空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能測(cè)試與分析

彭嬌嬌,劉光遠(yuǎn),徐春艷

(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225127;2.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225127)

空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是高效節(jié)能的新型熱水系統(tǒng),但其受室外氣候影響很大,季節(jié)性能評(píng)估作為檢測(cè)熱水系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要手段,可以檢測(cè)季節(jié)因素對(duì)熱水系統(tǒng)性能的影響,是分析熱水系統(tǒng)全年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能的基礎(chǔ)[1]。本文將針對(duì)江蘇盱眙某空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程,測(cè)試分析該系統(tǒng)夏秋季的供熱水效果,并根據(jù)測(cè)定結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化控制方案。

1 工程介紹

工程位于江蘇省淮安市盱眙縣,北臨淮河,屬于我國(guó)太陽(yáng)能資源的Ⅲ類地區(qū),年平均日太陽(yáng)輻射量為13 069 k J/(m2?d)[2];夏季高溫多雨,冬季溫和少雨。本工程主要為某足療中心提供熱水需求,其最高日設(shè)計(jì)用水量為 4 t,供水設(shè)計(jì)溫度夏季為50℃,春秋季和冬季為55℃。用戶要求設(shè)計(jì)24 h時(shí)熱水供應(yīng),但用水高峰時(shí)間為12∶00-24∶00。

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)由制熱單元和供熱單元兩部分構(gòu)成,其中制熱單元包括太陽(yáng)能集熱單元、空氣源熱泵輔助加熱單元及電輔助加熱單元三部分[3],如圖1所示。圖中供熱水箱和制熱水箱容積為4 m3;太陽(yáng)能集熱器由25根全玻璃真空管(NB-25φ58 mm×1.8 m)構(gòu)成,單塊采光面積3.3 m2,其中集熱器陣Ⅰ采用9塊集熱器串聯(lián),朝南布置,傾角43°,集熱器陣Ⅱ?yàn)?塊集熱器串聯(lián),朝西布置于傾斜屋面;空氣源熱泵的額定供熱量為18 kW,額定輸入功率4.4 kW;供熱水箱采用功率為9 kW的電加熱器,制熱水箱采用功率為9 kW的電加熱器兩組。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制

在正常晴好天氣,白天由太陽(yáng)能集熱單元充分加熱制熱水箱的低溫水,太陽(yáng)能循環(huán)泵的起停根據(jù)集熱器陣出口溫度與制熱水箱溫度的溫差進(jìn)行控制,熱水系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán);當(dāng)下午四點(diǎn)(夏季五點(diǎn))制熱水箱溫感器檢測(cè)到制熱水溫低于設(shè)定溫度后熱泵機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行,把熱水加熱到設(shè)定溫度后關(guān)閉,即空氣源熱泵同時(shí)采用定時(shí)和恒溫控制。供熱水箱和制熱水箱采用水位控制:當(dāng)供熱水箱經(jīng)過下午和晚上的用水高峰,水位下降至最低水位時(shí),水泵將制熱水箱加熱好的熱水補(bǔ)入供熱水箱供用戶使用,同時(shí)制熱水箱水位也下降,進(jìn)水電磁閥自動(dòng)打開將自來(lái)水補(bǔ)入,制熱水箱水溫降低,第二天繼續(xù)通過太陽(yáng)能循環(huán)集熱,如此反復(fù)。

圖1 空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)原理

在連續(xù)陰雨天氣,觀察控制面板上顯示的制熱水箱溫度,當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度時(shí)手動(dòng)開啟熱泵運(yùn)行。在冬季晴好天氣但室外溫度較低時(shí)(如低于0℃),熱泵機(jī)組易結(jié)霜,到下午四點(diǎn)鐘左右,手動(dòng)開啟制熱水箱電加熱;在冬季連續(xù)雨雪天氣,手動(dòng)開啟制熱水箱電加熱;當(dāng)由于水箱散熱或冷水回流至供熱水箱,使供熱水箱溫度下降時(shí),手動(dòng)開啟供熱水箱電加熱。當(dāng)系統(tǒng)壓力不足供水不穩(wěn)定,手動(dòng)開啟增壓泵。

2 測(cè)定方案

2.1 測(cè)試儀表

本系統(tǒng)主要測(cè)試儀表見表1。

表1 主要測(cè)試儀表

2.2 測(cè)定方法

測(cè)試工作需測(cè)定日太陽(yáng)輻射能、各集熱單元集熱量及耗電量、用戶熱水用量等參數(shù)。日太陽(yáng)輻射量由太陽(yáng)能總輻射表TBQ-2根據(jù)熱電感應(yīng)原理測(cè)得電壓信號(hào),由數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A自動(dòng)采集轉(zhuǎn)換得到,測(cè)試時(shí)間為上午七點(diǎn)到下午六點(diǎn),每隔30 s采集一次數(shù)據(jù)。太陽(yáng)能循環(huán)集熱量和熱泵單元集熱量由熱能表 LRDB-A-25測(cè)得,該熱能表由流量計(jì)、積分儀和兩個(gè)溫度傳感器組成,T 1和T2溫度傳感器分別置于集熱器陣和空氣源熱泵機(jī)組的進(jìn)出水管段上,見圖1,通過記錄該熱能表讀數(shù)的初始值,可得到被測(cè)時(shí)間段該單元的集熱量。電度表DTS862系列分別用來(lái)測(cè)定系統(tǒng)總用電量、熱泵單元用電量和電加熱單元用電量,系統(tǒng)總用電量與后兩者用電量之差為循環(huán)水泵耗電量。熱水表置于供水管上,用來(lái)累積記錄用戶的用水量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

日平均效率對(duì)于太陽(yáng)能集熱單元,其日平均熱效率ηd由下式計(jì)算[4,8]:

式中:Q S為太陽(yáng)能循環(huán)集熱量,kWh;A C為集熱器的采光面積,m2;I(t)為單位面積集熱器采光面上的瞬時(shí)總太陽(yáng)輻射能,kW/m2。

空氣源熱泵的供熱系數(shù)COPH:

式中:Q H為空氣源熱泵集熱量,kWh;WH為空氣源熱泵壓縮機(jī)耗電量,kWh。

系統(tǒng)的COP:

式中:Q E為電加熱量,kWh;W E為電加熱耗電量,kWh,η為熱效率,取95%;W 為系統(tǒng)總耗電量,kWh。

單位熱水能耗[1]單位熱水能耗:

式中:G為用戶熱水用量,m3。

系統(tǒng)的熱損失主要包括管路和水箱熱損失,熱損失率η損:

式中:cp為水的定壓比熱容,取4.187 k J/(kg?K);ρ為水的密度,取1 t/m3;t h為熱水設(shè)計(jì)溫度,夏季為50℃,春秋冬季為55℃;t l為進(jìn)水溫度,℃。

3 測(cè)試結(jié)果和分析

該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)于2009年5月投入使用,夏秋季測(cè)試工作從2009年7月至2009年10月,其中的2009年7月13日和10月23日各儀表的初始讀數(shù)見表2。根據(jù)初始讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可以得到7月13日的太陽(yáng)能循環(huán)總集熱量為124.3 kWh,水泵耗電量為3.2 kWh;10月23日朝南太陽(yáng)能集熱循環(huán)(集熱器陣Ⅰ)的日平均熱效率為41.3%,朝西太陽(yáng)能集熱循環(huán)(集熱器陣Ⅱ)的日平均熱效率為54.3%。

表2 7月13日和10月23日系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

7月13日,系統(tǒng)只需要運(yùn)行太陽(yáng)能集熱單元,集熱量為124.3 kWh,可以將4.6 t的27℃水加熱到50℃,因此在夏季一般太陽(yáng)輻射條件下,僅需要運(yùn)行太陽(yáng)能集熱循環(huán)即可滿足用戶一天的用水量,尚有富裕熱量。10月23日,集熱器陣Ⅰ日平均熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于集熱器陣Ⅱ日平均熱效率,這是因?yàn)榧療崞麝嚔駷?塊集熱器串聯(lián)(而集熱器陣Ⅱ僅串聯(lián)了7塊集熱器),串聯(lián)的集熱器過多導(dǎo)致末端的集熱器入口溫度過高,集熱效率下降。從2009年7月13日到10月23日各單元集熱量及耗電量見表3。在這期間有陰雨天25天,晴朗或多云天氣47天,日均氣溫在16～29℃。

表3 系統(tǒng)各單元集熱量及耗電量

系統(tǒng)總集熱量10 076 kWh(36 276 MJ),系統(tǒng)總耗能為810 kWh,熱泵的COP H為3.8,系統(tǒng)的COP為12.5。各集熱單元集熱量百分比和耗能百分比分別見圖2和圖3。

圖2 7月-10月系統(tǒng)各集熱單元集熱量百分比

圖3 7月-10月系統(tǒng)各集熱單元能耗百分比

該用戶在試驗(yàn)期間的總用水量為210 t,平均每天實(shí)際用水量約為3 t,少于設(shè)計(jì)用水量。從圖中可以看到,在該熱水負(fù)荷下系統(tǒng)在夏秋季節(jié)太陽(yáng)能保證率可達(dá)到80%以上,輔助能源中空氣源熱泵集熱量占了18%,電加熱占1.4%,后者主要用于由于散熱損失而對(duì)供熱水箱進(jìn)行的補(bǔ)充加熱。由于太陽(yáng)能集熱單元僅有循環(huán)水泵消耗電能,加熱210 t水用電810 kWh,單位熱水能耗僅為3.85 kWh/t,比采用其他加熱方案更節(jié)能,見表4。

表4 幾種加熱方案的單位熱水能耗 kWh

電加熱輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行也存在一些能源損失,測(cè)試期間系統(tǒng)熱損失達(dá)到20%;這與夏季系統(tǒng)集熱能力大于用戶實(shí)際用熱量有關(guān),也和系統(tǒng)本身的集熱特點(diǎn)有關(guān);系統(tǒng)制熱水箱制備的熱水供用戶第二天使用,水箱夜間的熱損失較大。因此應(yīng)加強(qiáng)管路和水箱的保溫盡可能減小熱損失。

4 系統(tǒng)運(yùn)行控制優(yōu)化

在對(duì)本工程空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制還存在一些不足。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能,系統(tǒng)在夏秋季的運(yùn)行可以從三個(gè)方面對(duì)控制進(jìn)行優(yōu)化。

(1)充分利用電費(fèi)差價(jià)政策,調(diào)整熱泵運(yùn)行時(shí)間 目前很多城市商業(yè)用電實(shí)行峰平谷電費(fèi)差價(jià)政策,充分利用谷電可以減少運(yùn)行成本。由圖4可以看出,夏秋季空氣源熱泵能耗占總能耗的近60%,空氣源熱泵的運(yùn)行一般在下午的16∶00-20∶00,處于峰電時(shí)段,費(fèi)用支出大。因此,在夏秋季室外溫度不是很低的情況下,應(yīng)當(dāng)將熱泵安排在谷電時(shí)段運(yùn)行,晴好天氣可設(shè)為凌晨的3∶00-7∶00,在連續(xù)陰雨天氣可設(shè)為夜間23∶00至第二天的7∶00,制取的熱水供應(yīng)第二天使用;在第二天用熱水之前加熱,也能減少夜間的熱損失。但是在深秋和冬季晝夜溫差較大時(shí),因夜間室外溫度低熱泵運(yùn)行性能較差,該控制方案不適用[1]。

(2)優(yōu)化供熱水箱補(bǔ)水控制,提高太陽(yáng)能集熱效率 在測(cè)試期間發(fā)現(xiàn),當(dāng)前一天用戶的用水量較少時(shí),第二天供熱水箱水位仍在最低控制水位之上,由于供熱水箱補(bǔ)水僅采用水位控制,制熱水箱加熱的熱水不能及時(shí)補(bǔ)入供熱水箱,制熱水箱水溫仍然很高,導(dǎo)致第二天太陽(yáng)能循環(huán)集熱效率將大大下降。因此應(yīng)將供熱水箱補(bǔ)水控制改為水位控制和溫度控制[5-6],當(dāng)制熱水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度且供熱水箱在最高水位以下時(shí),制熱水箱向供熱水箱補(bǔ)水,同時(shí)自來(lái)水補(bǔ)入制熱水箱,制熱水箱水溫下降,從而提高了第二天的太陽(yáng)能集熱效率。

(3)提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,保持系統(tǒng)運(yùn)行性能的穩(wěn)定性 本工程電加熱器采用的手動(dòng)控制應(yīng)當(dāng)改進(jìn)為自動(dòng)控制:當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到室外溫度低于熱泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)溫度下限時(shí),熱泵不運(yùn)行,制熱水箱電加熱自動(dòng)開啟,加熱到55℃時(shí)關(guān)閉;當(dāng)冷水回流使供熱水箱溫度低于設(shè)定溫度時(shí),供熱水箱電加熱自動(dòng)開啟。此外,增壓泵和回水電磁閥的控制也應(yīng)設(shè)置為自動(dòng)控制,使系統(tǒng)始終處于恒壓、恒溫的狀態(tài),并減少對(duì)用戶運(yùn)行管理的依賴[7]。

5 結(jié)論

本文介紹了空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在盱眙地區(qū)的應(yīng)用實(shí)例,并測(cè)試了該系統(tǒng)運(yùn)行初期,即夏秋季節(jié)的熱力特性。主要結(jié)論如下。

(1)本系統(tǒng)在盱眙地區(qū)氣候條件下,夏秋季太陽(yáng)能保證率可達(dá)80%,系統(tǒng)平均COP可達(dá)12.5,每1 t熱水的能耗僅為3.8 kWh,與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、電加熱輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)等常規(guī)熱水加熱方式相比,節(jié)能效益非常顯著。

(2)本系統(tǒng)的控制應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)政策、用戶的用水特點(diǎn)和氣候特征,進(jìn)行合理的優(yōu)化:夏秋季節(jié),熱泵定時(shí)控制宜設(shè)置在谷電時(shí)段;供熱水箱的補(bǔ)水控制宜采用水位控制和溫度控制。

[1]陳振豪,吳靜怡等.空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化運(yùn)行研究[J].能源技術(shù),2005,26(3):117-119.

[2]江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)站.太陽(yáng)熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖集(蘇 J28-2007)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[3]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.給水排水專業(yè)節(jié)能系列圖集[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.

[4]羅會(huì)龍,鐵燕等.空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能研究[J].建筑科學(xué),2009,25(2):52-54.

[5]歐云峰,楊金華.空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].給水排水,2009,35(9):82-84.

[6]章才能.深圳僑香村太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].深圳土木與建筑,2006(2):19-20.

[7]李云防,唐植孝.陽(yáng)江鳳凰酒店+熱泵集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].給水排水,2008,34:75-78.

[8]CHYNG JP,LEE C P,HUANG B J.Performance analysis of a solar-assisted heat pump water heater[J].Solar heater,2003,74(1):33-44.