空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統熱性能研究

  0  引 言

 

  目前, 我國建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空調等)約占全社會(huì )總能耗的30 %[ 1] 。隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高, 這一比例還將進(jìn)一步上升, 給電力供應帶來(lái)較大的壓力。為降低建筑能耗, 太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用得到了越來(lái)越廣泛的重視。太陽(yáng)能熱水器具有節能及環(huán)保等優(yōu)勢, 在太陽(yáng)能資源較豐富的地區得到了一定的應用。但常規太陽(yáng)能熱水器易受氣候的影響, 不能全天候運行。

 

  熱泵作為一種高效節能裝置, 其應用日益普及。

 

  將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能熱水系統有機地結合起來(lái), 可彌補后者的不足, 實(shí)現高效、全天候運行。本文結合昆明市某空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統工程實(shí)例, 測試分析了實(shí)際工況下系統的熱性能。

 

  1 空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統結構及運行模式

 

    1.1  系統結構

 

  空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統主要由太陽(yáng)能熱水子系統、空氣源熱泵機組、熱水箱及水閥構成, 系統組成如圖1 所示。該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統用于昆明市某單位職工住宅樓集中供生活熱水, 為便于運行調節, 采用4 臺相同的空氣源熱泵機組進(jìn)行輔助加熱?；诶ッ鞯貐^的氣候條件, 對太陽(yáng)能集熱器、熱水箱、空氣源熱泵機組進(jìn)行優(yōu)化匹配.

 

  1.2  系統運行模式

 

  循環(huán)水泵根據集熱器進(jìn)出口循環(huán)水的溫差由1個(gè)溫差控制器進(jìn)行控制, 其運行與空氣源熱泵機組無(wú)關(guān)。太陽(yáng)能熱水子系統產(chǎn)生的熱水蓄存于熱水箱1 中。3 個(gè)水閥(V1 、V2 與V3)由1 個(gè)可編程邏輯控制器PLC 控制。當熱水箱1 中上部的水溫高于50℃時(shí),V2 開(kāi)啟,V1 、V3 關(guān)閉, 太陽(yáng)能熱水子系統直接向用戶(hù)供生活熱水, 空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統以常規的太陽(yáng)能熱水器模式運行。當熱水箱1 中上部的水溫低于45 ℃時(shí),V2 關(guān)閉,V1 、V3 開(kāi)啟,太陽(yáng)能熱水子系統產(chǎn)生的低溫熱水進(jìn)入熱水箱2 ,由空氣源熱泵機組進(jìn)一步加熱。空氣源熱泵機組同樣由可編程邏輯控制器PLC 控制, 空氣源熱泵機組的運行臺數根據熱水箱2 中上部的水溫進(jìn)行確定。

 

  在實(shí)際運行過(guò)程中, 熱水箱2 中上部的水溫控制在48 ～ 55 ℃。

 

  2  空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統熱性能分析2.1  系統性能指標對于太陽(yáng)能熱水系統, 其日平均熱效率ηday 由下式計算:

 

  ηday = 熱水箱1 的得熱量集熱器采光面上的太陽(yáng)輻射能= ρw cw Vw1(t -t 0)∫Ac I(t)dt(1)式中, ρw 為水的密度, kg m3 ;cw 為水的定壓比熱, kJ(kg·℃);Vw1 為熱水箱1 的容量,m3 ;t 、t 0 分別為1天中熱水箱1 中平均初溫與終溫, ℃, 采用熱電偶溫度傳感器測量;Ac 為集熱器的采光面積, m2 ;I(t)為集熱器的采光面上的瞬時(shí)總太陽(yáng)輻射, 采用總太陽(yáng)輻射表測量。

 

  2.2  測試結果與分析

 

  該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統于

 

  2005 年10 月投入使用。在昆明地區各種典型氣候條件下, 筆者對其進(jìn)行了一系列性能測試。在測試日中, 太陽(yáng)能熱水子系統熱效率的測試時(shí)段為9 :00～ 17 :00 ;如需空氣源熱泵機組進(jìn)行輔助加熱, 空氣源熱泵機組的運行與測試時(shí)段控制在17 :00 ～21 :00 。供應生活熱水的時(shí)間控制在當天17 :00 以后。在非測試日中, 系統由控制箱自動(dòng)控制, 全天供水。典型的測試結果如表2 所示。分析可知, 全年當中, 太陽(yáng)能熱水子系統的日平均熱效率在38 %～50 %, 當日總太陽(yáng)輻射高于20.8MJ (m2 ·d)時(shí), 無(wú)需開(kāi)啟空氣源熱泵機組, 太陽(yáng)能熱水子系統即可滿(mǎn)足用戶(hù)生活熱水需求。在昆明地區的最冷月(1 月),空氣源熱泵機組的供熱系數COP 仍可達2.5 ～ 3.3 。

 

  此外, 對于該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統,太陽(yáng)能保證率約為81 %。

 

  3  空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統經(jīng)

 

  濟性分析

 

  昆明地區全年晴天較多, 年均日照時(shí)間為2 250 h左右, 日照率為56 %, 年均總輻射量高達5 200MJ m2 , 太陽(yáng)能輻射資源十分豐富?；诶ッ鞯貐^的氣候條件及空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統的熱性能測試結果, 以電加熱熱水系統為參照,對空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統采用成本效益法進(jìn)行經(jīng)濟性分析。系統的節能收益包括太陽(yáng)能熱水子系統的熱收益和空氣源熱泵機組的節能收益, 前者按系統的太陽(yáng)能保證率計算, 后者按其平均供熱系數計算。經(jīng)濟性分析計算結果如表3 所示。

 

  分析可知, 系統的投資回收期約為6.7 a 。質(zhì)量合格的太陽(yáng)能熱水系統及空氣源熱泵機組的使用壽命均可達10 a 以上?？梢?jiàn), 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水器, 不僅具有較大的節能潛力, 在經(jīng)濟上也是可行的。

 

  4  結 論

 

  本文介紹了一種空氣源熱泵輔助加熱的太陽(yáng)能

 

  熱水系統, 并在昆明地區氣候條件下對該系統的熱力性能進(jìn)行了測試分析。測試結果表明:

 

  1)通過(guò)合理的部件匹配, 昆明地區氣候條件下

 

  空氣源熱泵輔助加熱的太陽(yáng)能熱水系統的太陽(yáng)能保證率可達81 %。在全年最冷月(1 月), 空氣源熱泵機組的供熱系數COP 仍可達2.5 ～ 3.3 。

 

  2)在昆明地區使用空氣源熱泵輔助加熱的太陽(yáng)能熱水系統, 不僅具有較大的節能潛力, 其經(jīng)濟性方面也是可行的。