太阳能热泵中心热水体系作业原理及规划

2018-10-28 21:51 作者:产业新闻 来源:w66利来国际老牌

  太阳能热泵中心热水体系作业原理及规划

  作者:周小波

  摘要:太阳能中心热水体系一般选用各种动力的锅炉作为辅佐热源,本文提出了一种太阳能—热泵中心热水体系方法,介绍了其作业原理和各组成部分的规划要求以及工程运用实例。太阳能—热泵中心热水体系以太阳能辅佐加热的空气源热泵机组作为太阳能体系的辅佐热源,在北方冰冷区域冬季运转牢靠安稳,全年归纳节能率85%以上,是一种有用的环保节能技能,具有必定的推广运用价值。

  关键词:太阳能 热泵 辅佐加热 热水体系

  导言

  现在,越来越多的住所、宾馆、游泳池、公共澡堂等场所选用太阳能作为其间心热水体系的首要热源。这些场所一般要求卫生热水在必定的时刻段内或全天24小时接连供给,为满意太阳能缺乏时的用热需求,使太阳能集热体系的出资愈加经济,一般选用电加热器或电锅炉、燃煤或燃油(气)锅炉、市政热力等作为太阳能中心热水体系的辅佐热源。

  热泵技能是一种新式的节能制冷供热技能,长期以来首要运用于修建物的采暖空调范畴。因热泵制热在节能降耗及环保方面的杰出体现,卫生热水供给体系也越来越多的选用热泵设备作为热源[2]。其间以室外空气为热源的空气源热泵,结构简略,不需求专用机房,设备运用方便,在卫生热水供给方面具有不行代替的优势,除了比较大型的空气源热泵热水体系外,现在已有多个品牌的小型的家用空气源热泵热水器也投放商场。但空气源热泵的一个首要缺陷是供热才能和供热功用系数跟着室外气温的下降而下降,所以它的运用遭到环境温度的约束,一般适用于最低温度-10℃以上的区域[3]。

  将热泵技能与太阳能结合供给日子热水,国内外进行了许多这方面的研讨,首要有两种方法,一种是直接以空气源热泵作为太阳能体系的辅佐加热设备,另一种是运用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵的蒸腾器的太阳能热泵体系。前者以太阳能直接加热为主以空气源热泵为辅,处理太阳能供热的接连性问题,但依旧无法脱节环境温度对热泵制热功用的影响;后者彻底以太阳能作为热泵热源,大大进步了太阳能的运用功率,但太阳能资源缺乏时仍需求添加其它辅佐热源,而且热泵供热才能受太阳能集热量的约束,规划一般比较小。

  在大型的太阳能中心热水体系中,空气源热泵无疑是一种比较抱负的辅佐加热设备,为了改进空气源热泵在低温环境下制热运转的功用,扩展它的运用区域,结合国内外太阳能热泵研讨中的先进经验,咱们研制了一种适合于低温环境中作业的太阳能—热泵中心热水体系。该体系选用一种新式的选用低温太阳能辅佐的空气源热泵机组和太阳能集热体系结合,太阳能和热泵互为辅佐热源,最大极限的运用太阳能,处理阴雨气候及冬季环境温度较低太阳能资源缺乏时热水供给确保率,做到全年、全天候供给热水。

  1 太阳能—热泵中心热水体系组成

  1.1 太阳能—热泵中心热水体系根本组成

  太阳能—热泵中心热水体系的首要组成部分为太阳能集热器和太阳能辅佐加热空气源热泵机组,其他辅佐设备与惯例的中心热水体系相同,包含太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及操控器等。

  1.2 太阳能辅佐加热空气源热泵机组

  1.2.1 太阳能辅佐加热空气源热泵机组作业原理

  为使空气源热泵在低温环境中高效、安稳、牢靠的运转,国内外很多科研单位和出产企业进行了研制和改进,归纳起来首要有三种方法。一是依托外界辅佐热源来进步热泵低温制热功用,比方经过电加热进步热泵制热出水温度、选用燃烧器辅佐加热室外换热器、在紧缩机周围敷设相变蓄热材料以添加低温条件下制热运转出力等等;二是经过改进制冷剂循环体系来进步热泵的低温制热功用,比方选用双级紧缩的空气源热泵,设中心补气回路的空气源热泵等;三是选用变频体系,低温工况下让紧缩机高速作业添加工质循环量,一起向紧缩机作业腔喷液以避免其过热,然后使热泵机组可以正常运转。

  太阳能辅佐加热空气源热泵机组是依据上述第一种方法而发生的。在机组的蒸腾器上添加了一辅佐换热器。热泵在低温环境下制热运转时,高于环境温度的太阳能热水流经该辅佐换热器,与将进入蒸腾器的室外空气进行热量交流进步其温度,然后使制冷剂在相对较高的环境里蒸腾吸热,进步了蒸腾温度,改进了紧缩机的作业状况。

  
1.2.2 太阳能辅佐加热空气源热泵机组功用特色

  与一般的空气源热泵相比较,太阳能辅佐加热空气源热泵机组在低温工况下运转具有如下几个显着的特色:

  (1)COP显着进步

  在相同的环境温度下,太阳能辅佐加热使制冷剂体系的蒸腾温度得以进步,机组的制热功用系数较一般空气源热泵机组有了显着的进步,热泵制热功用系数随蒸腾温度改变状况。

  (2)避免蒸腾器结霜,削减除霜时刻

  因为辅佐热源的加热效果,进步了进入蒸腾器的空气温度,使其结霜的可能性下降,这样就可以避免蒸腾器外表结霜,使其坚持较高的换热功率,一起,机组的化霜次数和时刻也大大削减,可以节省很多的电能,并确保热泵机组接连不间断的运转。

  (3)改进空调紧缩机作业环境,延伸机组运用寿命

  在环境温度较低时,空调紧缩机的紧缩比急剧升高,紧缩机的排气温度常常会超越紧缩机答应的作业范围,然后导致紧缩机频频的启停,无法正常作业,久而久之,将会损害紧缩机的全体功用,削减空调设备的运用寿命。经过太阳能作为辅佐热源进步体系蒸腾温度,直接的改进了紧缩机的作业环境,不光处理了紧缩机在外界低温环境下不能正常作业的问题,而且可以使整个热泵机组的运用寿命有用延伸。

  1.2.3 太阳能辅佐换热器的规划

  辅佐换热器坐落热泵蒸腾器的外侧,作为热泵机组的一个部件与热泵机组同步规划出产,选用和蒸腾器相同外型尺度和原料的翅片管换热器。辅佐换热器的换热面积、空气经过温升及其与热泵蒸腾器的距离应依据太阳能集热器可以供给的辅佐热量、太阳能水温、环境温度及热泵机组蒸腾温度、排风量等参数进行规划核算。

  1.3 太阳能集热器

  现在在太阳能热水工程中一般选用的太阳能集热器首要有平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器五种[8]。关于全年运用的比较大型的太阳能中心热水体系,要求太阳能集热器应具有必定的承压才能,比较高集热功率,比较小的管道阻力,抗冻才能强,易于保护。在这几种太阳能集热器中,全玻璃真空管集热器尽管热集热功率高,商场占有率大,但因其不能承压运转,简单冻裂,w66利来不适宜用在大面积的太阳能热水体系中,绝大部分都被用作家用太阳能热水器的集热部件。其它四种均为金属吸热体的太阳能集热器,可以承压运转,适用于在大型的太阳能热水工程中运用。

  平板集热器是运用比较早的一种太阳能集热设备,一直以来也是国际太阳能商场的主导产品,广泛运用于各种低温热水加热范畴,但跟着真空管太阳能集热器的呈现,受其本身结构的限制,在集热功率上已不具有优势,因防冻问题以及集热功用受时节和环境影响较大,现在首要在南边冬气候温较高的区域运用,在北方冰冷区域冬季运转效果欠佳,不推荐在大型热水工程中运用。

  U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器是在全玻璃真空管集热器基础上发展起来产品,三者的一起特色都具有比较高的集热功率,以金属作为吸热体,可以承压运转,但从集热功率、防漏、防垢、耐久性、安全性、牢靠性、设备保护难度等方面进行归纳点评,热管式真空管集热器是最适宜在中心热水供给体系中选用的太阳能集热器类型,U型管式真空管集热器和直流式真空管集热器次之。热管式真空管集热器运用热管传热,干性衔接,管内不走水,具有热容小、传热快、耐冰冻、耐热冲击、承压强、保温好、无渗漏、易保护等长处,U型管式真空管集热器和直流式集热器运用真空管内同心套管直接对工质加热,除了具有运转温度高、承压才能强和耐热冲击功用好等特色外,其集热功率高于其它方法的集热器,而且可以水平设备,简化设备支架,削减设备场地面积,避免集热器影响修建外观,在太阳能和修建结合方面具有较强的适应性,但其设备程序比热管式真空管集热器杂乱,接口较多,运转中有漏水危险,体系保护本钱相对较高。

  2 太阳能—热泵中心热水体系的作业原理

  太阳能与太阳能辅佐加热空气源热泵结合作为中心热水体系的热源,其意图在于扬长避短,使二者互为补充,互为备用,在日照足够时优先运用太阳能加热热水,运用太阳能集热器发生的低温热水作为太阳能辅佐加热空气源热泵的辅佐热源,然后改进热泵的运转工况,进步其制热功用。这种组合方法,使二者均在相对比较安稳高效的条件下作业,确保体系全年全天候的卫生热水供给。空气源热泵制热进程本质上是对空气中蕴藏的太阳热能的进步运用,依据热泵的作业特性,在整个热水体系的运转进程中,热泵机组作为辅佐热源运转所供给的热量中,只要一小部分来自电能,所以太阳能—热泵中心热水体系大大进步了太阳能运用率,削减了对一次动力的耗费。

  太阳能—热泵中心热水体系的运转首要有以下四种工况:

  (1)太阳能加热日子热水

  在大部分日照杰出的晴天,体系按此工况作业,此刻太阳能循环泵的作业由体系操控器依据太阳能集热器和热水箱的温度进行操控,连绵不断的运用集热器收集的热量经过中心换热器输送到热水箱。

  (2)太阳能辅佐热泵机组加热日子热水

  当阴天或多云气候,当太阳能集热温度低于热水箱水温缺乏以直接加热日子热水时,热泵机组发动,运用空气作为热源加热热水箱内日子热水。在秋冬季节,当环境温度低于热泵的经济运转温度时,热泵机组的制热功率下降而且蒸腾器外表结霜,此刻,热泵辅佐加热循环发动,高于环境温度的低温太阳能热水进入热泵机组辅佐换热器内,预热经过的空气,使热泵功率进步,并切具有避免蒸腾器结霜的效果,可以节省热泵机组的耗电量。

  (3)太阳能和热泵机组一起加热日子热水

  在晴天日照杰出时,假如热水体系的耗热量大于太阳能集热体系的有用供热量或太阳能集热器的数量较少,不能满意热水体系的用热需求,则太阳能和热泵机组一起作业向热水体系供热。

  (4)热泵机组直接加热日子热水

  在接连的雨雪气候,热水体系所需热量彻底由空气源热泵机组供给。此刻,太阳能体系处于待机状况,热泵机组独自作业对热水箱加热。

  3 太阳能—热泵中心热水体系规划

  3.1 太阳能辅佐加热空气源热泵机组功率的断定

  太阳能—热泵中心热水体系中,太阳能辅佐加热空气源热泵机组在晴好气候作为太阳能集热体系的辅佐热源设备,在太阳能资源缺乏时或阴雨气候作为体系的首要热源确保热水的正常供给,所以其制热功率应依照整个热水体系的规划热负荷进行断定。关于全日制中心热水体系,热泵机组功率依照热水体系规划小时热负荷断定,关于非全日制中心热水体系,热泵机组的功率应依据最大用水量、热水箱容积、加热时刻等参数进行断定,详细拜见文献[9]。热泵机组的额外制热功率不小于中心热水体系的规划负荷,在冬季比较冰冷的区域,可适当加大机组的类型,使其尽量在一天中气温比较高的时段内运转,在较短的时刻内满意体系的用热需求。

  3.2太阳能集热器面积的断定

  太阳能—热泵中心热水体系中,太阳能集热器的面积应以热水体系的规划热负荷或依据实践状况断定的太阳能供热量作为根本依据,并剖析核算项目所在地单位面积的太阳能集热器均匀每日有用得热量,然后断定太阳能集热器的设备面积。

  热水工程中,太阳能集热器一般是固定视点设备,其单位面积日有用得热量随时节的改变和每日内太阳辐照强度的改变,并不是一个固定值。其影响要素首要有集热器的设备视点、体系运转工况、所在地气候参数和太阳辐照量等。不同的集热器类型具有不同的集热功率,其有用得热量也不同,所以在实践运用中一般依据集热器出产厂家供给的集热器集热功率等功用参数和太阳辐照材料进行剖析核算,取全年均匀值。

  3.3 太阳能集热体系方法

  关于太阳能—热泵中心热水体系,太阳能集热体系既作为热水加热的首要热源又作为热泵机组的辅佐热源,而且应能接受较低的环境温度,所以应选用闭式体系,体系循环工质选用防冻液溶液。

  4 太阳能—热泵中心热水体系的有用含义

  4.1 运转牢靠性剖析

  作为太阳能—热泵中心热水体系的首要组成部分,太阳能和空气源热泵都是技能老练的节能环保产品。太阳能在日子热水体系中的规划化运用已有20余年的前史,空气源热泵的很多运用也有数十年的前史[10],太阳能热泵中心热水体系将太阳能与空气源热泵技能有机结合,在不影响二者原有运转功用的条件下,使其运转功率显着进步,然后可以确保体系安稳牢靠运转,节省热水体系惯例动力耗费。

  4.2 节能效益剖析

  依据我国北方大部分区域的太阳辐照材料,依照卫生热水体系均匀耗热量和太阳能集热器日均匀得热量断定太阳能热水体系的集热器面积,太阳能—热泵中心热水体系中,太阳能直接加热可满意热水体系全年60—80%的热量需求, 其他20—40%热量由太阳能辅佐加热空气源热泵机组供给,热泵均匀COP可达3.0,即其所供给热量有65%以上来自集热器不能直接运用的太阳能和空气热能。在整个体系运转中,集热器吸收的太阳能的运用率挨近100%,辅佐加热的电力耗费只占体系总能耗的7—14%,较惯例动力的热水体系可至少节能85%以上。

  经过上述剖析可见,太阳能—热泵中心热水体系是一种功用牢靠,环保节能的热水体系方法,该体系只运用太阳能及少数的电能,对环境没有任何的污染。在白日最低温度-15℃以上、太阳辐照杰出的我国大部分区域都可推广运用。统和热水供给,冬季采暖运转时节省惯例动力60%以上,在我国大部分冬冷夏热区域,本体系也可与修建物采暖空调体系结合,发挥最大的节能效果。

  

   太阳能热泵热水体系