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太陽能、空氣源熱泵、燃?xì)獗趻鞝t集成住宅采暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法探討

發(fā)布時(shí)間:2020-08-03 15:03:06

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摘要 將集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)全年運(yùn)行模式分為兩類:冬季供暖和其他季節(jié)僅供應(yīng)生活熱水,提出了確定太陽能熱水、空氣源熱泵及燃?xì)獠膳療崴疇t容量的基本規(guī)則及考核要求,同時(shí)提出以集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)作為綜合評(píng)價(jià)集成系統(tǒng)能效的指標(biāo),以及計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞 太陽能熱水系統(tǒng)  空氣源熱泵  燃?xì)獠膳療崴疇t

0 引言

集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t住宅太陽能供暖系統(tǒng)是住宅太陽能供暖技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,由于多個(gè)熱源聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生優(yōu)化運(yùn)行問題突出,制訂合理性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要的引導(dǎo)作用。目前已發(fā)布的太陽能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),GB/T 25967-2010《帶輔助能源的家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的編制參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12976-1:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第1部分:總體要求》和EN 12976-2:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第2部分:試驗(yàn)方法》,對(duì)于僅用于加熱生活熱水的集成系統(tǒng)具有較好適用性,但對(duì)于供暖應(yīng)用集成系統(tǒng),未考慮相應(yīng)內(nèi)容。而GB/T 29158-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)(儲(chǔ)水箱容積大于0.6m3)技術(shù)規(guī)范》和GB/T 29160-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)(儲(chǔ)水箱大于0.6m3)性能試驗(yàn)方法》雖然適用系統(tǒng)規(guī)模較大,但對(duì)于供暖應(yīng)用系統(tǒng)也不適宜使用。因此,本文提出集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法,系統(tǒng)用于考核這類系統(tǒng)的供熱性能和運(yùn)行能效,本文未考慮熱泵系統(tǒng)夏季用于空調(diào)運(yùn)行的相關(guān)性能試驗(yàn)項(xiàng)目。

1 集成系統(tǒng)概述

住宅太陽能供暖系統(tǒng)的基本特征是可以集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置,提供衛(wèi)生熱水和采暖熱水,也可以根據(jù)用戶需要擴(kuò)展空調(diào)制冷功能和熱回收功能等,并可集成住宅新風(fēng)系統(tǒng)等裝置,同時(shí)配備循環(huán)系統(tǒng)、末端裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)供熱性能

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度,太陽能供暖系統(tǒng)中受安裝條件和購置成本影響最大的部分是太陽能集熱器,從熱量需求的角度,通常一晝夜的住宅供暖負(fù)荷約為生活熱水負(fù)荷的5~10倍,顯然在非供暖季節(jié),住宅的熱量需求只有生活熱水,如果太陽能集熱器的供熱能力在冬季供暖需求中的份額較大,就可能導(dǎo)致非供暖季節(jié)太陽能集熱器的供熱能力嚴(yán)重過剩,不僅由于這些集熱器閑置導(dǎo)致浪費(fèi),而且容易導(dǎo)致太陽能熱水系統(tǒng)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,對(duì)保證系統(tǒng)運(yùn)行安全和可靠性都產(chǎn)生一定程度的不良影響。從國外一些地區(qū)采用太陽能實(shí)現(xiàn)住宅供暖的實(shí)踐來看,在供暖季節(jié)通常太陽能提供的熱量不超過全部熱需求的1/3。因此,本文假設(shè)在供暖季節(jié)太陽能的保證率為15%以上,太陽能利用方式為,在白天獲得的太陽能熱量首先用于房間的保溫,剩余部分用于加熱生活熱水。保溫作為在房間無人逗留而需要維持必要的室內(nèi)溫度的運(yùn)行狀態(tài),雖然熱負(fù)荷較小,但是由于通常持續(xù)時(shí)間比有人在房間而進(jìn)行供暖的運(yùn)行時(shí)間更長,所以,供暖季節(jié)期間房間保溫的熱負(fù)荷通常為全天供暖負(fù)荷的1/5以上,由此可見,太陽能集熱器獲得的熱量能夠用于生活熱水加熱的并不多。

2.1 供熱性能測試條件

集成系統(tǒng)的配置以及運(yùn)行模式合理與否,與供熱性能測試條件有重要關(guān)系,考慮到我國的地理因素和人文因素,本文將年平均氣溫≥7℃,且冬季日平均氣溫≥-10℃的地區(qū)作為推薦使用地區(qū),在此基礎(chǔ)上提出了供熱性能的測試條件,如表1所示。

1.jpg

表1 集成不同輔助熱源的集成系統(tǒng)性能測試運(yùn)行條件

住宅太陽能供暖系統(tǒng)的熱性能要求主要針對(duì)制熱能力和能效兩部分,由于這類系統(tǒng)全年運(yùn)行狀況差異較大,采用兩種方式進(jìn)行考核,在供暖季節(jié)僅考核供暖性能,不單獨(dú)考核生活熱水性能,對(duì)生活熱水加熱性能只考核功能指標(biāo);在非供暖季節(jié),只考核生活熱水加熱性能,無需考核供暖性能。

由于全天生活熱水熱負(fù)荷視為供暖熱負(fù)荷的組成部分,生活熱水使用過程中大部分熱量在室內(nèi)散發(fā),成為供暖負(fù)荷的一部分,所以在供暖季節(jié)不單獨(dú)考核生活熱水對(duì)系統(tǒng)供熱性能的影響不會(huì)對(duì)集成系統(tǒng)性能考核產(chǎn)生明顯的影響。而且本文假設(shè)集成系統(tǒng)全天24h平均供熱功率按50%系統(tǒng)額定供熱功率計(jì)算,加熱生活熱水所需的熱量通常只占住宅全天熱需求的20%以下,在配備蓄熱水箱的工整正常運(yùn)行條件下,在系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下加熱生活熱水是輕而易舉的,無論對(duì)供暖運(yùn)行和生活熱水使用需求基本不會(huì)造成不良影響。

2.2 熱源系統(tǒng)參數(shù)確定

集成空氣源熱泵與燃?xì)獠膳療崴疇t住宅太陽能供暖系統(tǒng)的主要參數(shù)包括:系統(tǒng)額定供熱功率、 生活熱水流量、太陽能全天平均供熱功率、空氣源 熱泵額定供熱功率、燃?xì)獠膳療崴疇t供熱功率以 及蓄熱水箱容積等。

系統(tǒng)額定供熱功率是反映集成系統(tǒng)使用特性的主要指標(biāo),指標(biāo)規(guī)定供暖測試條件下的供熱功率;而生活熱水流量則是使用性能指標(biāo),要求以規(guī)定溫度和流量輸出生活熱水。而其它指標(biāo)要求為:蓄熱水箱容積和出水率應(yīng)保證在蓄水溫度達(dá)到55℃時(shí)滿足全天生活熱水需求。太陽能集熱器面積應(yīng)按冬季集熱條件考核,本文推薦在日輻照量12MJ/m2條件下,以循環(huán)方式供熱溫度/ 回水溫度為45℃/30℃全日供熱量,應(yīng)不小于系統(tǒng)全天供熱功率的15%;而且在日輻照量17MJ/m2條件下,單獨(dú)將初始水溫為20±5℃的蓄熱水箱中的生活熱水溫度提高35℃以上。顯然需在兩個(gè)條件中選擇較大集熱面積。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)容量分兩種配置方案考慮,在配套燃?xì)獠膳療崴疇t系統(tǒng)中,空氣源熱泵在進(jìn)風(fēng)條件為15℃/12℃(DB/WB),在6h 內(nèi)單獨(dú)將初始水溫為15±1℃蓄熱水箱中生活熱水溫度提高至55±2℃以上;而在不配套燃?xì)獠膳療崴疇t系統(tǒng)中,空氣源熱泵在進(jìn)風(fēng)條件為2℃ /1℃(DB/WB),以熱水循環(huán)方式運(yùn)行,供熱/ 回水溫度為45℃/30℃,在無燃?xì)鉄嵩聪到y(tǒng)中,熱泵額定供熱功率應(yīng)高于系統(tǒng)額定供熱功率。

燃?xì)獠膳療崴疇t的容量應(yīng)符合生活熱水加熱能力標(biāo)準(zhǔn)以輸出規(guī)定的生活熱水流量,即持續(xù)將15℃的進(jìn)水加熱至45℃以上;供暖能力應(yīng)以熱水循環(huán)方式運(yùn)行,供熱/ 回水溫度為45℃/30℃,供熱量應(yīng)不小于系統(tǒng)額定供熱功率。

3 能效指標(biāo)

在集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)中,消耗能源有多種類型,包括太陽能、電能和燃?xì)狻h(huán)境空氣熱源利用,因此,在考核系統(tǒng)能效時(shí),太陽能得熱和環(huán)境空氣熱源得熱不計(jì)入能量消耗,利用一次能源與電能轉(zhuǎn)換系數(shù),將電能折算為一次能源,以一次能源單位消耗量獲得的供熱量作為能效考核指標(biāo),提出集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)考核指標(biāo),如式(1)所示:

2.jpg                              

式中:

PAPFIES———集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù);

S——太陽能熱水系統(tǒng)供熱量,MJ;

H——空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量,MJ;

B——燃?xì)獠膳療崴疇t供熱量,MJ;

Es——太陽能熱水系統(tǒng)耗電量,kW·h;

Eh——空氣源熱泵系統(tǒng)耗電量,kW·h;

Eb——燃?xì)獠膳療崴疇t系統(tǒng)耗電量,kW·h;

C——一次能源與電能轉(zhuǎn)換系數(shù),MJ(/ kW·h);

G——燃?xì)獠膳療崴疇t耗氣量,MJ;

i——季節(jié)代號(hào),i=1,春季和秋季;i=2,夏季;i=3,冬季。

4 結(jié)語

集成空氣源熱泵或燃?xì)獠膳療崴疇t的太陽能供暖系統(tǒng),能較好解決太陽能輻照不穩(wěn)定問題,但多種熱源聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生的問題需妥善解決,本文推薦了由供熱性能導(dǎo)出的系統(tǒng)配置方案及系統(tǒng)全年能效指標(biāo),這需在相關(guān)工作中進(jìn)一步完善。

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