太陽能—熱泵復合熱水系統分析

史瑞靜，王維慶，樊小朝，，李永東，湯苑陽，魏鵬飛

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.清華大學電力系統國家重點實驗室，北京 100084)

0 前 言

太陽能熱水系統是當今世界上研究的最具有經濟價值，發展前景最好的可再生能源利用之一，同時太陽能利用技術也最為純熟[1]。顧名思義，所謂太陽能熱水系統，其基本的工作原理就是將太陽能的能量進行收集，然后通過水儲存這部分能量從而進一步利用。其中經典的太陽能熱水系統包含太陽能集熱系統(進行太陽能能量的收集)、集熱水箱系統(將集熱系統收集到的太陽能能量進行儲存)、恒溫水箱系統(控制水箱溫度相對恒定)、熱泵回水系統(補充能量以及回收回水進行再利用)[2]。

熱泵系統是當前能夠有效利用很少的高質量能源(目前用的最多的是電能)，可以將較差的低熱源的低溫能量進行采集，從而進行運用，具有非常高的能效[3]。熱泵系統對傳統能源的消耗遠低于傳統系統消耗的能量，能耗占比低了一倍，具有相當高的可操作性[4]。

為了改善水源熱泵和空氣源熱泵各自的不足，將兩種熱泵同太陽能系統進行融合改進從而研究出的復合熱源熱泵技術成功引領了科技潮流，該技術不僅提高了太陽能的利用效率，同時提升了熱泵的效率，改進后的系統規避了大部分傳統熱泵所擁有的問題，使熱泵技術達到新的巔峰[5]。

1 太陽能-熱泵復合熱水系統

將太陽能集熱系統同熱泵系統進行結合，設計了一種新的復合熱水系統，其能量流動情況如圖1所示，該系統由太陽能集熱系統、集熱水箱系統、供水系統、恒溫水箱系統以及熱泵回水系統組成。太陽能集熱系統對太陽能的能量進行收集，集熱水箱將傳熱介質從太陽能集熱系統收集到的能量進行存儲，恒溫水箱系統通過平衡橋與集熱水箱進行能量交換，最終將這些能量輸送給用戶，實現太陽能的有效利用。

圖1 復合熱水系統能量流動示意

太陽能集熱系統由太陽能集熱板或太陽能集熱管以及熱力管網組成，其中太陽能集熱板與集熱管具體結構如圖2所示[6]。采用絕熱的材料作為邊界成分，降低收集太陽能過程熱量的損耗。多孔陶瓷的材料能使空氣順利通過，完成集熱過程。

圖2 太陽能集熱元件材料結構示意

水箱系統由水箱與壓力傳感器，溫度傳感器，水力管網以及顯示儀等組成，如圖3所示[7]。蓋板和箱體以及側板都采用強度較高的材料構成，實現對水箱的保護。冷卻劑使得能量的交換順利完成，進出水口與水力管網的連接保證水位正常，維持系統的穩定性。

圖3 水箱結構示意

為驗證綜合系統的可行性與具有高效節能減排的作用，設計一套如圖4所示的復合熱泵系統[8]，并選取了全國范圍內太陽輻照度相對較低的浙江成功進行應用，通過對該系統實時運行的數據進行收集統計，并就此對輻照度不同地區運行特性進行分析，更好的為系統運行提供保證。

圖4 復合熱水系統結構示意

該系統由太陽能集熱系統、集熱水箱系統、恒溫水箱系統、熱泵系統以及回水系統組成，全系統采用水為傳輸能量的介質，通過將不同溫度的水進行輸運，儲存，熱交換從而調節系統的能量使系統達到一個相對穩定的工作狀態。系統通過物聯網和相關的儀表進行監管控制，通過太陽能集熱系統進行太陽能的采集、儲存，通過水力管道進行運輸。集熱水箱系統進行能量的儲存，恒溫水箱系統調節各系統溫度響應恒定，熱泵系統在太陽能集熱系統供熱量不足條件下啟動，輔助系統進行加熱。回水系統將用戶剩余的水引流回水箱。

2 太陽能-熱泵復合熱水系統理論分析

在該系統中，能量交換過程主要為熱輻射與熱對流兩過程。熱輻射主要出現在太陽能集熱系統中，吸熱面接受太陽輻射能。根據Stenfan-Boltzmann定律[9]

Φ=εAσT4

(1)

式中，Φ為輻射度，J/(s·m2)；ε為黑體輻射系數；A為受熱輻射面積，m2；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數；T為絕對溫度，K。

由式(1)可知，為吸收更多輻射量，需要提高物體的發射率，也就是黑度。一般材料選擇的ε一般在0.92～0.96，從而保證了對輻射能高效的吸收。

系統內部的換熱主要是對流換熱。由牛頓冷卻公式(Newton’s Law of Cooling)[10]可知

Q=hSΔt

(2)

式中，Q為傳熱功率；h為表面傳熱系數；S為傳熱面積，m2。

在對流面積和對流溫差相對穩定的情況下，影響對流傳熱[11]的主要因素是表面傳熱系數h，已知

h=f(u,l,ρ,η,λ,cp)

(3)

式中，u為速度特征尺度；l為傳熱面的幾何特征長度，m；ρ為介質密度，kg/m3；η為動力黏度系數，Pa·s；λ為靜止流體的導熱系數，W/(m·K)；cp為定壓比熱，J/(kg·K)。

研究表明，水的表面對流傳熱系數在不同工況，不同相變，不同狀態下都是較為良好的，能夠使傳熱過程中的熱損耗降低[12]。本文也是以水為介質進行研究，該系統工作啟動方式示意如圖5所示，其中3種不同的工作條件下的情況為：

圖5 系統工作啟動方式示意

(1)全部由太陽能系統供熱。時逢晴天，日照時間長，輻射量較大時，系統需要的熱量全部由太陽能系統進行供給，若吸收的能量過高，則可以開啟電力裝置將該部分能量轉換為電能輸送至儲電箱，為該系統的各種用電元件進行供電，從而可降低系統的耗電量。若此時用戶消耗量不夠高，則打開集熱循環泵，將多余的熱水進行循環收集利用，直至集熱水箱和恒溫水箱的溫度與設定溫度范圍一致時關閉，保證系統的熱穩定性。

(2)由太陽能系統以及熱泵機組共同進行協調加熱。當日照強度不夠高，或者用戶用水量達到頂峰時，單獨的太陽能系統供給的能量便不一定能夠滿足需求，此時就需要熱泵機組啟動，通過系統內部的控制系統，在優先運行太陽能系統的條件下，控制熱泵機組的啟動運行時間，既滿足了用戶的需求，也能最大化利用太陽能系統，成功實現了節能的目標，這種運行模式能夠適應各種天氣條件下的高效運行，完美的發揮系統的優勢，因此在絕大部分情況下，都是以此模式進行運行。

(3)全部由熱泵系統進行供熱。當處于連續的惡劣天氣，比如陰雨暴雪天氣，此時太陽能系統基本處于癱瘓狀態，并不能發揮很多實質作用。此時所有熱量均由熱泵機組提供，此時循環熱泵和太陽能系統全部關閉，但由于熱泵系統的運行效果受很多因素影響，尤其是在惡劣天氣的條件下，熱泵機組的效率也會很低，系統耗能最高。

該系統具有優異的啟動運行方式，無論在任何天氣條件下，會優先啟動太陽能系統，再根據用戶的熱水使用量進行判定，若用戶不需要過多的熱水供應，則系統不會啟動熱泵系統，只有當用戶需求量大于系統供應量時，才會啟動熱泵系統，當達到穩定水平時，保持相應運行狀態。當輻照度趨近于0時，系統自動啟動熱泵系統，關閉太陽能系統，良好的保護了系統，維護系統穩定性的同時，也達到了節能減排的目的。

3 太陽能—熱泵復合熱水系統性能計算分析

將該系統構架應用于浙江溫州(北緯28°12′)一套日產50 t熱水的熱水系統中，該地年均日照時長1 800 h，平均輻照度150.5 W/m2，太陽能真空管均采用全玻璃真空管Φ60 mm×2 000 mm，以33°安裝角進行安裝。用八臺額定發熱功率38.5 kW空氣源熱泵輔助系統加熱，并采用雙水箱的設計保持系統的熱穩定性。系統運行參數均由相應傳感器檢測反饋，選取3天不同氣候的天氣數據如表1所示。

表1 不同天氣條件下的參數

為保證測試參數的精確度，該系統采用了較為精確的儀表：使用溫濕度傳感器來采集環境溫度、濕度，溫度測試精度為±0.5 ℃，濕度測試精度為±2%；用輻照度表采集輻照度，輻照測試范圍為0～2 000 W/m2，精度為5%；熱敏電阻用來測量進、出水溫度，分辨率0.1 ℃；4線制PT100用來測量水箱溫度，分辨率0.1 ℃；壓力式液位傳感器用來測量水箱液位，測試精度為±0.2%；用超聲波熱量表采集累計加熱量，測試精度為±2%；用三相多功能電能表采集功率，測試精度±0.5%。

3.1 太陽能—熱泵復合熱水系統數學模型

3.1.1 太陽能輻照量

在集熱器附近安裝輻照表測量光照度，通過回收后的數據，計算太陽輻照能Qs(kJ)，公式為

Qs=∑GAcΔT

(4)

式中，G為輻照度，W/m2；Ac為集熱器有效面積，m2，本文所用集熱器總面積為500 m2；ΔT為采樣間隔時間，s。

3.1.2 太陽能集熱量計算

由于該系統的傳熱介質是水，將熱量表安裝于系統集熱器組件的主干管道上，分別對集熱循環中的冷水進水溫度tc1、熱水出水溫度tc2以及質量流量mc進行測量，采用焓差法[13]計算太陽能集熱量Qc(kJ)，計算公式為

Qc=[Cpmc(tc2-tc1)Δt]×10-3

(5)

式中，Cp為熱水的比熱容，J/kg；tc1為熱泵進水溫度，℃；tc2為熱水出水溫度，℃。

3.1.3 熱泵供熱量計算

熱泵供熱量Qhp同樣可以通過安裝在熱泵系統進出口的熱量表計算得到[14]

Qhp=∑[Cpmhp(thp2-thp1)Δt]×10-3

(6)

式中，Cp為熱水的比熱容，J/kg；mhp為熱泵循環水的質量流量，kg/s；thp1和thp2分別為熱泵系統進、出口溫度，℃。

3.1.4 系統供熱量計算

忽略水箱漏熱，系統實際供熱量能量Qspl(kJ)計算公式為

Qspl=∑[Cp(mspltspl-mretre)Δt]×10-3

(7)

式中，mspl為用戶供水流量，kg/s；mre為用戶回水流量，kg/s；tspl和tre分別為供水水溫和回水水溫，℃。

3.1.5 實際用戶供熱量

實際中，要考慮熱水在供熱管道內的熱損Qloss，用戶供水總熱量Qspl為用戶有效利用熱Quse與供熱管道內的熱損Qloss之和。

Qspl=Qloss+Quse

(8)

其中，管道熱損Qloss計算公式如下

Qloss=∑[Cpmspl(tc2-tspl)Δt]×103

(9)

另外熱泵、水泵等系統工作過程中要消耗電能，系統累計耗電量為Esh，則系統整體能效為

(10)

3.1.6 節能減排量計算

利用監控系統所獲取的能耗計量數據，還可以通過計算系統節能減排量對整個系統能效、經濟效益、環境效益等各方面做出相應評估，經簡單換算可以得到一系列的系統能耗指標。如太陽輻照量、太陽能集熱器集熱量、熱泵累計供熱量、用戶供熱量等，具體數據如表2。

表2 系統能耗表

根據表4中數據可以知道，在晴天，太陽輻射量較大時，太陽能集熱器收集較多的能量，用戶供熱量較大部分由太陽能系統供應，熱泵系統只在用水高峰期時段對系統進行輔助加熱。在陰天，太陽輻照度與年均日輻照度差異不大時，太陽能系統和熱泵系統同時運作，并且在用水高峰期，熱泵系統起到主要作用。在長時間惡劣天氣的條件下，太陽能集熱器幾乎不能收集到太陽能，此狀態下，太陽能集熱系統關閉，系統熱量全部由熱泵系統提供。

將計算得到的數據在MATLAB環境下進行編程，從而繪制出太陽能輻射量與輻照度的關系，如圖6所示。

圖6 輻照度與太陽輻射量關系

太陽輻射量除了與太陽本身核反應相關以外，還會受到天氣條件等因素的影響，由圖6可得，太陽輻射量隨著輻照度的增加而增加，增長系數趨近于1×107。

圖7為熱泵供熱量與輻照度關系。由圖可知，在輻照度大的環境條件下，熱泵機組實際供熱量極低，幾乎沒有進行供能，輻照度越低，熱泵機組運作時間越長，耗費的能耗越多，能量損失也就越高。

圖7 熱泵供熱量與輻照度關系

圖8為系統供熱量與輻照度關系。由圖8可知，系統供熱量隨輻照度的增加緩慢增加，最后由于用戶消耗熱水的量有限，故而在曲線末，曲線逐漸趨于平緩。

圖8 系統供熱量與輻照度關系

圖9為熱損與輻照度關系。由圖9可知，系統的熱損隨著輻照度的增大逐步降低。但由于熱力管道的局部損失和沿程阻力損失相對改變不大，熱損變更幅度也不明顯。

圖9 熱損與輻照度關系

圖10為用戶供熱量與輻照度關系。由圖10可知，用戶供熱量隨輻照度增大而增大，但由于用戶的日常熱水需求較為穩定，故而供熱量的差異較為微小。

圖10 用戶供熱量與輻照度關系

圖11為能效比與輻照度關系。由圖11可知，該系統的能效比隨著輻照度的增加成上升關系，上升速度系數接近于1。

圖11 能效比與輻照度關系

常規能源替代量、節煤量Mss、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量以及粉塵減排量這一系列的指標都是節能減排指標。對于我國能源結構來說，幾乎都可以將這些指標轉換為節煤量，節煤量Mss指將用戶實際得熱量與系統總耗電量的能量之差折算成標準煤量，計算公式如下

Mss-(Quse-Esh)/(ηcov·W)

(11)

式中，Esh為系統在一段時間內累計耗電量，kJ；W為29 307 kJ/kg；ηcov為30.7%；CO2、SO2、NOx、粉塵減排量等可根據相應的減排量系數計算得到。

為驗證該系統具有優異的節能減排作用，通過計算，可得不同天氣不同輻照度下的節煤量如表3所示。

表3 不同天氣不同輻照度下的節煤量

由表3可知，輻照度越高，該系統運行的效率越高，該系統相應的省煤量越高，節能性也越好。

3.2 高輻照地區理論系統性能計算與分析

高輻照地區輻射量高，日照時間長，理論上具有更高的太陽能利用價值，下面就對高輻照地區進行理論上的計算分析。取年均日照時長3 000 h，輻照度600 W/m2，假設是同一臺設備和裝置，一天消耗水量24.94 t。在此條件下，通過計算可得到高輻射地區運行該系統的理論能耗值：熱水在供熱管道內的熱損Qloss為1.79×105kJ；系統實際供熱量能量Qspl為1.44×106kJ；熱泵供熱量Qhp為4.32×103kJ；太陽能集熱量Qc為2.52×106kJ；太陽輻照能Qs為8.86×109kJ；Quse為1.26×106kJ；η為7.88。

3.3 低輻照地區理論系統性能計算與分析

低輻照地區輻射量低，日照時間較短，將低輻照地區進行理論計算分析有助于了解該系統在不同輻照度下的能耗情況，能夠為系統的優化，對如何節能減排起到指示作用，下面就對高輻照地區進行理論上的計算分析。

取年均日照時長1 200 h，輻照度100 W/m2，假設是同一臺設備和裝置，一天消耗水量24.94 t，耗電量433 MJ，在此條件下，通過計算可得到低輻射地區運行該系統的理論能耗值，熱水在供熱管道內的熱損Qloss為7.17×105kJ；系統實際供熱量能量Qspl為5.77×106kJ；熱泵供熱量Qhp為1.73×103kJ；太陽能集熱量Qc為1.01×106kJ；太陽輻照能Qs為5.92×109kJ；Quse為5.06×106kJ；η為1.77。由此可知，即使在極低輻照的情況下，該系統的能效比仍大于1。在極端惡劣天氣條件下，該系統仍能發揮一定的節能減排效果，Mss為8.1135 kg。

3.4 不同地區理論數值比較與經濟分析

將3種輻照度下的數據進行整理，可得表4。

表4 3種輻照度下能耗數據

分別將輻照度與各項能耗值進行數值分析，可得圖12。

圖12 3種輻照度下理論用戶供熱量與輻照度關系

綜合對比可得，高輻照度條件下的系統功效最好，倘若將該系統成功應用在我國高輻照度地區，每天就可以省煤1 222.60 kg標煤。在一般天氣條件下，該系統的能效比就可以達到較高程度，即使是在輻照度較低的惡劣天氣，系統每天仍能減少煤耗量81 kg。

4 結論與展望

能源是各個國家戰略物資的核心，是社會發展的必要物質，當今世界的能源結構仍是以一次能源為主。太陽能無疑是未來能源的前進方向，太陽能覆蓋面積廣，輻射能量大，太陽能技術的發展也逐漸高速高效化。

通過對系統實時運行進行監管監控，將數據進行收集運算，計算出相關能耗，并進行相關分析。發現該系統有優異的運行模式，具有高清潔性和高效性。在日照時長較少地區高輻射度照射情況下，日節煤量高達659.09 kg，能效比達4.67。

本文雖用到了較為先進的太陽能技術和相關的理論支撐，但是仍然具有很大的完善與發展空間。尤其是在以下幾點：

(1)該系統可以進行更優質的完善，可以結合實際運行中存在的問題，以及不同工況，不同天氣條件下的數據分析，對設備材料，管網線路，運行方式都可以進一步優化。

(2)監控系統的儀器精度有待提高，目前來講部分公式仍采用經驗公式，局部參數仍沿用以前的經驗參數，導致部分計算出現誤差。

(3)不僅僅是中國，縱觀世界太陽能資源分布情況，太陽能幾乎覆蓋世界各個角落，然而太陽能和其他新能源的利用率占比不足10%，如何利用太陽能以及改進完善太陽能技術成為一大挑戰。

(4)可以將該系統與氣象局的氣象數據進行結合，便能夠做到預運行和更早更精確的系統管理。

(5)低溫條件下，蒸發器及相關水閥水泵易結霜、凍結，若是能將該問題進行完全解決，太陽能系統的相關應用便能夠進一步普及。