广州地区热泵辅助太阳能热水系统性能分析

热泵辅助太阳能热水

广州地区热泵辅助太阳能热水系统性能分析

李棱雪

,刘金平

(华南理工大学电力学院,广州510640)

[摘要]

基于广州市典型气象年参数,计算了广州地区太阳能热水系统集热器的适用面积,结果比通常太

阳能厂商所推荐的面积值要大得多。按平均太阳能热水器面积值计算有1415%的天数不能保障加热至所需温度,需较多的补充加热量。采用空气源热泵补充加热,随太阳能热水器加热面积减小,需补充加热耗电量增加。采用太阳能和空气源热泵热水系统的节电率相对直接电加热或水源辅助热泵补充加热的系统优势增大。

[中图分类号]

TU822;TU832　　　　　　　　　　　　　　　　　　[文献标识码]

[关键词]

om

热泵,太阳能,热水器

A

PerformanceAnalysisofHeatPumpAssistedSolarWater

HeatingSystemUsedinGuangzhou

LILingxue,LIUJinping

(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Abstract:BasedonthetypicalyearclimatedataofGuangzhou,theappropriatesolarcollectorareausedinGuangzhouwascalculated,itismuchgreaterthanthatrecommendedbymanufacturersusuallyandthewatertemperatureheatedbythesolarcollectorwaterheaterwithaverageareacan′tmeettherequiredtemperaturein1415%oftime1Therefore,morethermalener2servesasassistedthermalsource1Comparedwithelectricityheatingordirect-expansionheatpumpassistedsolarwaterheat2Keywords:Heatpump,Solarenergy,Waterheater

gymustbesupplemented1Thepowerconsumptionincreaseswiththesolarcollectorareareducedwhenair-sourceheatpumpingsystem,air-sourceheatpumpassistedsolarwaterheatingsystemshowsgreaterelectricitysavingrate1

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1　引言

太阳能总量巨大、绿色环保,目前,太阳能的利用愈来愈广泛,其中太阳能热水器被认为是最普遍最实用的太阳能利用设备。广州地区属于三等资源一般地区,全年日照时数在2200～3000小时左右,水平面上年太阳辐照量在5000～5400MJ/(m2 a)[1]。且太阳能提供的热量与热水器所需求的热量在时间上不匹配,夏季太阳能热量较充沛,而此时气温较高所需的热水量较少;而在1～3月份气温

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较低所需的热水量较大,此时阴雨天较多,太阳辐射能热量较少,较难满足热水量的需求,需补充较大的热量。因而限制了太阳能热水器在广州地区的推广应用。祁冰等采用f-CHAR法对我国太阳能区划的5个典型城市拉萨、呼和浩特、北京、上海和成都的太阳热水系统的热及经济性能进行了模拟计算分析[2]。

热泵仅消耗少量的电能可以将数倍热量的温度升高,从而提高太阳能等低温热能的利用率。因此研究热泵辅助太阳能热水系统性能将有助于太阳能

热泵辅助太阳能热水

热水器在广州等南方地区的推广应用。本文将计算广州地区太阳能热水系统集热器的适用面积,分析空气源热泵、水源辅助热泵的太阳能热水系统运行性能及集热器面积对运行性能的影响。

1)直膨式太阳能热泵:在直膨式系统中,是

2　热泵辅助太阳能热水系统的形式

211　采用空气源热泵辅助的太阳能热水系统

一种基于逆卡诺循环的系统,将太阳能集热器与热

泵蒸发器结合成一体,节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间的换热设备[4]。晴天,经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太阳能集热/蒸发器中,通过吸收太阳辐射而蒸发后的制冷剂在压缩机内形成高温高压气体,然后被排入冷凝器中,制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝同时水得热而升温,冷凝后的制冷剂经膨胀阀又重新流入太阳能集热/蒸发器中,由此构成一次循环;阴天或夜间,太阳能集热/蒸发器也可以通过吸收大气中的显热和潜热来维持全天候地生产热水。

图1为采用空气源热泵作为太阳能热水系统辅助热源,与太阳能热水系统并联连接[3]。夏季太阳能热量充沛,能够满足热水的需求时,热泵不需工作。而在1～3月份气温较低,所需的热水量较大时,此时阴雨天较多,太阳能热量较少,不能满足热水量需求时,需启动热泵补充热量。但此时室外空气温度较低,热泵的效率和制热量也相应的降低,在室外空气温度低于7℃时蒸发器会结霜,空气源热泵的运行工况恶化,效率更低甚至无法工作,不得不启动电加热器,采用热泵的节能效果就无从体现。212　采用水源辅助热泵的太阳能热水系统

采用水源热泵辅助的太阳能热水系统,也称太阳能热泵(SAHP),一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统,对太阳能热水器来说,最后得到的高温热量仅相当于把太阳能集热器得到的热量再加上热泵压缩机所消耗的热量,或者说此时热泵的供热系数仅为1。

根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合型式,

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图1　空气源热泵辅助太阳能系统

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可分为直膨式和非直膨式。

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图2　非直膨式太阳能热泵

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2)非直膨式太阳能热泵:在非直膨式系统中,太阳能集热器与热泵蒸发器分立,通过集热介质在集热器中吸收太阳能,夏季太阳能热量充沛,能够满足热水的需求时,热泵不需工作[5]。而在1～3月份气温较低,所需的热水量较大时,

此时阴雨天

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热泵辅助太阳能热水

较多,太阳能热量较少,不能满足热水量需求时,需启动热泵补充热量。尽管此时室外空气温度较低,但由于热泵蒸发器所吸收的热量来自于太阳能集热器的热水,避免了热泵蒸发温度过低运行工况恶化,效率降低甚至无法工作的弊端。

如式(1)。　　　Ac=

()JTηcd(1-ηL)

(1)

其中:Ac—直接式系统集热器总面积,m2;Qw

—日平均用热水量,L,取1000L/d;c—水的定压

),41186;ρ—比热容,kJ/(kg ℃水的密度,kg/m3;tend—贮水箱内水的终止设计温度,℃,取60℃;JT—当地集热器总面积上的日太阳辐射量,kJ/m2,见图3[7];tL—水的初始温度,℃,取湿球

3　太阳能集热器面积计算分析

贮热水箱容积大于等于600L时太阳集热器总

面积的确定:直接式太阳能热水系统的集热器总面积可以根据系统的平均用水量和用水温度确定[6],

集热器集热效率,取014[8];温度,见图4[7];ηcd—

η管路及贮水箱热损失率,取012。L—

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热泵辅助太阳能热水

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表1　广州地区把1000L/d水加热至60℃所需的太阳能热水器面积(m2)的最大值、最小值和平均值日期

日总辐射

(MJ/m2)

0114261431115

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日平均干球

)温度(℃

151430162218

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日平均湿球

)温度(℃

14138251191917

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进水温度

(℃)

14138251191917

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把1000L/d水加热至60℃所需的太阳能热水器面积

(m2)

426215171212915

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备注

3月29日8月29日

所需面积最大所需面积最小

平均

由式(1)计算得到的把1000L/d水加热至60℃所需的太阳能集热器面积如图5和图6,最大

值、最小值和平均值见表1,可以看出,所得结果比通常太阳能厂商所推荐的面积值要大的多。按平

热泵辅助太阳能热水

图7　广州地区日平均湿球温度年变化图

表2　不同太阳能热水器面积所能达到的不同温度天数

)温度范围(℃7717(m2)9017(m2)10316(m2)11617(m2)12915(m2)14215(m2)15514(m2)

<3010242017161512

3010～3919

22

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4010～4919

192010131399

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5010～5919

28152416151612

≥6010

272292301307313318324

18

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10

　　　注:太阳能热水器面积10316m2即为平均值的60%,11617m2即为平均值的70%,10316m2即为平均

　　　值的80%,11617m2即为平均值的90%,14215m2即为平均值的110%,15514m2即为平均值的120%

均太阳能热水器面积值12915m2计算,把超过60℃的按60℃计,全年逐日加热后所能达到的水

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131391010

法满足要求时,需补充加热,采用电加热或水源辅助热泵补充加热耗电量见表3,随太阳能热水器加热面积增大,需补充加热耗电量减少,但并不显著。采用空气源热泵热水器补充加热耗电量见表3,其中采用热泵效率与环境干球温度的拟合式如下式:　　　COP=2105+010715tg

tg—环境干球温度,℃。

温见图7,所能达到的不同温度的天数统计见表2,可以看出,有相当的时间不能保障加热至所需温度,需较多的补充加热量。

4　空气源热泵、水源热泵辅助的太阳

(2)

能热水系统运行性能计算分析

当仅以太阳能热水器加热,不能达到60℃无

式中:COP—热泵热水器供热效率,kW/kW;采用空气源热泵补充加热,可将太阳能加热器

热泵辅助太阳能热水

表3　太阳能热水器的节电效益(将水加热至60℃全年所需热量17350kWh)太阳能热水器面积(m2)太阳能热水器面积(m2)需电加热或水源辅助热泵补充加热耗电量(kWh)需空气源热泵补充加热耗电量(kWh)采用太阳能热水器的节电率(%)采用太阳能+空气源热泵热水系统

的节电率(%)

1031621656778715296110

1161718015648916296175

103161552486119110597120

116171354423109212097156

12915118536969311797187

142151050326139319598112

1551493619290149416098133

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[3][4][5][6][7][8]

的面积减小,减少太阳能加热器初投资,随太阳能热水器加热面积减小,需补充加热耗电量增加,采用太阳能+空气源热泵热水系统的节电率相对直接电加热或水源辅助热泵补充加热的系统优势增大。

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5　结论

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(1)广州地区采用太阳能热水器所需集热器面

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积比通常太阳能厂商所推荐的面积值要大的多。按平均太阳能热水器面积值计算有相当的时间不能保障加热至所需温度,需较多的补充加热量。

(2)采用空气源热泵补充加热,随太阳能热水器加热面积减小,需补充加热耗电量增加,采用太阳能+空气源热泵热水系统的节电率相对直接电加热或水源辅助热泵补充加热的系统优势增大。

6　参考文献

[1]

民用建筑太阳能热水系统应用技术规范(GB50364-

g.

c

[2]

809129

2005)[S]1

祁冰,王志峰1我国典型城市太阳热水系统热及经济

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om

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