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    “太陽能熱泵”工作原理及深度技術分析

    欄目:行業動態 · 發布日期:2011年12月22日 · 作者:中成泵業

            熱泵技術是一種新型的節能制冷供熱技術,長期以來主要應用于建筑物的采暖空調領域。因熱泵制熱在節能降耗及環保方面的良好表現,衛生熱水供應系統也越來越多的采用熱泵設備作為熱源。其中以室外空氣為熱源的空氣源熱泵,結構簡單,不需要專用機房,安裝使用方便,在衛生熱水供應方面具有不可替代的優勢,除了比較大型的空氣源熱泵熱水系統外,現在已有多個品牌的小型的家用空氣源熱泵熱水器也投放市場。但空氣源熱泵的一個主要缺點是供熱能力和供熱性能系數隨著室外氣溫的降低而降低,所以它的使用受到環境溫度的限制,一般適用于最低溫度-10℃以上的地區。
            將熱泵技術與太陽能結合供應生活熱水,外進行了許多這方面的研究,主要有兩種方式,一種是直接以空氣源熱泵作為太陽能系統的輔助加熱設備,另一種是利用太陽能熱水為低溫熱源或將太陽能集熱器作為熱泵的蒸發器的太陽能熱泵系統。前者以太陽能直接加熱為主以空氣源熱泵為輔,解決太陽能供熱的連續性問題,但仍舊無法擺脫環境溫度對熱泵制熱性能的影響;后者不會以太陽能作為熱泵熱源,大大提高了太陽能的利用效率,但太陽能資源不足時仍需要增加其它輔助熱源,并且熱泵供熱能力受太陽能集熱量的限制,規模一般比較小。
            在大型的太陽能中央熱水系統中,空氣源熱泵無疑是一種比較理想的輔助加熱設備,為了改善空氣源熱泵在低溫環境下制熱運行的性能,擴大它的使用區域,結合外太陽能熱泵研究中的優質經驗,我們研制了一種適合于低溫環境中工作的太陽能—熱泵中央熱水系統。該系統采用一種新型的采用低溫太陽能輔助的空氣源熱泵機組和太陽能集熱系統結合,太陽能和熱泵互為輔助熱源,最大限度的利用太陽能,解決陰雨天氣及冬季環境溫度較低太陽能資源不足時熱水供應保證率,做到全年、全天候供應熱水。
             1、太陽能—熱泵中央熱水系統組成
            太陽能—熱泵中央熱水系統的主要組成部分為太陽能集熱器和太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組,其他輔助設備與常規的中央熱水系統相同,包括太陽能循環泵、熱水加熱環泵、換熱器、熱水箱及控制器等。
            為使空氣源熱泵在低溫環境中高效、穩定、可靠的運行,外眾多科研單位和生產企業進行了研發和改進,歸納起來主要有三種方式。一是依靠外界輔助熱源來提高熱泵低溫制熱性能,比如通過電加熱提高熱泵制熱出水溫度、采用燃燒器輔助加熱室外換熱器、在壓縮機周圍敷設相變蓄熱材料以增加低溫條件下制熱運行出力等等;二是通過改善制冷劑循環系統來提高熱泵的低溫制熱性能,比如采用雙級壓縮的空氣源熱泵,設中間補氣回路的空氣源熱泵等;三是采用變頻系統,低溫工況下讓壓縮機高速工作增加工質循環量,同時向壓縮機工作腔噴液以防止其過熱,從而使熱泵機組能夠正常運行。
            太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組是基于上述第一種方式而產生的,如圖2所示。在機組的蒸發器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環境下制熱運行時,高于環境溫度的太陽能熱水流經該輔助換熱器,與將進入蒸發器的室外空氣進行熱量交換提高其溫度,從而使制冷劑在相對較高的環境里蒸發吸熱,提高了蒸發溫度,改善了壓縮機的工作狀況。
             2、太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組示意圖
            與普通的空氣源熱泵相比較,太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組在低溫工況下運行具有如下幾個明顯的特點:
            (1)COP顯著提高
            在同樣的環境溫度下,太陽能輔助加熱使制冷劑系統的蒸發溫度得以提高,機組的制熱性能系數較普通空氣源熱泵機組有了明顯的提高,熱泵制熱性能系數隨蒸發溫度變化情況如圖2所示。
            (2)防止蒸發器結霜,減少除霜時間
            由于輔助熱源的加熱作用,提高了進入蒸發器的空氣溫度,使其結霜的可能性降低,這樣就可以防止蒸發器表面結霜,使其保持較高的換熱效率,同時,機組的化霜次數和時間也大大減少,可以節省大量的電能,并保證熱泵機組連續不間斷的運行。
           (3)改善空調壓縮機工作環境,延長機組使用壽命
            在環境溫度較低時,空調壓縮機的壓縮比急劇升高,壓縮機的排氣溫度常常會超過壓縮機允許的工作范圍,從而導致壓縮機頻繁的啟停,無法正常工作,長此以往,將會損傷壓縮機的整體性能,減少空調設備的使用壽命。通過太陽能作為輔助熱源提高系統蒸發溫度,間接的改善了壓縮機的工作環境,不但解決了壓縮機在外界低溫環境下不能正常工作的問題,并且可以使整個熱泵機組的使用壽命有效延長。
            輔助換熱器位于熱泵蒸發器的外側,作為熱泵機組的一個部件與熱泵機組同步設計生產,采用和蒸發器同樣外型尺寸和材質的翅片管換熱器。輔助換熱器的換熱面積、空氣通過溫升及其與熱泵蒸發器的間距應根據太陽能集熱器可以提供的輔助熱量、太陽能水溫、環境溫度及熱泵機組蒸發溫度、排風量等參數進行設計計算。
            目前在太陽能熱水工程中通常采用的太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管集熱器、U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器五種[8]。對于全年使用的比較大型的太陽能中央熱水系統,要求太陽能集熱器應具有一定的承壓能力,比較高集熱效率,比較小的管道阻力,抗凍能力強,易于維護。在這幾種太陽能集熱器中,全玻璃真空管集熱器雖然熱集熱效率高,市場占有率大,但因其不能承壓運行,容易凍裂,不適宜用在大面積的太陽能熱水系統中,絕大部分都被用作家用太陽能熱水器的集熱部件。其它四種均為金屬吸熱體的太陽能集熱器,可以承壓運行,適用于在大型的太陽能熱水工程中應用。
            平板集熱器是應用比較早的一種太陽能集熱裝置,一直以來也是世界太陽能市場的主導產品,廣泛應用于各種低溫熱水加熱領域,但隨著真空管太陽能集熱器的出現,受其自身結構的局限,在集熱效率上已不具備優勢,因防凍問題以及集熱性能受季節和環境影響較大,目前主要在南方冬季氣溫較高的地區應用,在北方寒冷地區冬季運行效果欠佳,不推薦在大型熱水工程中應用。
            U型管式真空管集熱器、熱管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器基礎上發展起來產品,三者的共同特點都具有比較高的集熱效率,以金屬作為吸熱體,可以承壓運行,但從集熱效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安裝維護難度等方面進行綜合評價,熱管式真空管集熱器是最適宜在中央熱水供應系統中采用的太陽能集熱器類型,U型管式真空管集熱器和直流式真空管集熱器次之。熱管式真空管集熱器利用熱管傳熱,干性連接,管內不走水,具有熱容小、傳熱快、耐冰凍、耐熱沖擊、承壓強、保溫好、無滲漏、易維護等優點,U型管式真空管集熱器和直流式集熱器利用真空管內同心套管直接對工質加熱,除了具有運行溫度高、承壓能力強和耐熱沖擊性能好等特點外,其集熱效率高于其它形式的集熱器,并且可以水平安裝,簡化安裝支架,減少安裝場地面積,避免集熱器影響建筑外觀,在太陽能和建筑結合方面具有較強的適應性,但其安裝程序比熱管式真空管集熱器復雜,接口較多,運行中有漏水隱患,系統維護成本相對較高。
            太陽能與太陽能輔助加熱空氣源熱泵結合作為中央熱水系統的熱源,其目的在于取長補短,使二者互為補充,互為備用,在日照充足時優先使用太陽能加熱熱水,利用太陽能集熱器產生的低溫熱水作為太陽能輔助加熱空氣源熱泵的輔助熱源,從而改善熱泵的運行工況,提高其制熱性能。這種組合形式,使二者均在相對比較穩定高效的條件下工作,保證系統全年全天候的衛生熱水供應。空氣源熱泵制熱過程本質上是對空氣中蘊藏的太陽熱能的提升利用,根據熱泵的工作特性,在整個熱水系統的運行過程中,熱泵機組作為輔助熱源運行所供應的熱量中,只有一小部分來自電能,所以太陽能—熱泵中央熱水系統大大提高了太陽能利用率,減少了對一次能源的消耗。
            太陽能—熱泵中央熱水系統的運行主要有以下四種工況:
            (1)太陽能加熱生活熱水
            在大部分日照良好的晴天,系統按此工況工作,此時太陽能循環泵的工作由系統控制器根據太陽能集熱器和熱水箱的溫度進行控制,源源不斷的利用集熱器采集的熱量通過中間換熱器輸送到熱水箱。
            (2)太陽能輔助熱泵機組加熱生活熱水
            當陰天或多云天氣,當太陽能集熱溫度低于熱水箱水溫不足以直接加熱生活熱水時,熱泵機組啟動,利用空氣作為熱源加熱熱水箱內生活熱水。在秋冬季節,當環境溫度低于熱泵的經濟運行溫度時,熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發器表面結霜,此時,熱泵輔助加熱循環啟動,高于環境溫度的低溫太陽能熱水進入熱泵機組輔助換熱器內,預熱通過的空氣,使熱泵效率提高,并切具有防止蒸發器結霜的作用,可以節約熱泵機組的耗電量。
            (3)太陽能和熱泵機組同時加熱生活熱水
            在晴天日照良好時,如果熱水系統的耗熱量大于太陽能集熱系統的有效供熱量或太陽能集熱器的數量較少,不能滿足熱水系統的用熱需求,則太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統供熱。
            (4)熱泵機組直接加熱生活熱水
            在連續的雨雪天氣,熱水系統所需熱量不會由空氣源熱泵機組提供。此時,太陽能系統處于待機狀態,熱泵機組單獨工作對熱水箱加熱。
            3、太陽能—熱泵中央熱水系統設計
            太陽能—熱泵中央熱水系統中,太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組在晴好天氣作為太陽能集熱系統的輔助熱源設備,在太陽能資源不足時或陰雨天氣作為系統的主要熱源保證熱水的正常供應,所以其制熱功率應按照整個熱水系統的設計熱負荷進行確定。對于全日制中央熱水系統,熱泵機組功率按照熱水系統設計小時熱負荷確定,對于非全日制中央熱水系統,熱泵機組的功率應根據最大用水量、熱水箱容積、加熱時間等參數進行確定,具體參見文獻[9]。熱泵機組的額定制熱功率不小于中央熱水系統的設計負荷,在冬季比較寒冷的地區,可適當加大機組的型號,使其盡量在一天中氣溫比較高的時段內運行,在較短的時間內滿足系統的用熱需求。
            太陽能—熱泵中央熱水系統中,太陽能集熱器的面積應以熱水系統的設計熱負荷或根據實際情況確定的太陽能供熱量作為基本依據,并分析計算項目所在地單位面積的太陽能集熱器平均每日有效得熱量,從而確定太陽能集熱器的安裝面積。
            熱水工程中,太陽能集熱器一般是固定角度安裝,其單位面積日有效得熱量隨季節的變化和每日內太陽輻照強度的變化,并不是一個固定值。其影響因素主要有集熱器的安裝角度、系統運行工況、所在地氣象參數和太陽輻照量等。不同的集熱器類型具有不同的集熱效率,其有效得熱量也不同,所以在實際應用中一般根據集熱器生產廠家提供的集熱器集熱效率等性能參數和太陽輻照資料進行分析計算,取全年平均值。
            對于太陽能—熱泵中央熱水系統,太陽能集熱系統既作為熱水加熱的主要熱源又作為熱泵機組的輔助熱源,并且應能承受較低的環境溫度,所以應采用閉式系統,系統循環工質采用防凍液溶液。
            4、太陽能—熱泵中央熱水系統的實用意義
            作為太陽能—熱泵中央熱水系統的主要組成部分,太陽能和空氣源熱泵都是技術成熟的節能環保產品。太陽能在生活熱水系統中的規模化利用已有20余年的歷史,空氣源熱泵的大量應用也有數十年的歷史[10],太陽能熱泵中央熱水系統將太陽能與空氣源熱泵技術有機結合,在不影響二者原有運行功能的條件下,使其運行效率顯著提高,從而能夠保證系統穩定可靠運行,節約熱水系統常規能源消耗。
            根據我國北方大部分地區的太陽輻照資料,按照衛生熱水系統平均耗熱量和太陽能集熱器日平均得熱量確定太陽能熱水系統的集熱器面積,太陽能—熱泵中央熱水系統中,太陽能直接加熱可滿足熱水系統全年60—80%的熱量需求,其余20—40%熱量由太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組供應,熱泵平均COP可達3.0,即其所供應熱量有65%以上來自集熱器不能直接利用的太陽能和空氣熱能。在整個系統運行中,集熱器吸收的太陽能的利用率接近100%,輔助加熱的電力消耗只占系統總能耗的7—14%,較常規能源的熱水系統可至少節能85%以上。
            通過上述分析可見,太陽能—熱泵中央熱水系統是一種性能可靠,環保節能的熱水系統形式,該系統只使用太陽能及少量的電能,對環境沒有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽輻照良好的我國大部分地區都可推廣應用。統和熱水供應,冬天采暖運行時節約常規能源60%以上,在我國大部分冬冷夏熱地區,本系統也可與建筑物采暖空調系統結合,發揮最大的節能作用。
            5、項目應用
            2004年,太陽能—熱泵中央熱水系統作為中國科學院奧運科技項目課題“奧運村及奧運場館太陽能熱泵中央熱水系統示范研究”項目的主要研究內容,在北京月壇體育中心綜合訓練館一示范工程,主要功能為集中生活熱水供應,富裕熱量為泳池輔助加熱。該工程屋頂水平安裝采800m2直流式真空管太陽能集熱器,太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組輸出功率300kW。2004年12月調試完畢進入試運行階段,根據初步測試資料,系統在冬季晴天太陽能集熱系統可滿足系統90%左右的設計供熱量,陰雨天氣熱泵機組平穩運行,利用10℃左右的低溫太陽能熱水熱泵輔助熱源,制熱性能有明顯提高。根據北京地區的氣象條件和太陽輻照資料,該系統年綜合節能率可實現預期的90%以上的目標。


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