空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究

  0  引 言

 

  目前, 我国建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30 %[ 1] 。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高, 这一比例还将进一步上升, 给电力供应带来较大的压力。为降低建筑能耗, 太阳能的开发利用得到了越来越广泛的重视。太阳能热水器具有节能及环保等优势, 在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用。但常规太阳能热水器易受气候的影响, 不能全天候运行。

 

  热泵作为一种高效节能装置, 其应用日益普及。

 

  将热泵技术与太阳能热水系统有机地结合起来, 可弥补后者的不足, 实现高效、全天候运行。本文结合昆明市某空气源热泵辅助加热太阳能热水系统工程实例, 测试分析了实际工况下系统的热性能。

 

  1 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统结构及运行模式

 

    1.1  系统结构

 

  空气源热泵辅助加热太阳能热水系统主要由太阳能热水子系统、空气源热泵机组、热水箱及水阀构成, 系统组成如图1 所示。该空气源热泵辅助加热太阳能热水系统用于昆明市某单位职工住宅楼集中供生活热水, 为便于运行调节, 采用4 台相同的空气源热泵机组进行辅助加热。基于昆明地区的气候条件, 对太阳能集热器、热水箱、空气源热泵机组进行优化匹配.

 

  1.2  系统运行模式

 

  循环水泵根据集热器进出口循环水的温差由1个温差控制器进行控制, 其运行与空气源热泵机组无关。太阳能热水子系统产生的热水蓄存于热水箱1 中。3 个水阀(V1 、V2 与V3)由1 个可编程逻辑控制器PLC 控制。当热水箱1 中上部的水温高于50℃时,V2 开启,V1 、V3 关闭, 太阳能热水子系统直接向用户供生活热水, 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统以常规的太阳能热水器模式运行。当热水箱1 中上部的水温低于45 ℃时,V2 关闭,V1 、V3 开启,太阳能热水子系统产生的低温热水进入热水箱2 ,由空气源热泵机组进一步加热。空气源热泵机组同样由可编程逻辑控制器PLC 控制, 空气源热泵机组的运行台数根据热水箱2 中上部的水温进行确定。

 

  在实际运行过程中, 热水箱2 中上部的水温控制在48 ～ 55 ℃。

 

  2  空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能分析2.1  系统性能指标对于太阳能热水系统, 其日平均热效率ηday 由下式计算:

 

  ηday = 热水箱1 的得热量集热器采光面上的太阳辐射能= ρw cw Vw1(t -t 0)∫Ac I(t)dt(1)式中, ρw 为水的密度, kg m3 ;cw 为水的定压比热, kJ(kg·℃);Vw1 为热水箱1 的容量,m3 ;t 、t 0 分别为1天中热水箱1 中平均初温与终温, ℃, 采用热电偶温度传感器测量;Ac 为集热器的采光面积, m2 ;I(t)为集热器的采光面上的瞬时总太阳辐射, 采用总太阳辐射表测量。

 

  2.2  测试结果与分析

 

  该空气源热泵辅助加热太阳能热水系统于

 

  2005 年10 月投入使用。在昆明地区各种典型气候条件下, 笔者对其进行了一系列性能测试。在测试日中, 太阳能热水子系统热效率的测试时段为9 :00～ 17 :00 ;如需空气源热泵机组进行辅助加热, 空气源热泵机组的运行与测试时段控制在17 :00 ～21 :00 。供应生活热水的时间控制在当天17 :00 以后。在非测试日中, 系统由控制箱自动控制, 全天供水。典型的测试结果如表2 所示。分析可知, 全年当中, 太阳能热水子系统的日平均热效率在38 %～50 %, 当日总太阳辐射高于20.8MJ (m2 ·d)时, 无需开启空气源热泵机组, 太阳能热水子系统即可满足用户生活热水需求。在昆明地区的最冷月(1 月),空气源热泵机组的供热系数COP 仍可达2.5 ～ 3.3 。

 

  此外, 对于该空气源热泵辅助加热太阳能热水系统,太阳能保证率约为81 %。

 

  3  空气源热泵辅助加热太阳能热水系统经

 

  济性分析

 

  昆明地区全年晴天较多, 年均日照时间为2 250 h左右, 日照率为56 %, 年均总辐射量高达5 200MJ m2 , 太阳能辐射资源十分丰富。基于昆明地区的气候条件及空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的热性能测试结果, 以电加热热水系统为参照,对空气源热泵辅助加热太阳能热水系统采用成本效益法进行经济性分析。系统的节能收益包括太阳能热水子系统的热收益和空气源热泵机组的节能收益, 前者按系统的太阳能保证率计算, 后者按其平均供热系数计算。经济性分析计算结果如表3 所示。

 

  分析可知, 系统的投资回收期约为6.7 a 。质量合格的太阳能热水系统及空气源热泵机组的使用寿命均可达10 a 以上。可见, 空气源热泵辅助太阳能热水器, 不仅具有较大的节能潜力, 在经济上也是可行的。

 

  4  结 论

 

  本文介绍了一种空气源热泵辅助加热的太阳能

 

  热水系统, 并在昆明地区气候条件下对该系统的热力性能进行了测试分析。测试结果表明:

 

  1)通过合理的部件匹配, 昆明地区气候条件下

 

  空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统的太阳能保证率可达81 %。在全年最冷月(1 月), 空气源热泵机组的供热系数COP 仍可达2.5 ～ 3.3 。

 

  2)在昆明地区使用空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统, 不仅具有较大的节能潜力, 其经济性方面也是可行的。