彭嬌嬌,劉光遠,徐春艷

(1.揚州大學環(huán)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(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)性能評估作為檢測熱水系統(tǒng)性能指標的重要手段,可以檢測季節(jié)因素對熱水系統(tǒng)性能的影響,是分析熱水系統(tǒng)全年運行經(jīng)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(tǒng)工程,測試分析該系統(tǒng)夏秋季的供熱水效果,并根據(jù)測定結(jié)果提出相應的優(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,屬于我國太陽能資源的Ⅲ類地區(qū),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(tǒng)簡介

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(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為7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(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行控制,熱水系統(tǒng)采用強制循環(huán);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(jīng)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(xù)通過太陽能循環(huán)集熱,如此反復。

圖1 空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(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?shù)陀谠O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(jié)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(xù)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(tǒng)壓力不足供水不穩(wěn)定,手動開啟增壓泵。

2 測定方案

2.1 測試儀表

本系統(tǒng)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(shù)。日太陽輻射量由太陽能總輻射表TBQ-2根據(jù)熱電感應原理測得電壓信號,由數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A自動采集轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。太陽能循環(huán)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(shù)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(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,用來累積記錄用戶的用水量。

2.3 數(shù)據(jù)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(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總太陽輻射能,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為熱水設計溫度,夏季為50℃,春秋冬季為55℃;t l為進水溫度,℃。

3 測試結(jié)果和分析

該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)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(shù)見表2。根據(jù)初始讀數(shù)進行計算,可以得到7月13日的太陽能循環(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)測試數(shù)據(jù)匯總

7月13日,系統(tǒng)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(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(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(tǒng)在夏秋季節(jié)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(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

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

4 系統(tǒng)運行控制優(yōu)化

在對本工程空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)測試過程中,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制還存在一些不足。為進一步提高系統(tǒng)性能,系統(tǒng)在夏秋季的運行可以從三個方面對控制進行優(yōu)化。

(1)充分利用電費差價政策,調(diào)整熱泵運行時間 目前很多城市商業(yè)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(xù)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(yōu)化供熱水箱補水控制,提高太陽能集熱效率 在測試期間發(fā)現(xiàn),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(huán)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(tǒng)的自動化程度,保持系統(tǒng)運行性能的穩(wěn)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(jīng)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(tǒng)始終處于恒壓、恒溫的狀態(tài),并減少對用戶運行管理的依賴[7]。

5 結(jié)論

本文介紹了空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)在盱眙地區(qū)的應用實例,并測試了該系統(tǒng)運行初期,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,夏秋季太陽能保證率可達80%,系統(tǒng)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(tǒng)、電加熱輔助太陽能熱水系統(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)的控制應結(jié)合當?shù)氐碾娰M政策、用戶的用水特點和氣候特征,進行合理的優(yōu)化:夏秋季節(jié),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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