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        太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱泵加熱容量計(jì)算方法探討

        2015-03-30 03:19:42胡明輔張夏一
        節(jié)能技術(shù) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:耗熱量熱泵水箱

        王 放,胡明輔,張夏一

        (昆明理工大學(xué) 太陽能工程研究所,云南 昆明 650500)

        0 引言

        近年來,太陽能熱水系統(tǒng)以其綠色、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于生活及生產(chǎn)中,在系統(tǒng)中添加輔助能源較好地解決了單純太陽能熱水系統(tǒng)在陰雨天及冬季供熱不穩(wěn)定[1]的問題。同時(shí),熱泵技術(shù)因其高效節(jié)能的特點(diǎn),彌補(bǔ)了太陽能熱水系統(tǒng)的不足,是常用的輔助能源[2-3]。

        羅會(huì)龍、鐘浩[4-5]等人近幾年對昆明地區(qū)的空氣源熱泵輔助加熱的太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了性能和實(shí)驗(yàn)研究,得出該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力,其COP 值較高。魏寶林[6]等人針對初期投資一樣的太陽能熱水系統(tǒng),研究了不同輔助加熱方式的運(yùn)行費(fèi)用,結(jié)果表明:空氣源熱泵輔助加熱方式,在環(huán)境溫度高于-10℃的地區(qū)具有明顯優(yōu)勢。盡管對輔助熱泵的性能進(jìn)行了許多探討,但目前在熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,熱泵的容量設(shè)計(jì)缺少相關(guān)設(shè)計(jì)理論依據(jù),基本上沿用單純常規(guī)能源加熱的設(shè)計(jì)方法,或由太陽能廠商根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),熱泵加熱容量與實(shí)際應(yīng)用不匹配:若加熱容量設(shè)計(jì)過大,則熱泵投資加大;若加熱容量設(shè)計(jì)不足,則不能滿足陰雨天時(shí)系統(tǒng)熱水負(fù)荷需求。本文基于單水箱太陽能熱水系統(tǒng),通過分析設(shè)計(jì)小時(shí)供水量和水箱內(nèi)儲(chǔ)熱區(qū)大小的關(guān)系,研究熱泵加熱容量的計(jì)算方法。

        1 太陽能熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)的溫度分布分析

        如圖1 所示,太陽能熱水系統(tǒng)由水箱、補(bǔ)水箱、集熱器(未畫出)、熱泵及管件等組成。

        圖1 太陽能熱水系統(tǒng)的組成

        一般情況下,太陽能熱水系統(tǒng)水箱中的熱量由太陽能和輔助熱泵兩部分提供。計(jì)算輔助熱泵的加熱容量,應(yīng)該考慮熱泵最大的熱負(fù)荷情況。因此,本文假設(shè)在極端天氣條件(連續(xù)陰雨天氣)下,系統(tǒng)中太陽能部分不提供熱量,所有熱量都由輔助熱泵提供,即忽略集熱器上下循環(huán)管循環(huán)工作對水箱溫度的影響。對本文所討論的水箱內(nèi)溫度分布做出如下分析:

        在最大供水時(shí)段前一刻,水箱根據(jù)溫度分布從上到下分為A、B 兩個(gè)區(qū)域[7],其高度分別為h1、h2,水箱總高度為H,則A、B 區(qū)的無量綱高度分別為,A 區(qū)為儲(chǔ)熱水區(qū),充滿溫度為tr的熱水;B 區(qū)為熱泵循環(huán)區(qū),其中具有明顯溫度分層[8],上界面溫度為tr。

        2 太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱泵加熱量的優(yōu)化計(jì)算

        2.1 太陽能熱水系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算

        水箱容積按系統(tǒng)日平均用水量計(jì)算[9-10]

        系統(tǒng)日耗熱量[11]

        系統(tǒng)平均小時(shí)耗熱量

        設(shè)計(jì)小時(shí)供水量

        式中 qw——系統(tǒng)日平均用水量/m3;

        tr——設(shè)計(jì)熱水溫度/℃;

        tl——設(shè)計(jì)冷水溫度/℃;

        c——水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1;

        ρ——水的密度/kg·m-3;

        Kh—熱水小時(shí)變化系數(shù)。容積式太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量[12]通過下式確定

        式中 Qh——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量/kJ·h-1;

        η——有效貯熱容積系數(shù);

        Vr——總貯熱容積/m3;

        T——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間/h,T=2 ~4 h。

        2.2 輔助熱泵加熱容量計(jì)算

        輔助熱泵加熱容量的計(jì)算采用容積式太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源的計(jì)算方法,設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量由A區(qū)已有熱量以及熱泵加熱量提供,水箱內(nèi)熱泵加熱區(qū)的溫度分層不變。這樣既保證了在最大供熱時(shí)段滿足負(fù)荷要求,也保證了最大供熱時(shí)段過后,水箱內(nèi)的溫度分層條件仍然能夠保證熱泵所產(chǎn)熱水可持續(xù)使用。

        那么由輔助熱泵加熱的水量為

        該部分水量加熱到設(shè)計(jì)熱水溫度tr所需的熱量,即熱泵加熱容量為

        2.3 與平均小時(shí)耗熱量的比較

        在上文假設(shè)的極端天氣條件下,將上述熱泵加熱容量與系統(tǒng)平均小時(shí)耗熱量之比表示為

        該比值反映了在連續(xù)陰雨天氣下,熱泵作為唯一熱源時(shí)要滿足系統(tǒng)日耗熱量所需的運(yùn)行時(shí)間的長短(假設(shè)該比值為3,則熱泵運(yùn)行時(shí)間為24/3 =8 h)。

        3 應(yīng)用示例

        某太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)日平均耗水量qw=10 m3,設(shè)計(jì)熱水溫度tr=55℃,設(shè)計(jì)冷水溫度tl=15℃,熱水小時(shí)變化系數(shù)[13]Kh=4.5,水的比熱容c=4.187 kJ/(kg·℃),密度為ρ=1.0 ×103kg/m3。

        3.1 示例計(jì)算

        將上述參數(shù)代入式(2)、式(3)、式(4)中,計(jì)算可得系統(tǒng)日耗熱量Qd=1 674 800 kJ,系統(tǒng)平均小時(shí)耗熱量Qj= 69 783 kJ/h,設(shè)計(jì)小時(shí)耗水量qh=1.875 m3。

        再將上述結(jié)果代入式(7)、式(8)中,在設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間T 分別為2 h、3 h、4 h 時(shí),對應(yīng)不同儲(chǔ)熱區(qū)大小的熱泵加熱容量Q'g,及其與系統(tǒng)平均小時(shí)耗熱量的比值Q'g/Qj計(jì)算結(jié)果列表如表1、表2、表3。

        表1 T=2 h 時(shí)不同儲(chǔ)熱區(qū)大小的計(jì)算結(jié)果

        表2 T=3 h 時(shí)不同儲(chǔ)熱區(qū)大小的計(jì)算結(jié)果

        表3 T=4 h 時(shí)不同儲(chǔ)熱區(qū)大小的計(jì)算結(jié)果

        3.2 計(jì)算結(jié)果的說明與分析

        (1)α 的取值與熱泵上循環(huán)口位置有關(guān),如果忽略熱泵熱水與水箱內(nèi)熱水反混的因素,該管口以上的熱水溫度應(yīng)該是均勻的,都是水箱內(nèi)的最高溫度,也是熱泵的出水口的溫度。

        (2)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間T 一定時(shí),α 的取值越小,輔助熱泵的加熱容量Q'g和Q'g/Qj的比值越大。若儲(chǔ)熱區(qū)所占水箱容積較小,則系統(tǒng)供熱水彈性比較小,需要設(shè)計(jì)較大的熱泵容量,增加了設(shè)備投資。當(dāng)然,熱泵加熱容量Q'g越大,熱泵需要運(yùn)行的時(shí)間越短。

        (3)α 的取值一定時(shí),設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間T 越長,輔助熱泵的加熱容量Q'g和Q'g/Qj的比值越大。同上所述,設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間T 越長,在該時(shí)段所需熱量越多,則熱泵加熱容量Q'g相應(yīng)增大才能滿足需求,熱泵需要運(yùn)行的時(shí)間相應(yīng)減少。

        (4)根據(jù)以上計(jì)算分析,一般取α = 0. 20 ~0.25,Q'g/Qj=3 比較合適,即在連續(xù)陰雨條件下,當(dāng)熱泵成為單一熱源時(shí)熱泵日運(yùn)行時(shí)間為8 h。

        4 總結(jié)

        通過分析連續(xù)陰雨天氣下單水箱太陽能系統(tǒng)水箱內(nèi)的溫度分布,采用容積式太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源的計(jì)算方法,計(jì)算所需熱量與水箱內(nèi)可利用儲(chǔ)熱量之差,得到輔助熱泵加熱量的計(jì)算公式,并得到其與平均小時(shí)耗熱量的比值。本研究對于太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中輔助熱泵的設(shè)計(jì)選型具有理論指導(dǎo)的意義。

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