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摘要提出太阳能集热面积的选取原则,以广州地区为例,对热泵与太阳能复合热水系统做模拟分析,通过建立的水源热泵与太阳能复合系统匹配计算流程图,对系统进行匹配计算,使整个系统的COP在一个平稳比较高的数值,平均COP达到6左右。
关键词热泵;太阳能;COP
中图分类号TK5文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0100-02
能源问题和环境污染问题是当今世界面临的两大主要问题。众所周知,我国的能源结构不尽合理,煤炭仍是我国消费的主要能源,占总消费能源的70%以上。然而,地球上蕴藏的化石能源资源十分有限,尤其是煤炭、石油和天然气。
太阳能是一种取之不尽的清洁能源,如何更有效的利用太阳能,已经成为当今各国竞相开发研究的热点。太阳辐射存在极大的间歇性和不稳定性,因而寻求合适的全天候辅助热源是一个非常重要的工作。热泵的特点在于消耗一定量的电能将热量从低温热源传递到高温热源,提高低温热源的利用率。太阳能热利用技术与热泵技术相互结合,发展前景非常广阔。
1热泵形式的选择
1.1空气源热泵与太阳能复合热水系统
图1为采用空气源热泵作为太阳能热水系统辅助热源情况,与太阳能热水系统并联连接。空气源热泵在我国有着相当广泛的应用,其安装、设计、运行管理都有许多成熟的方法。但是空气源热泵往往存在着热泵供热量与建筑物需热量之间的供需矛盾。随着室外气温的降低,热泵的制热量也相应的降低,而此时人们却需要更多的热量。空气源热泵在冬季运行时会结霜,所以必须采取一定的除霜措施以保证空气源热泵的性能稀疏与可靠性。如果室外温度过低,空气源热泵的运行工况恶化比较严重,其节能效果就无从体现。
图1空气源热泵辅助太阳能系统
1.2水源热泵与太阳能复合热水系统
采用太阳能与水源热泵串连的方式,太阳能的低温热水作为水源热泵蒸发器热源,提高热泵蒸发温度,改善系统性能系数。当太阳能充足时,蓄热水箱中热量完全满足供热水需要,不需启动热泵辅助供暖;当太陽能不足时,蓄热水箱中热量不能满足供热水需求时,启动热泵,采用太阳能热泵方式供暖。热泵辅助太阳能热水系统原理图如图2。
图2水源热泵辅助太阳能系统
当蓄热水箱存水温度小于55℃设定值时,启动水源热泵加热。当蓄热水箱内水温达到55℃或水位高于设定值时,停止加热。保证用户24小时使用50℃-55℃的生活热水。
2水源热泵系统与太阳能复合热水系统计算
2.1集热器面积的确定
图3集热面积计算流程图
虽然系统中集热器的面积越大,系统的运行费用会越低,但这样会使初投资增加很多,并且很多建筑物并不具备足够大的安装空间。所以从经济性和适用性角度出发,在光照充足的大部分时间内,太阳能集热器接收来的能量能够满足用户热水需求,即太阳能加热水温55℃以上,热泵机组在此期间不需要启动。
面积计算流程图如图3所示。计算条件:平板集热器结构吗,双层玻璃盖板,铝板(201W/m2.K),吸热板厚度mp=0.00038m,镀锌铁管(63W/m2.K),管径D=0.0125m,管中心间距W=0.15m。水箱、集热器有保温。计算得:集热器总热损失系数UL=4.2W/m2.K,热转移因子Fr=0.85。广州某宾馆,共6层,每层20间房,每间房平均住1-2人,用水定额150L/人,24h供应热水,用户需要水温55℃,已知广州年气象参数,最终集热面积取2000m2。
2.2系统计算流程图(图4)
图4热泵与太阳能复合系统计算流程图
2.3计算结果分析
由图5蓄热水箱水量与太阳能辐射量的变化曲线可以得出,水箱水量与太阳辐射能成反比例变化,当太阳能辐射量升高时,太阳能集热器集热量升高,水箱水获得较多热量,所需蓄热水箱水量降低,使太阳能热泵获得较高COP;当太阳能辐射量降低时,所需水箱水量升高,使得集热器出口水温降低,集热效率升高弥补太阳能辐射量的降低,使蓄热水箱与集热器散热损失减小,水箱水获得较多热量,使太阳能热泵获得较高COP。图6为太阳能热泵系统性能系数,通过太阳能与热泵系统的合理匹配,使太阳能热泵系统具有较高的COP,平均在6.0左右。
由图7可看出,采用水源热泵与太阳能复合系统的耗电量低于太阳能+电辅助系统,耗电量平均降低56%。
图5蓄热水箱水量与太阳能辐射量的变化曲线
图6太阳能热泵系统性能系
图7太阳能+电系统与太阳能+水源系统耗电量比较
3结论
1)采用太阳能系统制备生活热水,利用的是太阳光能,运行中不需要额外支付能源费,只有系统的泵耗。由于泵耗费用极其少,可忽略不计,因此运行费用几乎为0,只需一次初投资,且无二次污染。同时考虑热源保障因素,从可靠性、环保性及经济性能考虑宜选择热泵作为太阳能热水系统的辅助热源。
2)提出太阳能集热面积的选取原则:在光照充足的大部分时间内,太阳能集热器接收来的能量能够满足用户热水需求,即太阳能加热水温55℃以上,热泵机组在此期间不需要启动。
3)建立水源热泵与太阳能系统匹配流程图,根据实例,模拟计算得出水源热泵与太阳能复合热水系统COP较高,平均达到6.0以上,与电辅助太阳能加热系统比较,系统耗电量低,具有明显优势。
参考文献
[1]龙惟定,王长庆,丁文婷.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向[J].暖通空调.2000,340(5).27-32.
[2]罗运俊,陶桢.太阳热水器及系统.化学工业出版社.
[3]中国气象局信息中心气象资料室,清华大学建筑学院建筑技术科学系著,中国建筑环境分析专用气象数据集.中国建筑工业出版社,2005(4).
作者简介
李棱雪(1983—),女,汉族,工程热物理专业硕士学位,工作于广东技术师范学院天河学院。
关键词热泵;太阳能;COP
中图分类号TK5文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0100-02
能源问题和环境污染问题是当今世界面临的两大主要问题。众所周知,我国的能源结构不尽合理,煤炭仍是我国消费的主要能源,占总消费能源的70%以上。然而,地球上蕴藏的化石能源资源十分有限,尤其是煤炭、石油和天然气。
太阳能是一种取之不尽的清洁能源,如何更有效的利用太阳能,已经成为当今各国竞相开发研究的热点。太阳辐射存在极大的间歇性和不稳定性,因而寻求合适的全天候辅助热源是一个非常重要的工作。热泵的特点在于消耗一定量的电能将热量从低温热源传递到高温热源,提高低温热源的利用率。太阳能热利用技术与热泵技术相互结合,发展前景非常广阔。
1热泵形式的选择
1.1空气源热泵与太阳能复合热水系统
图1为采用空气源热泵作为太阳能热水系统辅助热源情况,与太阳能热水系统并联连接。空气源热泵在我国有着相当广泛的应用,其安装、设计、运行管理都有许多成熟的方法。但是空气源热泵往往存在着热泵供热量与建筑物需热量之间的供需矛盾。随着室外气温的降低,热泵的制热量也相应的降低,而此时人们却需要更多的热量。空气源热泵在冬季运行时会结霜,所以必须采取一定的除霜措施以保证空气源热泵的性能稀疏与可靠性。如果室外温度过低,空气源热泵的运行工况恶化比较严重,其节能效果就无从体现。
图1空气源热泵辅助太阳能系统
1.2水源热泵与太阳能复合热水系统
采用太阳能与水源热泵串连的方式,太阳能的低温热水作为水源热泵蒸发器热源,提高热泵蒸发温度,改善系统性能系数。当太阳能充足时,蓄热水箱中热量完全满足供热水需要,不需启动热泵辅助供暖;当太陽能不足时,蓄热水箱中热量不能满足供热水需求时,启动热泵,采用太阳能热泵方式供暖。热泵辅助太阳能热水系统原理图如图2。
图2水源热泵辅助太阳能系统
当蓄热水箱存水温度小于55℃设定值时,启动水源热泵加热。当蓄热水箱内水温达到55℃或水位高于设定值时,停止加热。保证用户24小时使用50℃-55℃的生活热水。
2水源热泵系统与太阳能复合热水系统计算
2.1集热器面积的确定
图3集热面积计算流程图
虽然系统中集热器的面积越大,系统的运行费用会越低,但这样会使初投资增加很多,并且很多建筑物并不具备足够大的安装空间。所以从经济性和适用性角度出发,在光照充足的大部分时间内,太阳能集热器接收来的能量能够满足用户热水需求,即太阳能加热水温55℃以上,热泵机组在此期间不需要启动。
面积计算流程图如图3所示。计算条件:平板集热器结构吗,双层玻璃盖板,铝板(201W/m2.K),吸热板厚度mp=0.00038m,镀锌铁管(63W/m2.K),管径D=0.0125m,管中心间距W=0.15m。水箱、集热器有保温。计算得:集热器总热损失系数UL=4.2W/m2.K,热转移因子Fr=0.85。广州某宾馆,共6层,每层20间房,每间房平均住1-2人,用水定额150L/人,24h供应热水,用户需要水温55℃,已知广州年气象参数,最终集热面积取2000m2。
2.2系统计算流程图(图4)
图4热泵与太阳能复合系统计算流程图
2.3计算结果分析
由图5蓄热水箱水量与太阳能辐射量的变化曲线可以得出,水箱水量与太阳辐射能成反比例变化,当太阳能辐射量升高时,太阳能集热器集热量升高,水箱水获得较多热量,所需蓄热水箱水量降低,使太阳能热泵获得较高COP;当太阳能辐射量降低时,所需水箱水量升高,使得集热器出口水温降低,集热效率升高弥补太阳能辐射量的降低,使蓄热水箱与集热器散热损失减小,水箱水获得较多热量,使太阳能热泵获得较高COP。图6为太阳能热泵系统性能系数,通过太阳能与热泵系统的合理匹配,使太阳能热泵系统具有较高的COP,平均在6.0左右。
由图7可看出,采用水源热泵与太阳能复合系统的耗电量低于太阳能+电辅助系统,耗电量平均降低56%。
图5蓄热水箱水量与太阳能辐射量的变化曲线
图6太阳能热泵系统性能系
图7太阳能+电系统与太阳能+水源系统耗电量比较
3结论
1)采用太阳能系统制备生活热水,利用的是太阳光能,运行中不需要额外支付能源费,只有系统的泵耗。由于泵耗费用极其少,可忽略不计,因此运行费用几乎为0,只需一次初投资,且无二次污染。同时考虑热源保障因素,从可靠性、环保性及经济性能考虑宜选择热泵作为太阳能热水系统的辅助热源。
2)提出太阳能集热面积的选取原则:在光照充足的大部分时间内,太阳能集热器接收来的能量能够满足用户热水需求,即太阳能加热水温55℃以上,热泵机组在此期间不需要启动。
3)建立水源热泵与太阳能系统匹配流程图,根据实例,模拟计算得出水源热泵与太阳能复合热水系统COP较高,平均达到6.0以上,与电辅助太阳能加热系统比较,系统耗电量低,具有明显优势。
参考文献
[1]龙惟定,王长庆,丁文婷.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向[J].暖通空调.2000,340(5).27-32.
[2]罗运俊,陶桢.太阳热水器及系统.化学工业出版社.
[3]中国气象局信息中心气象资料室,清华大学建筑学院建筑技术科学系著,中国建筑环境分析专用气象数据集.中国建筑工业出版社,2005(4).
作者简介
李棱雪(1983—),女,汉族,工程热物理专业硕士学位,工作于广东技术师范学院天河学院。