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太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統的探討

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:705时间:2019-11-28

摘要:本文先容了太陽能輔助熱泵的幾種首要形式,分析了各自的特點。在雙熱源式太陽能輔助熱泵的基礎上提出了一種太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統,它適用於麵積在100m2以上室第或別墅的戶式中心空調係統中,同時又能一年四季提供生活熱水。分析了這類係統的特點和實際利用前需要解決的題目。 關鍵詞:太陽能輔助熱泵 戶式中心空調 太陽能-空氣雙熱源式熱泵 太陽能 0 引言

隨著麵積超過100m2的室第和別墅的出現,和人們對空調房間內空氣品質的要求愈來愈高,研究開發一種經濟效益和環保效益均優的戶式中心空調係統(有的稱家用中心空調)已迫在眉睫。同時,研究開發和利用新能源,已成為世界各國能源研究與開發的共同計謀目標。20世紀70年代能源危機以來,太陽能作為可利用的新能源,慢慢成為國內外研究的重點。比來研究表明:到2050年 ,核能將占第一名,太陽能占第二位;21世紀末,太陽能將取代核能占第一名。太陽能以其取之不盡、安全、無需運輸、清潔無汙染等特點受到人們的重視。由於太陽能受季節和天氣影響較大、熱流密度低 ,導致各種形式的太陽能直接熱利用係統在利用上都受到一定的限製。隨著生活水平的進步,熱用戶對於供熱的要求也愈來愈高,太陽能利用的一些局限性日益顯現出來 :(1)在太陽輻照時間少的國家和和地區,其利用受到很大限製;(2)白天集熱板板麵溫度的上升會導致集熱效率下降;(3)在夜間或陰雨天沒有足夠的太陽輻射時 ,無法實現24h的連續供熱,如采用輔助加熱方式 ,勢必又要消耗大量的其它能源;(4)加熱周期較長;(5)傳統的太陽集熱器與建築不易結合,在一定程度上影響了建築的美觀;(6)常規的太陽熱水器需要在房頂設水箱,在夜間氣溫較低時,儲水箱和集熱器向外界散熱造成大量的熱量損失。為了克服太陽能利用中的上述題目 ,人們又提出了采用太陽能加熱係統作為蒸汽壓縮式熱泵係統的熱源。蒸汽壓縮式熱泵在實際利用中最大的題目是當冬天的大氣溫度很低時 ,熱泵係統的效率比較低。而太陽能熱利用係統中的集熱器在低溫時集熱效率較高,而熱泵係統在其蒸發溫度較高時係統效率較高,那麽可以考慮采用太陽能加熱係統來作為熱泵係統的熱源。如許既克服了太陽能加熱係統的題目又解決了熱泵係統冬季效率低的題目。太陽能熱泵係統由於利用太陽能具有節能環保的感化而得到快速的發展[1-2] 。

1 太陽能熱泵係統的型式

太陽能熱利用技術與熱泵技術的結合非常靈活 ,係統形式也多種多樣,一般可分為太陽能驅動熱泵和太陽能輔助熱泵兩大類。太陽能驅動熱泵首要是指太陽能光電或熱電驅動的壓縮式熱泵和以太陽能輻射熱直接驅動的吸收式、吸附式、噴射式和化學熱泵等 。這類熱泵大多以實現太陽能製冷空調為首要目的,一般對太陽能集熱溫度要求較高,而且普遍存在體積大、本錢高 、效率低等題目 ,較難實現小型化和貿易化發展。太陽能輔助熱泵通常是指作為太陽能熱利用係統輔助裝配的熱泵係統 ,包括獨立輔助熱泵和以太陽輻射熱能作為蒸發器熱源的熱泵。這類熱泵多數以供熱為主,涉及建築采熱 、生活熱水供給和產業用熱等利用領域,對太陽能集熱溫度要求不高,而且具有靈活多樣的係統形式、公道的經濟技術性能和良好的貿易實用化遠景。根據集熱介質的不同,太陽能輔助熱泵一般可分為直膨式和非直膨式兩大類。直膨式係統係統中,製冷劑作為太陽能集熱介質直接在太陽能集熱/蒸發器中吸熱蒸發 ,然後通過熱泵循環將冷凝熱開釋給被加熱物體 ,如圖1(a)所示。這類係統極具小型化和商品化發展潛力,但是由於太陽能輻射條件受地理緯度、季節轉換、晝夜更替及各種複雜氣象身分的影響而隨時處於變化中,而工況的不穩定必將導致係統性能的波動。非直膨式係統中,太陽能集熱介質通常采用水、空氣或防凍溶液等流體,使它們在太陽能集熱器中吸收熱量,然後將此熱量直接傳遞給加熱對象或作為蒸發器熱源經熱泵循環升溫後再加熱物體。根據太陽能集熱循環與熱泵循環的不同連接形式,非直膨式太陽能輔助熱泵又可分為串聯式、並聯式和雙熱源式三種基本形式,分別如圖1(b)、(c)、(d)所示。串聯式是指太陽能集熱循環與熱泵循環通過蒸發器加以串聯,蒸發器熱源全部來自集熱循環所吸收的熱量;並聯式是指太陽能集熱循環與熱泵循環彼此獨立,後者僅作為前者不能滿足供熱需求時的輔助熱源;雙熱源式與串聯式基本相同,隻是熱泵循環中包括了兩個蒸發器,可同時利用包括太陽能在內的兩種低溫熱源或二者互為補充。雙熱源式太陽能輔助熱泵由於采用包括太陽能在內的兩種低溫熱源或二者互為補充,使係統具有更好的穩定性。另外,可以在係統中增加蓄熱裝配,減小熱泵機組額定容量、降低係統運行費,進步太陽能依存率(定義為來自太陽的有效得熱占所需熱負荷的比例),並且夏季還可進行與太陽能無關的蓄冷運行以滿足房間空調的需求。

同時,由於太陽輻射具有不連續性、波動性大等缺點,而太陽輻射強度的變化必將導致熱泵係統性能的波動。是以,如何既能充分利用太陽能又能保證係統的穩定性和可靠性,是太陽能熱泵係統走向實際利用必須解決的首要題目。同時,貿易分體空調與家用電熱水器的廣泛利用,使家庭電能的消耗大幅度增加。是以,可以考慮將太陽能熱泵與熱水供給聯合運行,用於替換分體空調與電熱水器。由此,可以利用太陽能 ,滿足用戶空調與生活熱水的要求,降低用戶的耗電用度。

(a)直膨式;(b)串聯式;(c)並聯式;(d)雙熱源式圖1 太陽能輔助熱泵的類型示意圖

2 太陽能-空氣雙熱源式熱泵係統的設計和分析

太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統是在上述雙熱源式太陽能輔助熱泵基礎上進行改進的和完善的。它適用於麵積100m2以上的室第或別墅,能夠實現夏季供冷、冬季采熱和全年供生活熱水的功能。該係統解決了常用太陽能熱泵係統因太陽能輻射強度變化而使係統運行性能波動大的困難,它同時具備環保節能和運行穩定的特性,作為戶式中心空調係統的一種新方案具有明顯的上風,極具利用和推廣價值。目前,關於太陽能輔助熱泵的研究已有不少報道[3-5],但是關於這類太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統的相關利用研究在國內外還未見報道。

1-蒸發器(冷凝器);2-冷凍水循環水泵;3-用戶風機盤管;4-集熱器循環水泵;5-太陽能集熱器;6-溫度傳感器;7-冷水進口;8-熱水出口;9-熱水蓄水箱;10-熱水循環水泵;11-電加熱器;12-換熱器;13節流元件;14-空調優先轉換閥;15-四通換向閥;16-控製器;17-壓縮機;18-冷凝器(蒸發器)圖2 太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統圖

太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統見圖2。該係統首要由兩個子係統構成:太陽能集熱循環係統 、熱泵機組空調係統熱泵機組首要包括蒸發器、冷凝器、四通換向閥、壓縮機、膨脹元件、空調水循環水泵和末端風機盤管,蒸發器和冷凝器靠四通換向閥在製冷劑環路實現冬夏季互換。太陽能集熱循環係統首要包括太陽能集熱器、集熱器循環水泵、熱水蓄水箱等構成。為了加強係統運行的穩定性,增加了電加熱器和換熱器。全部係統依托溫度傳感器、空調優先轉換閥和控製器等實現運行控製。熱泵係統有兩個蒸發器,一個以空氣為熱源,另外一個以被太陽能加熱的工質為熱源。太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統整體實現夏季製冷、冬季供熱、常年提供生活熱水。熱泵裝配優先用於空調。根據太陽能輻射條件和空調負荷變化首要有以下幾種工作模式:1)在冬季采熱季節,當太陽輻射強度足夠大時,不需要開啟熱泵,直接利用太陽能即可滿足要求;當太陽輻射強度很小,乃至水箱中的水溫很低時,開啟熱泵,使其以空氣為熱源進行工作;當太陽輻射強度介於兩者之間時,使熱泵以水箱中被太陽能加熱了的熱水為熱源進行工作;當太陽能和熱泵都不能滿足熱水供給要求時,啟動熱水蓄水箱中的電加熱器來輔助加熱;2)在夏季供冷季節,開啟空調優先轉換閥,熱泵用於製冷以滿足房間舒適性要求,利用太陽能熱水器提供生活熱水;3)在春、秋過渡季節沒有空調負荷時,空調係統可以以全新風方式運行為室內換氣,改善室內空氣品質。生活熱水由太陽能集熱係統提供,不足時啟動熱泵係統進行補充。係統運行控製總的原則是:優先利用太陽能滿足供熱、供生活熱水需求,不足時啟動熱泵循環。當太陽能與熱泵循環都不能滿足用熱需求時,啟動電加熱器輔助加熱。如許既充分利用了太陽能來達到節能 、經濟、環保的目的,又能保證係統運行的穩定性,充分滿足用戶的空調 、供生活熱水的需求。

3 係統利用需要解決的題目和手段

係統在實際利用之前,還需解決以下首要題目:

1)研究係統的內部特性參數和外部特性參數是如何影響係統運行特性的;

2) 在太陽能輻射強度、空調負荷、生活熱水需求變化的情況下,如何對係統作工況切換既能充分利用太陽能又能保證係統運行的穩定性。

可通過理論結合試驗的方法予以解決:

1)在設計和建立係統的基礎上,通過實測係統在一年內的運行性能,結合建立的係統仿真模型,對係統的內部特性參數(包括太陽能集熱結構、蒸發器和冷凝器、壓縮機容量 、蓄熱水箱容積 、製冷劑性質等)和外部特性參數(太陽輻射強度、環境溫度、室外風速、水溫等)對係統運行特性的影響進行分析。

2)建立太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水係統的動態仿真模型1頁

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