太阳能与热泵联合供热如何充分利用太阳能

摘 要: 太阳能与热泵机组混合式供热水系统充分利用了太阳能和热泵机组供热水各自的优点, 可实现稳定的热水供应并节约能源; 本文提出了在混合式供热水系统设计和运行控制方面的一些看法, 对于供热水的空气源热泵化霜也进行了讨论, 可供具体工程作参考。

关键词: 太阳能; 热泵; 热水供应; 控制; 化霜

中图分类号：TK511文献标识码： A 文章编号：

0 引 言

热水供应占据了家庭及商业用户能源消耗中的一大部分。在世界大多数家庭能量需求中, 约有1/4 ～1/3来源于对热水的需求, 例如日本, 1999 年家用热水能耗已占家庭总能耗的34% 。由于近年来, 人们生活习惯的改变和生活质量的提高, 住宅和专用建筑物越来越重视热水供应。目前国内家庭日常生活中所需要的热水, 大部分均通过专门的热水器( 如电热水器、燃气热水器等) 获得。这些装置都是用高品位的能量来换取同等数量的低品位热量, 不符合现代节能的原则。

这就使研究开发新型热水系统为家庭、宾馆等洗浴用户提供温度为40～50℃的生活热水显得非常有意义。

1 太阳能热泵供热水系统

太阳能是地球上一切能量的主要来源, 也是一种无污染的、安全的、无穷无尽的自然能源。在能源和环境形势日益严峻的今天, 太阳能作为一种具有代表性的新能源, 被认为是21 世纪以后人类可期待的、最有希望的能源, 并得到了越来越广泛的重视。太阳能热水器因其节能、环保的优势在我国得到了迅猛发展。2003年全国太阳能热水器保有量达4000 万㎡, 其产销量和安装面积居世界第一。

但是, 太阳能本身所固有的低密度、不稳定性和间断性等缺点, 加上太阳能集热器件与建筑结构不匹配等突出问题, 大大限制了其规模化的开发和利用。常规的太阳能热水器受气候条件影响较大, 在热水需求量最大的冬天, 太阳所辐射的能量比夏天少得多, 导致热量供需成为固有矛盾; 由于太阳低沉而减弱的太阳辐射, 进一步受到大雾迷漫、连日阴雨等天气因素的影响, 因此地面上所能得到的辐射能量是极其有限的; 受建筑结构影响, 太阳能热水器的安装也有一定限制, 购买成本及维护成本均较高。

热泵式热水器, 以消耗一部分电能为代价( 补偿) ,通过热力循环, 把环境介质水、地热源、空气等中贮存的能量( 热量) 加以发掘利用, 用来生产热水。从本质上看, 它的工作原理与制冷机相同, 都按逆循环工作, 所不同的是它们工作的温度范围和要求的效果不同。制冷装置是将低温物体的热量传递给环境, 以产生低温环境; 热泵热水器则是从自然环境中吸取热量, 并将它传递给水以产生热水。

基本型蒸汽压缩式热泵热水器主要由压缩机、带有冷凝管的热水器( 相当于制冷循环的冷凝器) 、膨胀阀、蒸发器和温度控制装置等组成。

热泵由于能实现把低温位的热能输送至高温位的功能, 能大量利用自然资源和余热资源中的热量, 有效节省了采暖、空调、供热水和工业加热所需的一次能源。将太阳能的热利用与热泵技术有机结合起来, 弥补常规太阳能热利用方式的不足, 充分发挥各自的优势, 已成为其中一个重要的研究方向。

2 太阳能与热泵混合式供热水系统设计

太阳能热泵混合系统是在原来常用的太阳能强制循环形式的基础上, 增加一套热泵系统。

图1太阳能热汞混合式供热水系统

2.1 系统工作原理

本系统适合于间歇供热水场合, 有两种不同的工作模式: 1) 当太阳辐射强度足够大时, 不需要开启热泵, 直接利用太阳能即可满足要求; 2) 当太阳辐射强度很小, 以至水箱中的水温很低时, 开启热泵, 使其以空气为热源进行工作。

2.2 系统控制

(1) 太阳能定温放水。光照条件下, 当集热器内水温达到温控仪下限设定值时( 取50℃) , 定温温控仪使定温电磁阀自动打开, 自来水进入集热器, 并将集热器内达到设定温度的热水顶入贮热水箱; 当集热器内水温低于设定值时, 定温温控仪使定温电磁阀自动关闭。

(2) 贮热水箱水满时, 太阳能定温循环加热。当贮热水箱水满时, 水位仪使系统自动转入定温循环, 水位仪自动切断定温电磁阀, 而使定温温控仪自动转入上限设定( 70℃) 。当集热器内水温达到上限设定值时, 定温温控仪使定温循环水泵自动启动, 将水箱内较低温度的水打入集热器, 而将集热器内达到上限温度的高温热水顶入贮热水箱; 当集热器内水温低于上限设定值时, 定温温控仪使定温电磁阀自动关闭。

(3) 水泵强制循环。当散热原因, 造成贮热水箱水温低于需要温度时, 可在晴天下将循环水泵转换开关扳到手动位置, 此时循环水泵启动, 其太阳能加热功能自动切断, 使贮热水箱内的水和太阳能集热器内的水形成强制循环加热, 当达到需要温度时, 将循环水泵转换开关扳到自动位置, 其太阳能加热功能自动恢复。

(4) 热泵辅助加热。当太阳能产热量不足时, 可以手动按下热泵辅助加热启动按钮。当启动热泵加热后,冷凝盘管对热泵加热水箱内的水加热, 当其温度达到下限设定温度时, 热泵加热温控仪使热泵加热电磁阀自动打开, 自来水进入热泵加热水箱底部, 而将上部达到下限设定温度的热水顶入贮热水箱; 当热泵加热水箱内温度低于下限设定温度时, 热泵加热电磁阀自动关闭。

3 空气源热泵的除霜问题

空气源热泵机组在冬季运行时, 当换热器的表面温度低于0 ℃, 空气湿度较大时开始结霜。随着霜层的增厚, 将出现蒸发温度下降, 制热量下降、风机性能衰减和电流加大等现象而使空气源热泵机组不能正常工作。空气源热泵机组通常采用逆向循环除霜, 在除霜过程中, 室内不但得不到热量, 而且在下一个制热循环时还必须首先用一部分热量把蓄存在换热器的冷量消除掉, 这两个因素都使供热量减少。

3.1 四通换向阀换向反循环除霜

目前机组常用的除霜方法是采用四通阀换向反循环除霜, 它有以下几个方面的问题:

(1) 吸、排气压力变化剧烈, 对压缩机冲击大, 系统制冷剂回流量大;

(2) 两器功能频繁转换, 破坏了正常运行建立的热稳定, 恢复制热循环需要一个过程, 由此产生较大的制热损失;

(3) 四通阀频繁动作, 影响其可靠性;

(4) 供水温度波动大( 从热水中吸热, 用于除霜)。

除霜开始阶段有一个低压衰减过程, 有时衰减到低压保护值以下, 影响压缩机的使用寿命( 特别是对靠压差回油的螺杆压缩机, 排气压力突然降低会导致失油, 严重时可能损坏压缩机。为避免以上情况, 常在除霜开始前将压缩机停止5min 左右, 待压力平衡后再起动压缩机, 同时应注意起动后压缩机在最小压差下的运行时间不超过20s , 除霜结束再停5min 。这样虽避免了压力波动, 但同时也缩短了制热的有效时间, 加剧了水温波动, 若省去必要的延时时间, 则将给压缩机留下严重的可靠患; 换向控制程序见图2 。

图2除霜压缩机控制程序

3.2 热气旁通除霜

热气旁通除霜技术, 其特点是只对需要除霜的换热器旁通热气, 假定图3 中的空气侧换热器1 需要除霜, 其工作流程如下:

除霜旁通阀1 打开, 高温气体进入空气侧换热器1 , 除霜后的液体流经压力调节阀1( 此时回气阀1关闭) , 与另一组进行正常制热循环的制冷剂气体混合后被压缩机吸入,除霜结束后, 除霜旁通阀1 关闭, 回气阀1 打开, 转入正常制热循环。压力调节阀用于减少液体回流量、维持恒定的蒸发压力, 使换热器盘管温度上升从而达到除霜的目的。在整个除霜过程中, 不需要四通阀换向和停止压缩机运行, 供热和除霜同时进行, 减少了系统的压力冲击, 维护了两器的正常工作状况, 减少了除霜过程对供水温度的影响, 大大提高了机组的可靠性和供热性能。

图3热气旁通除霜系统图

3.3 除霜控制方式

采用节能除霜系统, 合理控制机组盘管表面的除霜周期和结霜周期。假设A 为结霜周期, B 为化霜周期。A/B 的比值越大, 则相对机组而言, 能量损失越小。所以A、B 值的合理设定, 可有效地使机组的采暖效果提高。当外气温度、盘管蒸发温度达到设定值时, 系统进入结霜计时功能。当结霜时间满足预先设定的A 值时, 机组即进入化霜状态。

3.4 除霜控制逻辑

机组由制热转入除霜状态, 必须同时满足以下三个条件: 1) 外界温度低于设定温度; 2) 蒸发器的冷媒温度低于设定点; 3) 满足设定的除霜时间周期。机组满足以下三个条件之一时, 机组结束除霜状态: 1) 盘管温度已经达到设定温度; 2) 机组的高压压力值高于设定点; 3) 机组本次除霜时间已经达到设定的时间长度。

4 结 语

太阳能热泵混合式供热水系统在性能上弥补了传统的太阳能系统和热泵系统各自的缺点, 冬天时, 系统的COP 可达到2 以上, 采用热气旁通除霜技术可保证稳定的热水供应, 而系统性能的提高使得运行费用减少, 从而降低了系统总投资。可用于大型的供热水系统。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。