炉提前为整个系统部分蓄热，然后采用继续加热来满足学生洗浴用水的热量需求。运行策略如表8所示
表8春秋阴雨天及应急情况的运行策略（kJ）
时间热负荷太阳能供热能力太阳能蓄热锅炉蓄热蓄热放热锅炉供热热泵供热
14：00-15：000009360000000
15：00-16：0062863200006240834680000982237
16：00-17：009759360000202956046800003049800
17：00-18：00731952000035217046800002287350
18：00-19：009759360000202956046800003049800
19：00-20：00731952000043246277075432287350
20：00-21：0013249200000910882414038
合计4176900000936000093600002033842512070575
3.4冬天阴雨天及应急情况的运行策略
在冬天的时候，所需热量比较多，那么全部的热量就只能靠燃气锅炉提前加热洗浴用水为整个系统蓄热。这样就可以满足本系统在冬天阴雨天及应急情况的时候学生洗浴用水的需要。运行策略如表9所示
表9冬天阴雨天及应急情况的运行策略（kJ）
时间热负荷太阳能供热能力太阳能蓄热锅炉蓄热蓄热放热锅炉供热热泵供热
9：00-10：000000000
10：00-11：000000000
11：00-12：000009360000000
12：00-13：000009360000000
13：00-14：000009360000000
14：00-15：000009360000000
15：00-16：00614744000051869020960538
16：00-17：0011349120000780252003546600
17：00-18：008511840000585189002659950
18：00-19：0011349120000780252003546600
19：00-20：008511840000585189002659950
20：00-21：00270364000018587520844888
合计48573000003744000034354474014218526
4经济性分析
4.1该系统成本统计和回收期预测
本系统一共采用了340组太阳能集热器，每组报价大体在5500元；10个热水循环泵，每个大概为4000元；换热器20组，每组大概为4500元；污水源热泵机组1台，价格80000元；其它的管道、电线、保温管、膨胀连接、电磁阀、集热器自动上水器以及支架和其它的辅助设备估价200000元。那么整个系统的建造价格大约为216万元。
年运行费用计算如下：整个系统的热负荷由太阳能热水系统和锅炉以及热泵系统提供，运行费用为自来水的费用、水泵和热泵运转的时候所花费的电费、燃气费。
现在行天然气的价格是2.5元/m3热值为36MJ/m3春秋的时候阴雨天为60天，每天的锅炉的运行费用为（9360+20338.425）÷36×2.5=2062.4元，晴天为150天，每天锅炉运行费用为12142.425÷36×2.5=843.2元，电价为0.6元/度，热泵运行费用为104×0.6×6×210=78624元。所以春秋季运行费用为2062.4×60+843.2×150+78624=328848元。
冬天时候晴天60天，阴雨天30天，晴天时每天的运行费用为21187.474÷36×2.5=1471.4元，阴天时每天的运行费用为37440÷36×2.5=2600元。热泵运行费用为104×0.6×6×90=33696元。整个冬季的运行费用为1471.4×60+2600×30+33696=323724元，考虑到寒假的时候学生浴室不对外开放，减去30天的运行费用，所以冬天的运行费用为215816元，那么年运行费用为328848+215816≈54.5万元。
按照现行的学生洗浴收费表准，每升水的价钱为5分钱，那么每位学生的每次洗浴所花费的钱平均在0.05×45=2.25元，减去自来水的价钱，每位学生可以净剩2元，那么每年以270天计，每天平均4000人洗浴。那么每年的收入为4000×2×270=216万元，减去运行费用54.5万元，每年净剩161.5万元。这样的话整个工程的造价216万元可以在1.34年之内收回。在此还没有考虑在夏天的时候太阳能热水系统为食堂提供的热水所带来的隐藏价值。由于燃气价格调整为2.73元/m3，计算方法如上，可得春秋季运行费用为475616元，冬季运行费用为474147元，所以燃气调价后的年运行费用为475616+474147≈95万元。浴室年收入为216万元，每年净利润为291－95=196万元，整个工程造价收回期为1.10年。燃料价格上涨是大趋势，但是从以上数据仍可以看出，此次浴室改造的经济效益还是相当可观的。
5结论
从以上对太阳能系统的设计、余热回收系统的设计、机组的选型和材料的选择及其各种天气情况下的运行策略以及经济性的分析，可以得出如下结论：
1、太阳能系统采用全玻璃太阳能集热管集热，技术较为成熟，且集热效率高、保温效果好，能够解决这个系统蓄热量大，蓄热时间长等问题。
2、与锅炉供热系统比,热泵余热回收系统有很高的一次能源利用率,有利于减少二氧化碳的排放量。太阳能供热系统和热泵余热回收系统的设备投资价格低，如果考虑供热系统的辅助运行费用,那么该系统的运行成本要远远低于燃气锅炉供热系统的运行成本。系统改造后的资金回收期约为1.3年,其经济效益是非常可观的。
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1、酷暑难当，水在这时是非常理想的，但更少不了用冷饮来解暑。只见冷饮摊日渐火爆，人们争先恐后地购买。尽管吃着冷饮，但身上的汗水还是不停地往下滴。出门时，人们大都选择空调车、出租车，可以暂避一会儿，享受一会儿，隔窗望火”。而此时的空调车，也变得人满为患，像挤在一起的罐装沙鱼。唉！夏日炎炎，繁忙的人们真是饱受酷暑煎熬”了！
2、夏天，太阳炙烤着大地，路旁的荒草丛几乎要燃烧起来，空气中弥漫的热浪，让人喘不过气来。没有一丝风，河岸边的柳树垂下了头，路旁的美人蕉几乎都要枯萎了，唯独那可爱的三色花，挺立着自己细细的腰枝，开着鲜艳的花朵，真是早开的红梅——一枝独秀呀！
3、听，夏天有独特的声音，声声啴鸣，阵阵蛙叫，还有小鸟欢快的歌声；看，太阳火辣辣地挂在天上，让你看都不敢看一眼，在太阳底下站一会儿，你就会汗流满面，站长了，你就会像非洲人一样黑。
4、公园里绿树成荫，花草树木因为天气的燥热，像小孩被批评那样耷拉着脑袋，垂头丧气。河面像一面镜子，没有一点波纹。河边的绿树有次序的种着，或许是因为天气太热，它们都无精打采的，柳树下的几条石凳，每隔一段时间就会有人前来光顾，有些人直接找了一块阴凉的地方，睡在了地上。公园里的知了特别多，它们不停地叫着，像在给人们唱催眠曲，让人们入睡，能够做一个好梦。
5、火辣辣的太阳虽然还未直照，但路旁的沙土已现出胆怯的光亮。小草也像经受不住太阳的炙烤，慢慢地垂下了叶子。只有池塘里的鱼儿不怕热，在依岸旁树的水中自由自在地游着。
6、六月的时节，已是初夏，天气炎热中带着些许清凉。江南的天气就是这样，虽热但也凉爽，让人感觉不到那灼灼烈日的炙烤，也无乌云压顶般的闷燥。柳枝摇摆，微风习习，漫步在那河岸边，踩着脚下青石阔道，心灵不觉寂静了下来。
7、夏天的动物是生机勃勃的。小狗热得直喘气；知了热得直叫：知了，知了！”在树上一动不动；勤劳的小蜜蜂嗡嗡”地飞来飞去，就像辛勤的园丁在采花粉；蝴蝶张开翅膀在花丛中飞翔，如同一只只小精灵……
8、可怕的夏天来到了，太阳好像是发烧了一样。以前我总是喜欢白天长，晚上短，可是现在就不一样了。我巴不得太阳快一点下山。太阳就像一个不听话的小孩子，就是和我唱反调。花儿有气无力，好像生了病一样，可是没人给它喝草药。小草也低着头，柳叶也打起了卷。小鱼在河里游着，在钓鱼的我可真想太阳能烧得更厉害一点，这样鱼只要一钓上来，就可以吃了。小狗也躲在房子里不肯出来，它伸长了脖子，喘着粗气，好像在说：好热啊！好热啊！人们也躲在空调房里不出来，生怕自己变成巴西烤肉。
9、夏天的天气是炎热的。太阳尽情的把热洒向大地；风也懒得吹了；如果下起小雨来，小朋友就会在小雨中奔跑，洗一个痛快的凉水澡。
10、马路上时常会响起喇叭声，和汽车发动的声音，虽然天气很热，但依然有许多汽车在马路上来回穿梭，斑马线上也有许多人在行走。汽车开着空调，让外面更加炎热，让人们心情也很烦躁，一片死气沉沉。
12、夏天真热啊！知了在树上不停的叫，好象在说：热死啦！”大地烫得像在蒸我们一样；我们留出的汗滴像大珍珠似的。花草树木都被晒得没有了精神，一个个都低下了头。
13、夏天，在瓜地里，只见万里晴空。飘浮着几朵淡淡的白云。到了中午，人们热得受不住了，一个个汗流浃背，气喘吁吁，只好到树阴下去乘凉。园子里的花草树木，在烈日的蒸晒下，都显得没精打采的，只有知了还在枝头一个劲地叫着，好像在喊：热呀，热呀！”夏日的七月，透蓝的天空，悬浮着火球似的太阳，云彩好像被太阳烧化了，也消失得无影无踪。
14、夏天来得那么的急，没几天人们便深刻的体会到什么叫酷热难耐了。大街上的柏油路在太阳的炙烤下变的软软的仿佛踩在橡皮泥上；街边的梧桐树像一把巨大的遮阳伞，给伞下的市民带来一丝可怜的阴凉时，自己也泛着耀眼的绿光；整个城市如同一个巨大的蒸锅，城市里的人们便在蒸锅里哗啦啦的淌着汗，觉得自己随时就要熟了。
15、今天一大早，我就被一阵热气热醒了，我打开窗户一看：好大的太阳啊，把大地照得明晃晃的。马路上的行人穿着薄薄的衣服，手里还不停的摇着扇子，有些人甚至不敢出门，就在家里吹着空调。邻家的小狗趴在大树下伸着长长的舌头直喘气，知了也在枝头上不停的叫着，好像在说，热死了、热死了。”大树的树叶好像被太阳给烫卷了，小树的脑袋也无精打采的耷拉着。连稻田也被太阳晒得裂开了一道道口子，连我家门前的石板路也被晒得滚烫滚烫的，如果我倒点水在上面，马上就会变成水蒸气不见了。
16、那天，天热得发了狂。太阳刚一出来，地上已经着了火，一些似云非云、似雾非雾的灰气，低低地浮在空中，使人觉得憋气。
17、夏天真热啊，夏天也真热闹。一大早，空气里已经有一丝热的味道了，偶尔夹杂着缕缕凉风。太阳已经出来了，照着每棵树、每株草、每朵花、每个人……
18、吃过午饭后，天气热的呆不住，于是我打算出去，找个好地方乘凉。我打着雨伞出门，我想去附近的公园里，走在路上，虽然打着雨伞，但还是感觉热呼呼的，像是坐在火炉旁边似的。
19、这是一个闷热的中午，火辣辣的太阳毫不留情地烤在大地上，风婆婆已飞到十万八千里。地面上仿佛被蒸笼罩着，让人透不过气来。连树上知了的叫声也变了调儿：热死了，热死了！该装空调了！”花儿仰面笑容的脸低下了头，茂盛的大树像撑开的绿色大伞，好象在说：你们太热了，到我这里来歇息吧！”。小黄狗走到树下，张开大大的嘴，伸出舌头，躺在地上，嘿！它还真会享福呢！还有那翩翩起舞的蜻蜓也加入到这个行列来了。
20、而夏天，当一切都变得成熟而显得有些老成的时候，它带着狂热，顷刻间席卷了整座城市。偶尔刮起的夏风，扫过这个城市的每个角落，也都蕴涵着袭人的热量。匆匆从炽热的太阳底下飞奔过的人，也忘不了抱怨几句这个天好热哟，晒死人了。”关于夏天的记忆，从这里开始。
21、夏天真热，热的让人心慌慌得，热的让我想要马上泡在冰水里，或者现在就喝上几口冰水，我想井水会更好。所以为我们太讨厌热了。听说南方热死过谁。具体是谁，又有哪个大头知道。竟然间，热力也可以热死个谁，很是奇怪。()
22、今天天气非常热，天空没有云，灰蒙蒙一片。今天气温24——33摄氏度，虽然温度不高，可是却非常闷热，没有一丝风，感到非常热。知子热得受不了了，在树上知了、知了地叫着，好像在说，知了知了别再热了。人们都躲在家里，开着空调，不敢出门。只有在晚上，人们才出来散步，一时院子里热闹了许多。这就是闷热的天气。傍晚时分，雷声大作，下起了倾盆大雨。
23、到了中午，天更热了，人们都躲在家里不出来，开着电风扇，吹着空调。狗狗们都躲在树荫下避暑，使出了自己的独家绝招”——用舌头散热，它们像哮喘病人一样，不停地喘着粗气。家里的自来水都冒着热气、热乎乎的，小鸟不知躲到什么地方去了；草木都垂头丧气，像奄奄等毙；只有那知了，在枝头发出破碎的高叫；真像破锣碎鼓在替烈日呐喊助威！
24、天气变得越来越热了，太阳火辣辣地照在大地上，好像在说：我很厉害，万物都不是我的对手。哈哈哈！”白云也许也被太阳晒得躲了起来。只有到了傍晚，风吹在身上才会感觉有了一丝丝的凉爽。小鸟躲进了鸟窝里，狗儿躲在阴凉的地方吐着舌头，大树也被晒得裂开了皮。树上的知了不停地叫着：夏天真热！知了！知了！”。
25、闷热无风，柳条无精打采的垂着，纹丝不动，水泥路上被晒的泛出点点银光，仿佛一切都要融化了，这只是某些地方。
26、夏天，是炎热的。走出家门，只见邻居家的小狗懒洋洋地躺在地上，伸出舌头，仿佛在说：今天实在太热了。”走在路上，太阳挂在天上，像一个大火球，照得你睁不开眼睛。走一段路，你会发现自己挥汗如雨，你的嘴巴不冒烟才怪，那时你保证想赶紧吃根棒冰。
太阳能热水器。如果不考虑任何其他因素，仅从使用能源成本的角度来考量，最为节能的热水器当属太阳能热水器。因太阳能热水器是把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度来满足人们生活热水的使用，在太阳直射下，能源使用成本非常低廉，几乎可以忽略不计。而且太阳能的能量庞大，据科学家计算太阳至少有600万年的期限，这对于我们人类来讲可以说是永久性可以利用的免费能源。绝大多数消费者起初选择太阳能热水器，也都是冲着其“节能环保”这一金字招牌去的。但太阳能产品受天气影响明显，阴雨天、下雪天等加热的效果会大大折扣。
空气能热水器。空气能热水器是以少量的电能为驱动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空气或自然环境中难以利用的低品位热能，转化为高品位热能，实现低温热能向高温热能的转移，再将高品位热能释放到水中制取热水。理论上消耗1个电能可得到3.6～4.2倍的热量。也就是说用空气能热水器消耗1度电所产生的热量，相当于电消耗3.6～4.2度所产生的热量。但与太阳能热水器相比，空气能热水器在工作时还是需要使用少量的电能来趋动压缩机，其能源使用的成本会略高于太阳能，位居节能的第二位。但与太阳能热水器一样，空气能热水器的使用效果也受天气温度、湿度等影响，气候寒冷会影响其能效。
混合型能源热水器。正是由于太阳能、空气能热水器所用能源均来自于自然界，使用会受限于气候环境。在利用太阳、空气能的同时，通过补充其他能源辅助系统，当气候条件不足以支撑制热能量时，会启动电或燃气作为制热能源，达到更好地满足消费者日常热水的使用需求。如空气能与电混合型热水器，太阳能电辅助加热型热水器等。这种类型的热水器依然主要以使用自然能源为主，电或燃气只是起到帮助提升效果的作用，因此使用成本高于单一的太阳能或空气能热水器，但还是会低于燃气或电热水器，位居第三。
燃气热水器。燃气热水器以燃气作为燃料，通过燃烧加热方式将热量传递到流经热交换器的冷水中，从而使冷水变成热水。水的温度上升等于吸收的相应热量，因此电和燃气热水器的能耗与各自的热值高低有很大的关系。如北京地区天燃气的热值为8400千卡／吖，北京市天燃气价格为2.05元／m3。
每升水升温一度需要1000卡的热量，即1千卡(大卡)，根据物理公式：
Q(热量)=c(比热)×M(质量)×[T(出水温度)-T(进水温度)]
在正常的情况下，水的质量等同重量，以北京某三口之家为例，家中热水使用量较多，每天卫生间及厨房用热水总量为200L。当自来水的温度是10℃，需要用45℃的热水时，将10℃的水烧热至45℃需要升温35℃，需要消耗的热量为：
消耗热量=200升×1千卡／升℃×(45℃～10℃)=7000千卡。
如果用燃气热水器，以二级能效的快速燃气热水器为例，天然气的热值为8400千卡／吖，热效率为88％以上，使用燃气热水器加热200升水需要的燃气量为：
7000千卡÷(8400千卡／m3×0.88)≈0.95m3。
北京市内管道天然气的价格为每立方米2.05／m3，使用燃气热水器的费用为：0.95m3×2.05／m3≈1.95元。即使用天燃气热水器每天的费用约为2元左右。
虽然燃气热水器在使用时LCD、LED显示、按键输入、燃气点火控制、温度控制等也会耗费少量的电能。但综合计算，但这些都是微功耗部分，所耗电量都微不足道。因此，燃气热水器的使用耗能也要低于电热水器，位居第四位。
电热水器。1℃电的热值是860千卡，如果是以二级能效的电热水器，电的热值是860千卡／千瓦时，电热水器的热效率以90％计算，电价为0.488元／℃，使用电热水器加热200L水的费用为：
7000千卡÷(860千卡／度×0.9)×0.488元／度≈4.59元。
4.59元÷1.95元≈2.59元，从理论上计算，电的热水器的使用成本比燃气热水器要多。
1、天气是那样炎热，仿佛一点星火就会引起爆炸似的。烈日似火，大地像蒸笼一样，热得使人喘不过气来。走在路上，迎面的风似热浪扑来。大清早，蝉就高声大叫，告诉人们又一个火热的日子开始了。夏日炎炎，小鸟不知躲藏到什么地方去了；草木都低垂着头；小狗热得吐出舌头不停地喘气。知了不住地在枝头发着令人烦躁地叫声，像是在替烈日呐喊助威。
2、走在路上，迎面的风似热浪扑来。
3、今天，骄阳似火，知了叫得震天响。
4、天气热得受不了，在仙人掌的阴影下也有华氏125度。
5、夏天的天气热得像个蒸笼。
6、小鸟不知躲匿到什么地方去了；草木都垂头丧气，像是奄奄等毙；只有那知了，不住地在枝头发出破碎的高叫；真是破锣碎鼓在替烈日呐喊助威！
7、夏天那种让人无法躲避的酷热，真使人头痛，不论你走在烈日炎炎下的大路，或是已进入树木、房屋的阴影；不论是在早晨还是在傍晚，那暑日的热总是伴随着你，缠绕着你，真让人心烦。知了不知疲惫的叫着，给人带来一种夏日的烦躁，没有一丝风，大地活像一个蒸笼。
8、夏日炎炎，小鸟不知躲藏到什么地方去了；草木都低垂着头；小狗热得吐出舌头不停地喘气。
9、盛夏，天热得连蜻蜓都只敢贴着树荫处飞，好象怕阳光伤了他们的翅膀。盛夏的阳光真像蘸了辣椒水，坦荡荡的街上没有一块阴凉地。
10、街上的柳树像病了似的，叶子挂着尘土在枝上打着卷，枝条一动也不动。马路上发着白光，小摊贩不敢吆喝，商店门口的有机玻璃招牌，也似乎给晒化了。
11、夏天的太阳像个大火炉，把大地烤得发烫，就连空气也是热烘烘的，()人一动就浑身冒汗。
12、烈日似火，大地像蒸笼一样，热得使人喘不过气来。
13、天气是那样炎热，仿佛一点星火就会引起爆炸似的。
14、天气闷热得要命，一丝风也没有，稠乎乎的空气好像凝住了。
15、空中没有一丝云，头顶上一轮烈日，没有一点风，一切树木都无精打采地、懒洋洋地站在那里。
16、那天，天热得发了狂。太阳刚一出来，地上已经着了火，一些似云非云、似雾非雾的灰气，低低地浮在空中，使人觉得憋气。
17、太阳让人坐立不安在树下乘凉也感到急躁。
18、大清早，蝉就高声大叫，告诉人们又一个火热的日子开始了。
19、太阳火辣辣的烤着大地，不远处传来知了的声音。
20、地上的土块被晒得滚烫滚烫的，几只黑褐色的大肚蟋蟀，安着弹簧似的蹦来蹦去。
21、七月的天气，太阳正毒，晒得人汗珠往下直滚。
22、七月，透蓝的天空，悬着火球般的太阳，云彩好似被太阳烧化了，也消失得无影无踪。
文章基于PLC开发设计太阳能－空气能的双热源温室加热控制系统，系统以室外光照强度、温室内空气温度、太阳能真空集热管顶端出水口处水的温度、空气热泵出水管处水温、保温水箱内水的温度五个指标作为监测指标，根据天气条件情况自动选择不同热源进行温室加热，控制温室自动加热，该系统运行可靠、充分利用了太阳能和空气能，节能、环保，有效提高了温室加热效率。
关键词：
太阳能；空气热能；PLC；温室加热；控制系统
前言
设施农业由于环境相对可控，具有高效、优质、高产等特点，在农业发展中占据着越来越重要的地位。而现有的设施农业供暖多采用柴油、煤炭或天然气等单一的能源燃烧放热供暖，此方法易污染、不易于实现自动化控制；采用电加热功耗大、设备成本高。太阳能和空气能作为清洁、无污染的可再生能源,在日常生活中已广泛应用，在设施农业供暖中鲜有应用，文章将太阳能与空气能相结合，通过太阳能真空集热管、空气热泵双热源进行热量收集，以水作为蓄热介质，依据温室加热策略，基于PLC设计开发太阳能－空气能温室加热控制系统，此系统可根据天气情况、太阳能真空集热管出水口温度、保温水箱内水温、温室内空气温度自动选择加热方式，从而达到充分利用清洁能源，有效节约能源、降低能耗的目的。
1系统的总体设计
太阳能－空气能双热源温室加热系统的工作原理系统图如图1所示，系统通过太阳能加热回路及空气能加热回路进行蓄热介质水的加热，加热后的水储存在阳能加热回路和空气能加热回路共用的保温水箱中，之后由温室加热回路进行温室内加热。
2硬件设计
太阳能空气能温室加热系统的控制系统硬件组成主要包括：PLC可编程控制器、设置在保温水箱内的温度传感、太阳能加热循环泵、设置在真空集热管顶端的温度传感器、温室加热循环泵、设置在温室内的温度传感、热风管、设置在温室外部的光照传感器，PLC可编程控制器与上述各工作元件通过导线连接。分析系统所需I/O点数、可编程控制器的可存储量、响应速度，及特殊功能扩展等要求，本系统选用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作为核心控制器。作为系统核心控制器。FX1N系列是三菱PLC中功能很强大的PLC，可扩展致128点，结构紧凑，功能模块配制灵活，可靠性高，在温室环境控制中应用非常广泛。具体的I/O点分布如表1所示。
3软件设计
为实现不同天气情况下均能保证温室加热系统可靠性工作，其温室加热控制策略为：蓄热过程为白天晴天状态下，当光照传感器监测的光照强度大于20000lux,且太阳能真空集热管上端温室传感器监测水的温室高于45°时，PLC控制器开启太阳能循环泵，对蓄热介质水进行循环加热，保存到保温水箱中，否则关闭；白天阴天或夜晚状态下，当保温水箱温度低于PLC控制器设置温度时，PLC控制器控制空气能热泵进行蓄热介质水加热。温室加热过程为当温室内空气温度低于PLC控制器设置的温度时，PLC控制器控制温室加热循环泵工作，进行温室加热。针对上述控制策略由采用三菱GX-DEVELOPER编程软件的梯形图语言进行编写，流程图如图2所示。
4结束语
文章主要基于PLC开发设计了太阳能－空气能双热源温室加热控制系统，并参考温室加热策略、天气情况、太阳能集热管水温等多个参数设计开发PLC控制程序。该系统最大限度将太阳能和空气能结合利用，节约能源、避免了污染并且实现温室加热自动化控制，可为温室加热系统的设计提供一种参考。
参考文献：
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[4]孙维拓，杨其长，方慧，等.主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用[J].农业工程学报，2013（19）.
（一）图示
（二）大气对太阳辐射的削弱作用
1.大气对太阳辐射削弱作用的主要方式有：吸收、反射和散射。
2.大气对太阳辐射的吸收作用的特点是：大气对太阳辐射的吸收作用具有选择性。表现是：①平流层中的臭氧和高层大气中的氧原子主要吸收太阳辐射中波长较短的紫外线；②水汽和二氧化碳主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。此外，太阳辐射中能量最强的可见光被大气吸收掉的很少，绝大部分可透过大气射到地面。
3.大气对太阳辐射的反射作用是大气对太阳辐射削弱作用的最主要方式。被反射作用削弱的太阳辐射最多。其特点是：大气对太阳辐射的反射作用无选择性。云量的多少（云层的厚度）是影响大气反射作用的最主要因素。云量越多，云层越厚，反射作用越强，到达地面的太阳辐射越少。大气对太阳辐射的反射作用形成的自然现象有：多云的白天温度低；晴朗的白天温度高。
4.大气对太阳辐射的散射作用具有选择性。其表现是：可见光中波长较短的蓝紫光最容易被散射。形成的自然现象有：晴朗的天空呈蔚蓝色；阴天天空呈灰白色；日出前的黎明、日落后的黄昏，天空仍然是明亮的；无阳光直接照射的教室、树底下仍然是明亮的。
5.影响大气对太阳辐射削弱作用的因素中最主要的因素是太阳高度角的大小。太阳高度角越大，太阳辐射穿过大气的路程越短，大气对太阳辐射的削弱作用越弱，到达地面的太阳辐射越多，即太阳辐射强度越大。其他因素还有：①地势的高低：地势越高，空气越稀薄（即大气透明度越好），大气对太阳辐射的削弱作用越弱，到达地面的太阳辐射越多（即太阳辐射强度越大）；②云量的多少：云量越少，大气对太阳辐射的反射作用越弱，到达地面的太阳辐射越多（即太阳辐射强度越大）。
6.大气对太阳辐射削弱作用的意义：减少了到达地球表面的太阳辐射，使白天的温度不会太高，从而保证了地球上生命有机体的存在和发展。
（三）大气对地面的保温作用（大气保温作用的基本原理）
1.大气对地面的保温作用表现在两个方面：一方面大气强烈吸收地面辐射（绝大部分地面辐射被对流层大气中的水汽和二氧化碳吸收）；另一方面大气通过逆辐射把能量还给地面，起到保温作用。
2.影响大气逆辐射的主要因素：云量的多少。云量越多，大气逆辐射越强；云量越少，大气逆辐射越弱。
3.形成的自然现象：多云的夜晚温度高；晴朗的夜晚温度低；十雾九晴；晚秋或寒冬，霜冻多出现在晴朗的夜晚。人造烟雾的防冻原理：人造烟雾能大量吸收地面红外线长波辐射，可增强大气逆辐射，提高地面温度。
（四）大气的受热过程
太阳辐射把能量传给地面，地面以地面辐射的形式把能量传给大气，大气再以大气逆辐射的形式把能量还给地面，对地面起到保温作用。简单地说，就是太阳暖大地，大地暖大气，大气还大地。
二、大气热力环流的形成过程
（一）大气运动的根本原因
太阳辐射对各纬度加热的不均匀，造成高低纬度间的温度差异。
（二）大气运动最简单的形式――热力环流
1.热力环流的成因：地面冷热不均，即太阳辐射对各地加热的不均匀。
2.热力环流的形成过程：太阳辐射地区间冷热不均大气垂直运动同一水平面上气压的差异大气的水平运动。
3.热力环流的示意图：
气压首先因海拔高度而异：海拔越高，气压越低。上图中A、B、C、D四点气压由高到低依次是ABCD。在同一水平面上，气压高的地方等压面向高空凸起；气压低的地方等压面向低空下凹。即“高高低低”。高空和近地面气压中心的性质正好相反，即近地面是高压，高空就是低压，近地面是低压，高空就是高压。
4.三种常见的热力环流形式：画热力环流，首先找冷热差异，热的地方气流上升，近地面形成低压，冷的地方气流下沉，近地面形成高压。
市区温度比郊区高的主要原因：城市人口集中、工业发达，居民生活、工业生产和交通工具每天要消耗大量的矿物燃料，释放出大量人为的废热。
城市风的应用：为了减轻城市的大气污染，在城市规划时，一方面将污染严重的工业企业布局在城市风的下沉距离之外，避免这些工厂排出的污染物从近地面流向市区；另一方面，应将卫星城建在城市风环流之外，以避免相互污染。
近地面的风向：白天风由海洋吹向陆地（即白天吹海风）；晚上风由陆地吹向海洋（即晚上吹陆风）。
近地面的风向：白天风由山谷吹向山顶（即白天吹谷风）；晚上风由山顶吹向山谷（即晚上吹山风）。
【例1】下图示意某沿海地区海陆风形成的热力环流剖面图，右图示意左图地区近地面与600米高空垂直气压差的分布状况，读图回答（1）~（3）题。
（1）有关气压分布状况的叙述，正确的是（）
A.①地气压低于②地
B.近地面同一等压面的分布高度①地比②地低
C.③地气压高于④地
D.高空同一等压面的分布高度④地比③地高
（2）下列说法正确的是（）
A.a的风向为东南风
B.b为上升气流
C.c的风向为西南风
D.d为上升气流
（3）若该图表示白天，下列叙述正确的是（）
A.甲是陆地，乙是海洋
B.甲乙都是陆地
C.甲是海洋，乙是陆地
D.甲乙都是海洋
【解析】（1）对照热力环流图，热的地方近地面是低压，高空为高压，近地面的气压值仍比高空大，因而近地面和高空的垂直气压差较小。相反，冷的地方近地面与高空的气压差相差较大。故甲地为冷高压，乙为热低压。近地面的气压中心性质与高空的正好相反，C项正确。
（2）乙地的空气受膨胀上升，故选D。
（3）白天，陆地升温快，气流受热膨胀上升，海洋相反，故选C。
【参考答案】（1）C（2）D（3）C
三、大气环流
1.在以下三个假设条件下，地球上形成单圈环流。①地球不自转，②太阳始终直射在赤道上，③地表性质均匀。
2.在以下两个假设条件下，地球上形成三圈环流。①太阳始终直射在赤道上，②地表性质均匀。
3.考虑到太阳直射点的移动，全球的气压带和风带会随着直射点的移动而移动，具体如下图所示（只剩下一个假设，即地表性质均匀）。
由于太阳直射点随季节变化而南北移动，导致气压带和风带在一年内也作周期性的季节移动。就北半球来说，大致是夏季北移，冬季南移。气压带、风带在一年内有规律地南北移动，常使同一地区在不同季节出现完全不同的天气和气候状况。
4.否定最后一个假设，考虑到地表性质的差异，即海陆分布对大气环流的影响，则如下图所示。
冬季，陆地上降温快，气温比同纬度的海洋地区低，空气变冷下沉，形成高气压，切断了副极地低气压带，使副极地低压带只保留在海洋上，风从大陆吹向大洋。夏季大陆升温快，气温比同纬度的海洋地区高，形成低气压，切断了副热带高气压带，使副热带高压带只保留在海洋上，风从海洋吹向大陆。
5.多角度地观察三圈环流图
（1）沿某经线
（2）极地俯视图
判定风带画法正确的技巧：西风带气流旋转的方向与地球自转的方向一致，信风带和东风带气流旋转的方向与地球自转的方向相反。同时要注意风都是由高压向低压方向吹。
6.气压带、风带与降水的关系
另外还要注意，在风带控制下的地区降雨多少并不统一，还要看风的源地，如果是从暖湿的海洋上吹来的，则一般多雨，如果是从干旱的陆地上吹来的，则一般少雨。在副热带少雨带的大陆东岸，由于夏季风和台风的影响，降雨较多。
四、几种特殊情况的气候成因
1.四小块热带雨林气候的成因
这四小块是指马达加斯加岛东部、澳大利亚的东北部、巴西的东南部、中美洲的部分地区。这些地方并非位于赤道附近，但是形成了热带雨林气候，成因是：受暖流影响，位于信风的迎风坡。如马达加斯加岛东部受马达加斯加暖流影响，位于东南信风的迎风坡。
2.非洲赤道地区热带草原气候的成因
地势高，气温低，空气对流不旺盛，缺乏形成热带雨林气候的条件，故形成热带草原气候。
3.日本海洋性季风气候
日本是海洋性季风气候，气温的年较差比同纬度的中国大陆地区小，降水的季节变化也比同纬度中国东部地区小。日本东京、日本本州岛北部某地与北京等三地气温、降水柱状图比较如图所示。
4.南美洲的热带沙漠气候逼近赤道，是受秘鲁寒流影响的结果。
5.南美温带大陆性气候的成因：地处西风带，位于安第斯山脉的背风坡。
【例2】读“某城市气温和降水的统计资料图”，回答（1）、（2）题。
（1）该城市所处的气候区最可能是（）
A.温带海洋性气候
B.温带大陆性气候
C.温带季风气候
D.亚热带季风气候
（2）图中②代表的城市功能区最有可能是（）
A.商业区B.住宅区
C.文化区D.工业区
【解析】图示地区最冷月气温在0℃以上，故不可能是温带大陆性气候和温带季风气候。图示地区年降水量小于800mm，因而不可能是亚热带季风气候。温带海洋性气候最热月气温在20℃以下，而图示地区是城市，由于热岛效应，城市气温在20℃以上。
【参考答案】（1）A（2）D
五、锋面气旋系统
近地面气旋一般与锋面联系在一起，形成锋面气旋。它主要活动于温带地区。右图是北半球锋面气旋图示。
1.位置：锋面出现在低压槽中，锋线往往与低压槽线重合（如图中PN和PM处）。
2.类型：无论是南半球还是北半球，暖锋总是分布于气旋的东部；冷锋总是分布于气旋的西部。
3.移动：北半球，锋面随气流呈逆时针方向移动；南半球，锋面随气流呈顺时针方向移动。
4.天气特点：气旋的前方为PN暖锋控制，故在锋前C处等地出现宽阔的暖锋云系及相伴随的连续性降水天气；气旋的后方为PM冷锋控制，故在锋后A处等地出现比较狭窄的冷锋云系和降水天气。
【创新训练】
若A、B、C三地降水量相同，但气温不同，分别如下图A、B、C三条曲线所示，读图完成1、2题。
1.有关A、B、C三地气候的叙述，正确的是（）
A.A气候类型的地区降水季节变化一定很大
B.B地降水比同纬度其他地区多
C.C地为亚热带季风气候
D.A、B、C三地气候的成因都是海陆热力性质差异
2.下列叙述正确的是（）
A.只要是A气候类型地区，就应大力发展水稻种植业
B.B地农作物主要有：水稻、油菜、棉花、甜菜等
C.C地发展农业生产必须要解决灌溉问题