空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的性能測試與分析

彭嬌嬌,劉光遠,徐春艷

(1.揚州大學環境科學與工程學院,江蘇揚州225127;2.揚州大學能源與動力工程學院,江蘇揚州225127)

空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統是高效節能的新型熱水系統,但其受室外氣候影響很大,季節性能評估作為檢測熱水系統性能指標的重要手段,可以檢測季節因素對熱水系統性能的影響,是分析熱水系統全年運行經濟性能的基礎[1]。本文將針對江蘇盱眙某空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統工程,測試分析該系統夏秋季的供熱水效果,并根據測定結果提出相應的優化控制方案。

1 工程介紹

工程位于江蘇省淮安市盱眙縣,北臨淮河,屬于我國太陽能資源的Ⅲ類地區,年平均日太陽輻射量為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,其最高日設計用水量為 4 t,供水設計溫度夏季為50℃,春秋季和冬季為55℃。用戶要求設計24 h時熱水供應,但用水高峰時間為12∶00-24∶00。

1.1 系統簡介

系統由制熱單元和供熱單元兩部分構成,其中制熱單元包括太陽能集熱單元、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;太陽能集熱器由25根全玻璃真空管(NB-25φ58 mm×1.8 m)構成,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,朝南布置,傾角43°,集熱器陣Ⅱ為7塊集熱器串聯,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 系統運行控制

在正常晴好天氣,白天由太陽能集熱單元充分加熱制熱水箱的低溫水,太陽能循環泵的起停根據集熱器陣出口溫度與制熱水箱溫度的溫差進行控制,熱水系統采用強制循環;當下午四點(夏季五點)制熱水箱溫感器檢測到制熱水溫低于設定溫度后熱泵機組啟動運行,把熱水加熱到設定溫度后關閉,即空氣源熱泵同時采用定時和恒溫控制。供熱水箱和制熱水箱采用水位控制:當供熱水箱經過下午和晚上的用水高峰,水位下降至最低水位時,水泵將制熱水箱加熱好的熱水補入供熱水箱供用戶使用,同時制熱水箱水位也下降,進水電磁閥自動打開將自來水補入,制熱水箱水溫降低,第二天繼續通過太陽能循環集熱,如此反復。

圖1 空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統原理

在連續陰雨天氣,觀察控制面板上顯示的制熱水箱溫度,當低于設定溫度時手動開啟熱泵運行。在冬季晴好天氣但室外溫度較低時(如低于0℃),熱泵機組易結霜,到下午四點鐘左右,手動開啟制熱水箱電加熱;在冬季連續雨雪天氣,手動開啟制熱水箱電加熱;當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,手動開啟供熱水箱電加熱。當系統壓力不足供水不穩定,手動開啟增壓泵。

2 測定方案

2.1 測試儀表

本系統主要測試儀表見表1。

表1 主要測試儀表

2.2 測定方法

測試工作需測定日太陽輻射能、各集熱單元集熱量及耗電量、用戶熱水用量等參數。日太陽輻射量由太陽能總輻射表TBQ-2根據熱電感應原理測得電壓信號,由數據采集儀Agilent 34970A自動采集轉換得到,測試時間為上午七點到下午六點,每隔30 s采集一次數據。太陽能循環集熱量和熱泵單元集熱量由熱能表 LRDB-A-25測得,該熱能表由流量計、積分儀和兩個溫度傳感器組成,T 1和T2溫度傳感器分別置于集熱器陣和空氣源熱泵機組的進出水管段上,見圖1,通過記錄該熱能表讀數的初始值,可得到被測時間段該單元的集熱量。電度表DTS862系列分別用來測定系統總用電量、熱泵單元用電量和電加熱單元用電量,系統總用電量與后兩者用電量之差為循環水泵耗電量。熱水表置于供水管上,用來累積記錄用戶的用水量。

2.3 數據處理

日平均效率對于太陽能集熱單元,其日平均熱效率ηd由下式計算[4,8]:

式中:Q S為太陽能循環集熱量,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總太陽輻射能,kW/m2。

空氣源熱泵的供熱系數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耗電量,kWh。

系統的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為熱水設計溫度,夏季為50℃,春秋冬季為55℃;t l為進水溫度,℃。

3 測試結果和分析

該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統于2009年5月投入使用,夏秋季測試工作從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見表2。根據初始讀數進行計算,可以得到7月13日的太陽能循環總集熱量為124.3 kWh,水泵耗電量為3.2 kWh;10月23日朝南太陽能集熱循環(集熱器陣Ⅰ)的日平均熱效率為41.3%,朝西太陽能集熱循環(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日系統測試數據匯總

7月13日,系統只需要運行太陽能集熱單元,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輻射條件下,僅需要運行太陽能集熱循環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日平均熱效率遠遠小于集熱器陣Ⅱ日平均熱效率,這是因為集熱器陣Ⅰ為9塊集熱器串聯(而集熱器陣Ⅱ僅串聯了7塊集熱器),串聯的集熱器過多導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 系統各單元集熱量及耗電量

系統總集熱量10 076 kWh(36 276 MJ),系統總耗能為810 kWh,熱泵的COP H為3.8,系統的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月系統各集熱單元集熱量百分比

圖3 7月-10月系統各集熱單元能耗百分比

該用戶在試驗期間的總用水量為210 t,平均每天實際用水量約為3 t,少于設計用水量。從圖中可以看到,在該熱水負荷下系統在夏秋季節太陽能保證率可達到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供熱水箱進行的補充加熱。由于太陽能集熱單元僅有循環水泵消耗電能,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

電加熱輔助太陽能熱水系統的運行也存在一些能源損失,測試期間系統熱損失達到20%;這與夏季系統集熱能力大于用戶實際用熱量有關,也和系統本身的集熱特點有關;系統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。因此應加強管路和水箱的保溫盡可能減小熱損失。

4 系統運行控制優化

在對本工程空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統測試過程中,發現系統控制還存在一些不足。為進一步提高系統性能,系統在夏秋季的運行可以從三個方面對控制進行優化。

(1)充分利用電費差價政策,調整熱泵運行時間 目前很多城市商業用電實行峰平谷電費差價政策,充分利用谷電可以減少運行成本。由圖4可以看出,夏秋季空氣源熱泵能耗占總能耗的近60%,空氣源熱泵的運行一般在下午的16∶00-20∶00,處于峰電時段,費用支出大。因此,在夏秋季室外溫度不是很低的情況下,應當將熱泵安排在谷電時段運行,晴好天氣可設為凌晨的3∶00-7∶00,在連續陰雨天氣可設為夜間23∶00至第二天的7∶00,制取的熱水供應第二天使用;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,因夜間室外溫度低熱泵運行性能較差,該控制方案不適用[1]。

(2)優化供熱水箱補水控制,提高太陽能集熱效率 在測試期間發現,當前一天用戶的用水量較少時,第二天供熱水箱水位仍在最低控制水位之上,由于供熱水箱補水僅采用水位控制,制熱水箱加熱的熱水不能及時補入供熱水箱,制熱水箱水溫仍然很高,導致第二天太陽能循環集熱效率將大大下降。因此應將供熱水箱補水控制改為水位控制和溫度控制[5-6],當制熱水箱溫度達到設定溫度且供熱水箱在最高水位以下時,制熱水箱向供熱水箱補水,同時自來水補入制熱水箱,制熱水箱水溫下降,從而提高了第二天的太陽能集熱效率。

(3)提高系統的自動化程度,保持系統運行性能的穩定性 本工程電加熱器采用的手動控制應當改進為自動控制:當溫度傳感器檢測到室外溫度低于熱泵運行經濟溫度下限時,熱泵不運行,制熱水箱電加熱自動開啟,加熱到55℃時關閉;當冷水回流使供熱水箱溫度低于設定溫度時,供熱水箱電加熱自動開啟。此外,增壓泵和回水電磁閥的控制也應設置為自動控制,使系統始終處于恒壓、恒溫的狀態,并減少對用戶運行管理的依賴[7]。

5 結論

本文介紹了空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統在盱眙地區的應用實例,并測試了該系統運行初期,即夏秋季節的熱力特性。主要結論如下。

(1)本系統在盱眙地區氣候條件下,夏秋季太陽能保證率可達80%,系統平均COP可達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、電加熱輔助太陽能熱水系統等常規熱水加熱方式相比,節能效益非常顯著。

(2)本系統的控制應結合當地的電費政策、用戶的用水特點和氣候特征,進行合理的優化:夏秋季節,熱泵定時控制宜設置在谷電時段;供熱水箱的補水控制宜采用水位控制和溫度控制。

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[3]中國建筑標準設計研究院.給水排水專業節能系列圖集[S].北京:中國計劃出版社,2007.

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