上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(7): 910-920 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.005

新型电力系统与综合能源

寒冷地区空气源热泵辅助太阳能热水器供暖性能

李金平,1,2,3, 董玉慧1,2,3, 李彩军1,2,3, 代静波1,2,3, 牛轶男1,2,3, NOVAKOVIC Vojislav4

1.兰州理工大学 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点试验室, 兰州 730050

2.兰州理工大学 能源与动力工程学院, 兰州 730050

3.兰州理工大学 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心, 兰州 730050

4.挪威科技大学 能源与过程工程系,挪威 特隆赫姆 7491

Performance of Solar Vacuum Tube Water Heater-Air Source Heat Pump System in Cold Area

LI Jinping,1,2,3, DONG Yuhui1,2,3, LI Caijun1,2,3, DAI Jingbo1,2,3, NIU Yinan1,2,3, NOVAKOVIC Vojislav4

1. Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

2. School of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

3. Collaborative Innovation Center for Supporting Technology of Northwest Low-Carbon Towns, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

4. Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim 7491, Norway

责任编辑: 李博文

收稿日期: 2022-01-5   修回日期: 2022-03-21   接受日期: 2022-05-5  

基金资助: 国家重点研发计划项目(2019YFE0104900)
国家重点研发计划项目(NRC:304191-ENERGIX)
国家自然科学基金项目(51676094)
甘肃省高等学校产业支撑项目(2021CYZC-33)
兰州市人才创新创业项目(2017-RC-34)
兰州市人才创新创业项目(2020-RC-126)

Received: 2022-01-5   Revised: 2022-03-21   Accepted: 2022-05-5  

作者简介 About authors

李金平(1977-),男,教授,博士生导师,主要从事先进可再生能源系统方面的研究;E-mail:lijinping77@163.com

摘要

为提高太阳能热水器供暖的稳定性并大幅降低空气源热泵供暖的成本,提出空气源热泵辅助太阳能真空管热水器供暖构想,在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡绿化村搭建空气源热泵辅助太阳能热水器供暖试验系统,详细研究了晴天、阴天及多云3种典型工况下系统的集热效率、热泵性能系数、系统太阳能保证率和系统能效比等.研究结果表明,晴天、阴天及多云工况下太阳能集热器有效得热量分别为75.5、4.1和49. 2 kW·h,集热效率分别为61.3%、26.6%、55.2%,太阳能热泵平均性能系数(COP)分别为3.6、3.4、3.6,空气源热泵平均COP分别为0、2.9、3.1,系统实际供热量分别为113.4、125.9和124.8 kW·h,系统耗电量分别为33.4、50.5和42.7 kW·h,系统太阳能保证率分别为66.6%、3.3%、39.4%,系统能效比分别为3.4,2.5,2.9.研究证明了太阳能真空管集热器-空气源热泵系统用于寒冷地区供暖的可行性,为寒冷地区供暖提供了一种新途径.

关键词： 太阳能热水器; 空气源热泵; 集热效率; 性能系数; 系统太阳能保证率; 系统能效比

Abstract

To improve the stability of solar heating and reduce the high cost of air source heat pump heating, the idea of air source heat pump assisted solar stable heating was proposed. A solar vacuum tube water heater-air source heat pump system was developed and bulit in Weiling Township, Qilihe District, Lanzhou, Gansu Province. The performance of the system was compared to analyze the heat collection efficiency, heat pump coefficient of performance (COP), solar energy guarantee rate, and energy efficiency ratio under sunny, overcast, and cloudy conditions. The results show that the effective heat obtained by solar energy under sunny, overcast, and cloudy conditions is 75.5 kW·h, 4.1 kW·h, and 49.2 kW·h respectively, the system heat collection efficiency is 61.3%, 26.6%, and 55.2%, the average coefficient of performance(COP) of the solar heat pump is 3.6, 3.4, and 3.6, the average COP of the air source heat pump is 0, 2.9, and 3.1, the actual heat supply of the system is 113.4 kW·h, 125.9 kW·h, and 124.8 kW·h, the system power consumption is 33.4 kW·h, 50.5 kW·h, and 42.7 kW·h, the system solar energy guarantee rate is 66.6%, 3.3%, and 39.4%, and the system energy efficiency ratio is 3.4, 2.5, and 2.9 respectively. The research results prove that the solar vacuum tube collector-air source heat pump system is feasible for heating and provide a new way for heating in cold areas.

Keywords： solar vacuum tube water heater; air source heat pump; heat collection efficiency; coefficient of performance (COP); solar fraction; system energy efficiency ratio

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本文引用格式

李金平, 董玉慧, 李彩军, 代静波, 牛轶男, NOVAKOVIC Vojislav. 寒冷地区空气源热泵辅助太阳能热水器供暖性能[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(7): 910-920 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.005

LI Jinping, DONG Yuhui, LI Caijun, DAI Jingbo, NIU Yinan, NOVAKOVIC Vojislav. Performance of Solar Vacuum Tube Water Heater-Air Source Heat Pump System in Cold Area[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(7): 910-920 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.005

为实现“双碳”目标[1],利用可再生能源降低建筑能耗的制冷、供暖及供生活热水成为了一项重要课题.中国寒冷气候区虽最冷月平均温度为-10~0 ℃,但太阳能资源丰富,年太阳辐射量为 5.86~6.67 GJ/m2[2],因此可利用太阳能集热器将太阳辐射转化为热能进行供暖[3].但因太阳能具有间断性、不稳定性且集热系统易受气候环境因素影响,故需要设置辅助热源来保证系统连续稳定的供热[4].空气源热泵从室外空气取/放热,可实现热水、采暖、供冷一体化,其性能稳定、适用范围广、节能潜力巨大[5-6],具有独特的优势和市场前景[7].但由于空气源热泵在寒冷地区应用时,存在制热性能差、制热效率低[8]、运行成本较高[9]的问题,所以合理集成太阳能集热器与空气源热泵能使两者充分发挥优势,同时弥补各自的缺点[10].

近年来,太阳能集热器与空气源热泵结合的供暖系统成为了研究热点.Xu等[11]在海拉尔利用太阳能空气集热器辅助空气源热泵,并增加储能,系统性能数(COP)高于3.0;Deng等[12]模拟研究了北京农村建筑中用太阳能真空管集热器辅助空气源热泵的经济性,以此建议北京市政府提供一定的财政补贴;王海涛等[13]研究了平板型太阳能集热器辅助空气源热泵系统的太阳能贡献率与供水温度的关系;Xu等[14]在香格里拉及昆明搭建了真空管集热器辅助空气源热泵系统,探索了环境温度、有效集热面积对系统性能的影响与规律;Shan等[15]将整体式太阳能真空管热水器、空气源热泵及阳光间结合运用在北京农村建筑供暖上,太阳能热水器最低利用温度可达25 ℃,大大降低了系统能耗;Long等[16]用瞬时系统模拟程序(TRNSYS)对平板集热器辅助热泵的性能进行研究,验证了混合供热系统的节能特性;Wang等[17]对平板集热器辅助热泵的性能进行试验研究,在热泵水源侧供热和太阳能联合供热模式下,热泵机组的瞬时性能系数达到3.8~4.4,在空气侧供热模式下,瞬时性能系数为1.6~2.2,系统的整体性能系数高达3.1.上述研究的集成方式太阳能集热器往往与水箱分开,采用强制循环进行集热,该设计增大了水泵能耗,系统集成中又多采用太阳能辅助空气源热泵进行供暖,空气源热泵占系统主导地位,未充分利用太阳能.

太阳能真空管热水器将真空管和水箱结合,利用自然循环进行集热[18],技术成熟且具有效率高、防冻性能高、成本相对较低等优点[19],可与空气源热泵结合进行供暖.因此,本文在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡绿化村搭建太阳能真空管热水器-空气源热泵试验系统,利用空气源热泵辅助太阳能真空管热水器供暖,太阳能热水器中水箱与真空管合为一体,减少了集热环节的电量消耗;热泵具有管壳式和与翅片式双蒸发器,管壳式蒸发器与太阳能热水器组成太阳能热泵,将水箱内水温利用下限降至15 ℃,最大限度利用太阳能,减少空气源热泵的使用.详细对比晴天、阴天及多云3种典型工况下该系统的集热效率、热泵性能系数、系统太阳能保证率和系统能效比,为系统应用于寒冷地区供暖提供参考.

1 试验

1.1 试验对象

以甘肃省兰州市七里河区魏岭乡绿化村搭建的太阳能真空管热水器-空气源热泵供暖系统为试验对象.因场地限制,在试验基地中选取一间16 m2的大棚过渡房和一座温室大棚为散热对象,过渡房内使用地暖盘管采暖,温室大棚内使用长220 m的铝塑管进行散热,该铝塑管可用于铺设44 m2地暖盘管,因此散热末端总体相当于布置在60 m2的过渡房内.过渡房长15 m、宽4 m、高2.5 m,其维护结构参数见表1.利用TRNSYS 软件建立建筑采暖负荷计算模型,输入试验建筑的围护结构信息参数,设定采暖季室内环境温度为18 ℃,整个采暖季试验建筑的逐时热负荷变化情况如图1所示.经计算试验建筑总热负荷为 16.374 75 GW·h,日平均采暖负荷为4.52 kW,与系统设计采暖负荷4.26 kW相差不大,可作为替代建筑进行试验.

表1   建筑维护结构基本信息

Tab.1  Basic information of building maintenance structure

围护结构材料类型厚度/
mm		导热系数λ/
[W·(m·K)-1]
墙体内外表面水泥砂浆50.93
外墙多孔砖2400.6
屋顶双面彩钢泡沫夹芯复合板1000.422
门普通钢制801.5
窗普通中空玻璃33.1

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图1

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图1   整个采暖季试验建筑的逐时热负荷

Fig.1   Hourly heat load of building in heating season


太阳能真空管集热器-空气源热泵采暖系统原理图如图2所示.太阳能子系统由7组竖管式全玻璃真空管太阳能热水器串联组成,每组集热器主要由30支直径为58 mm、长为 1800 mm的全玻璃真空管和一个300 L储热水箱组成,采光面积约为3.07 m2,全玻璃真空管太阳能集热器阵列的总采光面积约为21.5 m2,集热器方位角为南偏西约3°,集热平面与水平面夹角为45°. 热泵子系统为TCHY-3G/SL型双源热泵机组,可通过管壳式蒸发器与太阳能集热阵列组成太阳能热泵,也可通过翅片式蒸发器以空气源热泵形式单独运行,热泵额定制热量为10.8 kW.

图2

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图2   太阳能真空管热水器-空气源热泵系统

Fig.2   System of solar vacuum tube water heater-air source heat pump


系统运行策略的制定是太阳能能否实现最大限度利用的关键,系统运行的控制逻辑图如图3所示,M1~M4为电磁阀.系统的运行策略为:优先检测室内温度T0,当T0>23 ℃时,建筑不需要供暖,系统处于停运状态;当T0<18 ℃时开始供暖,此时检测水箱温度Ttank;当Ttank>35 ℃时采用太阳能直供模式进行供暖;当15 ℃≤Ttank≤35 ℃时采用太阳能热泵模式进行供暖;当Ttank<15 ℃时采用空气源模式进行供暖.

图3

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图3   系统控制逻辑图

Fig.3   Logical diagram of system running procedure


1.2 测量参数与仪器

利用Agilent 34970A数据采集仪对太阳辐照度、环境温度、室外风速、储热水箱温度、太阳能热泵蒸发器进出口温度、末端进出口温度、太阳能热泵蒸发器循环流量、末端供暖流量、水泵功率、热泵功率等测量参数进行自动采集和记录,自动采集和记录间隔为10 s,测试期为2021年11月15日至2021年12月15日,具体测量参数和仪器信息见表2.

表2   测量仪器的型号及技术参数

Tab.2  Types and technical parameters of measuring instruments

设备型号规格参数厂商
HJF-S3风速仪量程:0~70 m/s,精度:±0.3%锦州天诺环能仪器有限公司
JTBQ-2太阳总辐射表量程:0~2 kW/m2,精度:±2%,灵敏度:7~14 μV/(W·m2)锦州天诺环能仪器有限公司
LWGY-MIK-DN25-C流量计输出信号:4~20 mA,量程:0~1 m3/h,精度:±1.0%杭州美控自动化技术有限公司
Pt100温度传感器量程:-50~150 ℃,精度:A级杭州美控自动化技术有限公司
DFM-W-AC-D-P1功率表输出信号:4~20 mA,量程:0~1.1 kW,精度:±0.4%创鸿仪表有限公司
DSW-9603-A-B功率表输出信号:4~20 mA,量程:0~44 kW,精度:±0.4%创鸿仪表有限公司

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2 性能评估

太阳能真空管集热器-空气源热泵系统由太阳能子系统与热泵子系统两部分构成.太阳能子系统收集太阳辐射能量储存在蓄热水箱中,太阳能热泵将水箱中低温热水转化为高温热水,空气源热泵将空气中低品位热能转化为高品位热能,两种热源联合运行满足了冬季建筑室内采暖需求.因此,需要从太阳能子系统、热泵子系统及复合供热系统3个方面对该系统性能进行评价.

2.1 太阳能子系统性能评价指标

通常采用太阳能集热器集热效率评价太阳能集热系统集热性能,太阳能集热器集热效率指太阳能集热器有效集热量与集热器吸收的太阳辐射之比.

太阳能集热器组有效集热量[20]为

Qs=∑ cMΔTtankΔτ+cM'(Tt,out-Tt,in)τ

式中:c为水的比热容,为 4 187 J/(kg· ℃);M为太阳能集热器组储热水箱贮水量,为2100 kg;M'为热水流量;Tt,out为水箱出口温度;Tt,in为水箱进口温度;τ为集热时长.

太阳能热水器组日平均集热效率[20]为

ηPV¯=Qs∑ItAsτ

式中:It为太阳能集热器组采光面接收到的瞬时太阳辐射强度;As为太阳能集热器组集热面积,为21.5 m2.

2.2 热泵子系统性能评价指标

热泵机组冬季采暖运行性能评价指标为实际运行工况下热泵机组的制热性能系数计算公式[21]为

λCOP=Qh/Wh

式中:Qh为热泵机组实际制热量;Wh为压缩机的耗电量.

Qh=cM'(Tc,out-Tc,in)

式中:Tc,in为冷凝器进口温度;Tc,out为冷凝器出口温度.

2.3 复合供热系统性能评价指标

采用太阳能保证率与系统能效比对整个系统的性能进行评价.

太阳能保证率指在整个采暖季中,太阳能集热系统有效利用热量与建筑所需负荷之比[21],即

f=Qs/Q

式中:f为太阳能保证率;Q为建筑冬季采暖热负荷.

Q=cM'(Tm,out-Tm,in)

式中:Tm,out为末端出口温度;Tm,in为末端进口温度.

系统能效比(SEER)指复合系统采暖季实际供热量与系统能耗的比值[21] :

ηSEER=Qa/W

式中:W为系统能耗;Qa为复合系统采暖季实际供热量,即

Qa=Qs+Qh

3 试验结果分析

试验详细对比了晴天、阴天及多云3种典型工况下系统的集热效率、热泵性能系数、系统太阳能保证率和系统能效比.性能评估时测量参数与计算参数如表3所示.

表3   测量参数与计算参数对应表

Tab.3  Corresponding table of measured and calculated parameters

计算参数测量参数测量仪器
太阳能集热器组有效利用热量,Qs热水流量,M'流量计
储热水箱温度,Ttank温度传感器
水箱出口温度,Tt,out温度传感器
水箱进口温度,Tt,in温度传感器
太阳能热水器组日平均集热效率,η-PV太阳能集热器组采光面接收到的瞬时太阳辐射强度,It太阳辐射仪
热泵机组实际制热量,Qh热水流量,M'流量计
冷凝器进口温度,Tc,in温度传感器
冷凝器出口温度,Tc,out温度传感器
热泵, λCOP压缩机的耗电量,Wh功率表
建筑冬季采暖热负荷,Q热水流量,M'流量计
末端进口温度,Tm,in温度传感器
末端出口温度,Tm,out温度传感器
太阳能保证率,f——
系统能效比, ηSEER系统能耗,W功率表

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3.1 晴天工况

2021年12月5日0:00—24:00的太阳辐射强度(I)、环境温度及风速(v)随时间的变化曲线如图4所示.当日平均太阳辐射强度为581.5 W/m2时,累计太阳辐射量为123.1 kW·h,最高环境温度为10.32 ℃,最低环境温度为-9.3 ℃,平均温度为-0.3 ℃.

图4

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图4   晴天时太阳辐射强度、环境温度及风速随时间的变化

Fig.4   Solar radiation intensity, ambient temperature, and wind speed versus time on a clear day


当日水箱温度随太阳辐射强度及环境温度变化而变化的曲线如图5所示.根据系统运行策略,0:00—14:15太阳能热泵模式供暖,14:15—23:59 太阳能直供模式供暖,两种模式供暖时长分别为18.4、5.6 h.由此可见,太阳辐射强度、环境温度及供暖模式对水箱温度影响较大.夜间,水箱中的热量以热对流的方式传递给太阳能热泵蒸发器或供暖末端,水箱温度持续降低;白天,由于太阳辐射增强,真空管以热辐射的方式吸收太阳能并转换为热能,由于自然循环作用,真空管内热流体不断上升持续加热水箱内的水,水箱温度逐渐升高,当太阳辐射强度低于120 W/m2时,水箱温度不再上升.根据式(1)和式(2)分析太阳辐射强度大于120 W/m2时段太阳能热水组光热转化性能,得出此时段太阳能热水器组向太阳能热泵及供暖末端输送27.7 kW·h的热量,水箱中水的内能增加47.8 kW·h,太阳能集热器有效得热量为75.5 kW·h,基于采光面的日平均集热效率为61.3%.

图5

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图5   晴天时水箱温度随太阳辐射强度及环境温度的变化

Fig.5   Tank temperature versus solar radiation intensity and ambient temperature on a clear day


太阳能热泵每隔1 h除霜一次,除霜时间约为8 min,热泵除霜遵循逆卡诺循环原理,通过四通换向阀使得冷凝器与蒸发器的作用互换,根据式(4)计算可知,热泵制热量出现周期性变化,除霜后热泵制热量同样呈现较大波动,如图6所示,P为热泵制热量.正常情况下热泵制热量稳定在5.5~6.0 kW,每次除霜之后热泵COP相对较高,但总体上热泵COP随着水箱温度的升高而升高,当天热泵机组 COP 稳定在 3.1~4.2,平均COP为3.6.

图6

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图6   晴天时热泵制热量和COP的变化

Fig.6   Heat and COP of heat pump on a clear day


供回水温度、蒸发器进出口温度随水箱温度及环境温度的变化如图7所示,可见水温变化与系统供暖模式选择密切相关.太阳能热泵工作时,因热泵除霜的周期性变化,供回水温度及蒸发器进出口温度也呈周期性变化,此时供回水温度较高,其温差稳定在8 ℃左右,机组运行稳定;太阳能直接供暖时,供回水温差相对较低,直供初期与末期供回水温差较小,但仍保持在5 ℃以上,机组运行稳定.由图7可知,13:00时水箱温度超过30 ℃,环境温度超过5 ℃,此时太阳能热泵供水温度可达45 ℃,因此可以调整为空气源热泵运行,使水箱进入蓄热阶段.

图7

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图7   晴天时温度随时间的变化

Fig.7   Temperature versus time on a clear day


经计算,当日系统供热量为113.4 kW·h,系统的太阳能保证率为 66.6%,总能耗为33.4 kW·h,系统能效比达3.4.

3.2 阴天工况

2021年12月10日0:00—24:00的太阳辐射强度、环境温度及风速随时间变化而变化的曲线如图8所示.当日平均太阳辐射强度为86.0 W/m2时,累计太阳辐射量为15.4 kW·h;最高环境温度为7.3 ℃,最低环境温度为-0.4 ℃,平均温度为1.7 ℃.

图8

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图8   阴天时太阳辐射强度、环境温度及风速随时间的变化

Fig.8   Solar radiation intensity, ambient temperature, and wind speed versus time on a overcast day


当日水箱温度随太阳辐射强度及环境温度变化而变化的曲线如图9所示.根据系统运行策略,0:00—6:21、15:00—19:38为太阳能热泵供暖,6:21—15:00、19:38—23:59为空气源热泵供暖,两种模式供暖时长分别为11、13 h.可知,太阳辐射强度、环境温度及供暖模式对水箱温度影响较大.0:00—6:21,水箱中的热量通过热对流传递给太阳能热泵蒸发器,水箱温度持续降低;6:21时空气源热泵运行,水箱除自身散热损失外不再对外放热,实际过程中由于无任何遮挡,第4个水箱温度最高,前排水箱中温度较高的热水流经最后一个水箱,水箱温度有缓慢上升的趋势,空气源热泵运行均出现此种情况;之后,由于太阳辐射增强,水箱温度逐渐升高.根据式(1)和式(2)分析太阳辐射强度高于120 W/m2时段太阳能热水组光热转化性能,此时段太阳能热水器组向太阳能热泵及供暖末端输送热量为0,水箱中水的内能增加4.1 kW·h,太阳能集热器有效得热量为4.1 kW·h,基于采光面的日平均集热效率为26.6%.

图9

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图9   阴天时水箱温度随太阳辐射强度及环境温度的变化

Fig.9   Tank temperature versus solar radiation intensity and ambient temperature on a overcast day


太阳能热泵每隔1 h除霜一次,除霜时间约为8 min,热泵除霜遵循逆卡诺循环原理,通过四通换向阀使得冷凝器与蒸发器的作用互换,根据式(4)计算可知,热泵制热量出现周期性变化,除霜后热泵制热量也呈现较大波动,如图10所示.正常情况下太阳能热泵制热量稳定在5.5~6.0 kW,空气源热泵制热量波动较大,在5.5~6.5 kW之间;每次除霜之后热泵COP相对较高.空气源热泵切换到太阳能热泵时热泵COP的变化如图11所示.可以看出,总体上太阳能热泵COP高于空气源热泵,太阳能热泵COP 稳定在 2.1~4.3,平均COP为3.4;空气源热泵COP 稳定在 2.2~3.8,平均COP为2.9.

图10

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图10   阴天时热泵制热量和COP的变化

Fig.10   Heat and COP of heat pump on a overcast day


图11

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图11   阴天时空气源-水源切换COP的变化

Fig.11   Change of COP when air source switched to water on a overcast day


供回水温度、蒸发器进出口温度随水箱温度及环境温度的变化如图12所示.由图可见,水温变化与系统供暖模式选择密切相关.供回水温度随热泵除霜呈周期性变化;蒸发器进出口温度在太阳能热泵工作期间呈周期性变化,进口温度与水箱温差保持在 2 ℃,进出口温差保持在7 ℃左右;蒸发器进出口温度在空气源热泵工作期间随水箱温度升高而升高,其进口温度与水箱温差保持在2 ℃左右.太阳能热泵工作期间水箱温度逐渐降低,空气源热泵工作期间水箱温度稍微升高.太阳能热泵工作期间水箱最高温度为26.8 ℃,最低为15.0 ℃;空气源热泵工作期间环境最高温度为7.3 ℃,最低为-0.4 ℃.太阳能热泵供暖时供回水温度较高,供回水温差稳定在8 ℃左右,机组运行稳定;空气源热泵供水温度随环境温度升高而升高,供回水温差变化相对较大,机组运行稳定.

图12

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图12   阴天时温度随时间的变化

Fig.12   Temperature versus time on a overcast day


经计算,当日系统供热量为125.9 kW·h,系统的太阳能保证率达 3.3%,总能耗为50.5 kW·h,系统能效比达2.5.

3.3 多云工况

2021年12月15日0:00—24:00的太阳辐射强度、环境温度及风速随时间的变化曲线如图13所示.当日平均太阳辐射强度为451.8W/m2,累计太阳辐射量为89.1 kW·h;最高环境温度为8.3 ℃,最低环境温度为-8.9 ℃,平均温度为-3.4 ℃.

图13

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图13   多云时太阳辐射强度、环境温度及风速随时间的变化

Fig.13   Solar radiation intensity, ambient temperature, and wind speed versus time on a cloudy day


当日水箱温度随太阳辐射强度及环境温度的变化曲线如图14所示.根据系统运行策略,0:00—7:31、11:28—15:41、16:11—23:59 太阳能热泵供暖,7:31—11:28 空气源热泵供暖,15:41—16:11 太阳能直供,3种模式供暖时长分别为19.5、4、0.5 h.太阳辐射强度、环境温度及供暖模式对水箱温度影响较大.0:00—7:31,水箱中的热量通过热对流传递给太阳能热泵蒸发器,水箱温度持续降低;7:31 时空气源热泵运行,随水箱温度随太阳辐射的逐渐增强而逐渐升高.根据式(1)和(2)分析太阳辐射强度高于120 W/m2时段太阳能热水组光热转化性能,此时段太阳能热水器组向太阳能热泵及供暖末端输送14.3 kW·h的热量,水箱中水的内能增加34.9 kW·h,太阳能集热器有效得热量为49.2 kW·h,基于采光面的日平均集热效率为55.2%.

图14

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图14   多云时水箱温度随太阳辐射强度及环境温度的变化

Fig.14   Tank temperature versus solar radiation intensity and ambient temperature on a cloudy day


太阳能热泵每隔1 h除霜一次,除霜时间约为8 min,热泵除霜遵循逆卡诺循环原理,通过四通换向阀使得冷凝器与蒸发器的作用互换,根据式(4)计算,热泵制热量出现周期性变化,除霜后热泵制热量也呈现较大波动如图15所示,每次除霜之后热泵COP相对较高.太阳能热泵切换到空气源热泵时热泵COP的变化如图16所示.由图可见,太阳能热泵COP高于空气源热泵,且稳定在 2.1~4.9,平均COP为 3.6;空气源热泵COP 稳定在 2.3~3.9,平均COP为 3.1.

图15

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图15   多云时热泵制热量和COP的变化

Fig.15   Heat and COP of heat pump on a cloudy day


图16

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图16   多云时太阳能热泵切换到空气源热泵时热泵COP的变化

Fig.16   Change of COP when water switched to air on a cloudy day


供回水温度、蒸发器进出口温度随水箱温度及环境温度的变化如图17所示,可见水温变化与系统供暖模式选择密切相关.热泵工作期间供回水温度随除霜的进行呈周期性变化,供水温度总体大于40 ℃,供回水温差保持在8 ℃左右;切换直供模式时供回水随水箱温度变化,因此温度突然降低,但仍保持在35 ℃;蒸发器进出口温度在太阳能热泵工作期间呈周期性变化,进出口温差保持在7 ℃左右,在空气源热泵工作期间随水箱温度的变化而变化.太阳能热泵工作期间水箱最高温度为34.9 ℃,最低为15.0 ℃;空气源热泵工作期间环境最高温度为2.8 ℃,最低为-7.7 ℃,供回水温度随着环境温度的升高而升高;15:30时水箱温度达到32.2 ℃,供水温度可达51.0 ℃,此时环境温度较高,可采用空气源热泵供暖,太阳能水箱蓄热方式,尽可能早的使水箱温度达到35 ℃,采用直供方式进行供暖.

图17

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图17   多云时温度随时间的变化

Fig.17   Temperature versus time on a cloudy day


经计算,当日系统供热量为124.8 kW·h,系统的太阳能保证率达 39.4%,总能耗为42.7 kW·h,系统能效比达2.9.

4 系统效益分析

系统效益主要表现为系统的节能性、经济性与环保性,系统通过吸收太阳能、空气能及部分电能来满足用户需求,其中系统耗电量是决定系统效益的直接因素.由于晴天、阴天、多云3种典型工况下太阳能直供模式、太阳能热泵供暖模式、空气源热泵供暖模式的占比不同,故系统耗电量存在明显差异.各运行模式的平均耗电量分别为175 W、1.778 kW、2.257 kW,因此直供模式运行时间越长,系统耗电量越少,系统效益越高.以试验期间系统日平均供热量与耗电量来预测整个供暖季的供电量与耗电量,进而确定系统效益.

4.1 节能性评价指标

节能性是指设计的系统相对于常规建筑冬季采暖方式的一次能源节能率.常规建筑采暖为燃煤,故将能耗量折合成标准煤的消耗量[21],则

Q'= QaηSEERηeηenet

式中:Q'为系统一次能源消耗量;ηe为电网平均发电效率,取35%;ηenet为市政电网路线输送效率,取92%.系统日平均供热量为117.1 kW·h,耗电量为36.5 kW·h,故整个供暖季的供热量为 17.682 MW·h,耗电量为5.512 MW·h.由式(9)可得,整个供暖季系统一次能源消耗量为17.160 MW·h,系统节能量为11.648 9 MW·h,因此系统一次能源节约率为67.9%.

4.2 经济性评价指标

采用投资回收期法对系统进行经济性评价,静态投资回收期指采用本系统产生的投资费用与以本系统作为供暖设施后与采用燃煤供暖节省的运行费用的比值:

N=C/Y

式中:N为系统投资回收期;C为系统初投资;Y为每年运行节省费用.

在整个采暖季,系统一次能源消耗量为 17.160 MW·h,按照产生1 kW·h 需要0.32 kg 标煤计算,需消耗标准煤 5 491.3 kg,按照标准煤价格 1 500 元/t 计算,整个采暖季燃煤费用为 8 237元;整个供暖季耗电量为 5.511 5 MW·h,按居民电价 0.5 元/kW·h[22]计算,整个采暖季电费为 2 756 元,因此整个采暖季系统可节省费用 5 481元.系统初投资为3.7万元,投资回收期为6.75 a.

为了研究集热器成本、热泵成本、电价、太阳能直供模式运行时间的变化对投资回收期的影响程度,将某一参数数值增大或减小5%和10%,其他参数保持不变,分析投资回收期对此参数变化的敏感性.

系统的投资回收期随集热器成本、热泵成本和电价的增大而增大,随直供时长的增大而减小,如图18所示.热泵成本是影响最大的经济性参数,热泵成本在基准上降低10%,投资回收期缩短8.3%,在系统已经确定的情况下,直供时长在基准上增加10%,投资回收期缩短3.6%,因此可借助运行策略的优化尽可能延长直供时间.

图18

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图18   经济参数变化时的投资回收期

Fig.18   Payback period versus economic parameters


4.3 环保性评价指标

采用二氧化碳碳减排量作为系统的环保性评价指标,计算公式如下:

Wc=Q″θ

式中:Wc为二氧化碳排放量;Q″为节煤量; θ为碳排放系数,煤炭取2.77.

由4.1节可知,系统一次能源节能量为11.648 9 MW·h,转化为标准煤为3 727.7 kg,由式(11)计算得出二氧化碳减排量为10 325.6 kg.

5 结论

以太阳能真空管热水器-空气源热泵为研究对象,详细对比了在晴天、阴天及多云3种典型工况下,系统的集热效率、热泵性能系数、太阳能保证率和能效比,结果表明:

(1) 系统在晴天、阴天及多云工况下3种运行模式使用时长分别为太阳能直供5.6、0、0.5 h,太阳能热泵供暖18.4、11、19.5 h,空气源热泵供暖0、13、4 h;3种工况下集热器有用的热量分别为75.5、4.1和49.2 kW·h;集热效率分别为61.3%、26.6%、55.2%;太阳能热泵平均COP分别为3.6、3.4、3.6;空气源热泵平均COP分别为0、2.9、3.1;系统供热量分别为113.4、125.9和124.8 kW·h;系统耗电量分别为33.4、50.5和42.7 kW·h;系统太阳能保证率分别为66.6%、3.3%、39.4%;系统能效比分别为3.4、2.5、2.9.

(2) 系统3种模式的耗电量从小到大依次为太阳能直供模式、太阳能热泵模式、空气源热泵模式,3种模式交替使用较单独使用空气源热泵运行能耗低.

(3) 整个采暖季系统的一次能源节能率为67.9%,投资回收期为 6.75 a,二氧化碳减排量达10 325.6 kg.由此可见,该系统节能效益、经济效益、环保效益均具有明显优势.

(4) 在本文运行策略下,空气源热泵通常在凌晨低温环境下运行,可调整太阳能热泵与空气源热泵的使用时段,以提高蓄热水箱水温及空气源热泵COP.运行策略的改变有望进一步提升太阳能真空管热水器-空气源热泵系统性能,值得进一步研究.

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