太陽能—熱泵復合熱水系統(tǒng)分析

史瑞靜，王維慶，樊小朝，，李永東，湯苑陽，魏鵬飛

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.清華大學電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084)

0 前 言

太陽能熱水系統(tǒng)是當今世界上研究的最具有經濟價值，發(fā)展前景最好的可再生能源利用之一，同時太陽能利用技術也最為純熟[1]。顧名思義，所謂太陽能熱水系統(tǒng)，其基本的工作原理就是將太陽能的能量進行收集，然后通過水儲存這部分能量從而進一步利用。其中經典的太陽能熱水系統(tǒng)包含太陽能集熱系統(tǒng)(進行太陽能能量的收集)、集熱水箱系統(tǒng)(將集熱系統(tǒng)收集到的太陽能能量進行儲存)、恒溫水箱系統(tǒng)(控制水箱溫度相對恒定)、熱泵回水系統(tǒng)(補充能量以及回收回水進行再利用)[2]。

熱泵系統(tǒng)是當前能夠有效利用很少的高質量能源(目前用的最多的是電能)，可以將較差的低熱源的低溫能量進行采集，從而進行運用，具有非常高的能效[3]。熱泵系統(tǒng)對傳統(tǒng)能源的消耗遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗的能量，能耗占比低了一倍，具有相當高的可操作性[4]。

為了改善水源熱泵和空氣源熱泵各自的不足，將兩種熱泵同太陽能系統(tǒng)進行融合改進從而研究出的復合熱源熱泵技術成功引領了科技潮流，該技術不僅提高了太陽能的利用效率，同時提升了熱泵的效率，改進后的系統(tǒng)規(guī)避了大部分傳統(tǒng)熱泵所擁有的問題，使熱泵技術達到新的巔峰[5]。

1 太陽能-熱泵復合熱水系統(tǒng)

將太陽能集熱系統(tǒng)同熱泵系統(tǒng)進行結合，設計了一種新的復合熱水系統(tǒng)，其能量流動情況如圖1所示，該系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、集熱水箱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、恒溫水箱系統(tǒng)以及熱泵回水系統(tǒng)組成。太陽能集熱系統(tǒng)對太陽能的能量進行收集，集熱水箱將傳熱介質從太陽能集熱系統(tǒng)收集到的能量進行存儲，恒溫水箱系統(tǒng)通過平衡橋與集熱水箱進行能量交換，最終將這些能量輸送給用戶，實現(xiàn)太陽能的有效利用。

圖1 復合熱水系統(tǒng)能量流動示意

太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能集熱板或太陽能集熱管以及熱力管網組成，其中太陽能集熱板與集熱管具體結構如圖2所示[6]。采用絕熱的材料作為邊界成分，降低收集太陽能過程熱量的損耗。多孔陶瓷的材料能使空氣順利通過，完成集熱過程。

圖2 太陽能集熱元件材料結構示意

水箱系統(tǒng)由水箱與壓力傳感器，溫度傳感器，水力管網以及顯示儀等組成，如圖3所示[7]。蓋板和箱體以及側板都采用強度較高的材料構成，實現(xiàn)對水箱的保護。冷卻劑使得能量的交換順利完成，進出水口與水力管網的連接保證水位正常，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 水箱結構示意

為驗證綜合系統(tǒng)的可行性與具有高效節(jié)能減排的作用，設計一套如圖4所示的復合熱泵系統(tǒng)[8]，并選取了全國范圍內太陽輻照度相對較低的浙江成功進行應用，通過對該系統(tǒng)實時運行的數(shù)據(jù)進行收集統(tǒng)計，并就此對輻照度不同地區(qū)運行特性進行分析，更好的為系統(tǒng)運行提供保證。

圖4 復合熱水系統(tǒng)結構示意

該系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、集熱水箱系統(tǒng)、恒溫水箱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)以及回水系統(tǒng)組成，全系統(tǒng)采用水為傳輸能量的介質，通過將不同溫度的水進行輸運，儲存，熱交換從而調節(jié)系統(tǒng)的能量使系統(tǒng)達到一個相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。系統(tǒng)通過物聯(lián)網和相關的儀表進行監(jiān)管控制，通過太陽能集熱系統(tǒng)進行太陽能的采集、儲存，通過水力管道進行運輸。集熱水箱系統(tǒng)進行能量的儲存，恒溫水箱系統(tǒng)調節(jié)各系統(tǒng)溫度響應恒定，熱泵系統(tǒng)在太陽能集熱系統(tǒng)供熱量不足條件下啟動，輔助系統(tǒng)進行加熱?；厮到y(tǒng)將用戶剩余的水引流回水箱。

2 太陽能-熱泵復合熱水系統(tǒng)理論分析

在該系統(tǒng)中，能量交換過程主要為熱輻射與熱對流兩過程。熱輻射主要出現(xiàn)在太陽能集熱系統(tǒng)中，吸熱面接受太陽輻射能。根據(jù)Stenfan-Boltzmann定律[9]

Φ=εAσT4

(1)

式中，Φ為輻射度，J/(s·m2)；ε為黑體輻射系數(shù)；A為受熱輻射面積，m2；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度，K。

由式(1)可知，為吸收更多輻射量，需要提高物體的發(fā)射率，也就是黑度。一般材料選擇的ε一般在0.92～0.96，從而保證了對輻射能高效的吸收。

系統(tǒng)內部的換熱主要是對流換熱。由牛頓冷卻公式(Newton’s Law of Cooling)[10]可知

Q=hSΔt

(2)

式中，Q為傳熱功率；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；S為傳熱面積，m2。

在對流面積和對流溫差相對穩(wěn)定的情況下，影響對流傳熱[11]的主要因素是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，已知

h=f(u,l,ρ,η,λ,cp)

(3)

式中，u為速度特征尺度；l為傳熱面的幾何特征長度，m；ρ為介質密度，kg/m3；η為動力黏度系數(shù)，Pa·s；λ為靜止流體的導熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為定壓比熱，J/(kg·K)。

研究表明，水的表面對流傳熱系數(shù)在不同工況，不同相變，不同狀態(tài)下都是較為良好的，能夠使傳熱過程中的熱損耗降低[12]。本文也是以水為介質進行研究，該系統(tǒng)工作啟動方式示意如圖5所示，其中3種不同的工作條件下的情況為：

圖5 系統(tǒng)工作啟動方式示意

(1)全部由太陽能系統(tǒng)供熱。時逢晴天，日照時間長，輻射量較大時，系統(tǒng)需要的熱量全部由太陽能系統(tǒng)進行供給，若吸收的能量過高，則可以開啟電力裝置將該部分能量轉換為電能輸送至儲電箱，為該系統(tǒng)的各種用電元件進行供電，從而可降低系統(tǒng)的耗電量。若此時用戶消耗量不夠高，則打開集熱循環(huán)泵，將多余的熱水進行循環(huán)收集利用，直至集熱水箱和恒溫水箱的溫度與設定溫度范圍一致時關閉，保證系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。

(2)由太陽能系統(tǒng)以及熱泵機組共同進行協(xié)調加熱。當日照強度不夠高，或者用戶用水量達到頂峰時，單獨的太陽能系統(tǒng)供給的能量便不一定能夠滿足需求，此時就需要熱泵機組啟動，通過系統(tǒng)內部的控制系統(tǒng)，在優(yōu)先運行太陽能系統(tǒng)的條件下，控制熱泵機組的啟動運行時間，既滿足了用戶的需求，也能最大化利用太陽能系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了節(jié)能的目標，這種運行模式能夠適應各種天氣條件下的高效運行，完美的發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢，因此在絕大部分情況下，都是以此模式進行運行。

(3)全部由熱泵系統(tǒng)進行供熱。當處于連續(xù)的惡劣天氣，比如陰雨暴雪天氣，此時太陽能系統(tǒng)基本處于癱瘓狀態(tài)，并不能發(fā)揮很多實質作用。此時所有熱量均由熱泵機組提供，此時循環(huán)熱泵和太陽能系統(tǒng)全部關閉，但由于熱泵系統(tǒng)的運行效果受很多因素影響，尤其是在惡劣天氣的條件下，熱泵機組的效率也會很低，系統(tǒng)耗能最高。

該系統(tǒng)具有優(yōu)異的啟動運行方式，無論在任何天氣條件下，會優(yōu)先啟動太陽能系統(tǒng)，再根據(jù)用戶的熱水使用量進行判定，若用戶不需要過多的熱水供應，則系統(tǒng)不會啟動熱泵系統(tǒng)，只有當用戶需求量大于系統(tǒng)供應量時，才會啟動熱泵系統(tǒng)，當達到穩(wěn)定水平時，保持相應運行狀態(tài)。當輻照度趨近于0時，系統(tǒng)自動啟動熱泵系統(tǒng)，關閉太陽能系統(tǒng)，良好的保護了系統(tǒng)，維護系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，也達到了節(jié)能減排的目的。

3 太陽能—熱泵復合熱水系統(tǒng)性能計算分析

將該系統(tǒng)構架應用于浙江溫州(北緯28°12′)一套日產50 t熱水的熱水系統(tǒng)中，該地年均日照時長1 800 h，平均輻照度150.5 W/m2，太陽能真空管均采用全玻璃真空管Φ60 mm×2 000 mm，以33°安裝角進行安裝。用八臺額定發(fā)熱功率38.5 kW空氣源熱泵輔助系統(tǒng)加熱，并采用雙水箱的設計保持系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。系統(tǒng)運行參數(shù)均由相應傳感器檢測反饋，選取3天不同氣候的天氣數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同天氣條件下的參數(shù)

為保證測試參數(shù)的精確度，該系統(tǒng)采用了較為精確的儀表：使用溫濕度傳感器來采集環(huán)境溫度、濕度，溫度測試精度為±0.5 ℃，濕度測試精度為±2%；用輻照度表采集輻照度，輻照測試范圍為0～2 000 W/m2，精度為5%；熱敏電阻用來測量進、出水溫度，分辨率0.1 ℃；4線制PT100用來測量水箱溫度，分辨率0.1 ℃；壓力式液位傳感器用來測量水箱液位，測試精度為±0.2%；用超聲波熱量表采集累計加熱量，測試精度為±2%；用三相多功能電能表采集功率，測試精度±0.5%。

3.1 太陽能—熱泵復合熱水系統(tǒng)數(shù)學模型

3.1.1 太陽能輻照量

在集熱器附近安裝輻照表測量光照度，通過回收后的數(shù)據(jù)，計算太陽輻照能Qs(kJ)，公式為

Qs=∑GAcΔT

(4)

式中，G為輻照度，W/m2；Ac為集熱器有效面積，m2，本文所用集熱器總面積為500 m2；ΔT為采樣間隔時間，s。

3.1.2 太陽能集熱量計算

由于該系統(tǒng)的傳熱介質是水，將熱量表安裝于系統(tǒng)集熱器組件的主干管道上，分別對集熱循環(huán)中的冷水進水溫度tc1、熱水出水溫度tc2以及質量流量mc進行測量，采用焓差法[13]計算太陽能集熱量Qc(kJ)，計算公式為

Qc=[Cpmc(tc2-tc1)Δt]×10-3

(5)

式中，Cp為熱水的比熱容，J/kg；tc1為熱泵進水溫度，℃；tc2為熱水出水溫度，℃。

3.1.3 熱泵供熱量計算

熱泵供熱量Qhp同樣可以通過安裝在熱泵系統(tǒng)進出口的熱量表計算得到[14]

Qhp=∑[Cpmhp(thp2-thp1)Δt]×10-3

(6)

式中，Cp為熱水的比熱容，J/kg；mhp為熱泵循環(huán)水的質量流量，kg/s；thp1和thp2分別為熱泵系統(tǒng)進、出口溫度，℃。

3.1.4 系統(tǒng)供熱量計算

忽略水箱漏熱，系統(tǒng)實際供熱量能量Qspl(kJ)計算公式為

Qspl=∑[Cp(mspltspl-mretre)Δt]×10-3

(7)

式中，mspl為用戶供水流量，kg/s；mre為用戶回水流量，kg/s；tspl和tre分別為供水水溫和回水水溫，℃。

3.1.5 實際用戶供熱量

實際中，要考慮熱水在供熱管道內的熱損Qloss，用戶供水總熱量Qspl為用戶有效利用熱Quse與供熱管道內的熱損Qloss之和。

Qspl=Qloss+Quse

(8)

其中，管道熱損Qloss計算公式如下

Qloss=∑[Cpmspl(tc2-tspl)Δt]×103

(9)

另外熱泵、水泵等系統(tǒng)工作過程中要消耗電能，系統(tǒng)累計耗電量為Esh，則系統(tǒng)整體能效為

(10)

3.1.6 節(jié)能減排量計算

利用監(jiān)控系統(tǒng)所獲取的能耗計量數(shù)據(jù)，還可以通過計算系統(tǒng)節(jié)能減排量對整個系統(tǒng)能效、經濟效益、環(huán)境效益等各方面做出相應評估，經簡單換算可以得到一系列的系統(tǒng)能耗指標。如太陽輻照量、太陽能集熱器集熱量、熱泵累計供熱量、用戶供熱量等，具體數(shù)據(jù)如表2。

表2 系統(tǒng)能耗表

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可以知道，在晴天，太陽輻射量較大時，太陽能集熱器收集較多的能量，用戶供熱量較大部分由太陽能系統(tǒng)供應，熱泵系統(tǒng)只在用水高峰期時段對系統(tǒng)進行輔助加熱。在陰天，太陽輻照度與年均日輻照度差異不大時，太陽能系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)同時運作，并且在用水高峰期，熱泵系統(tǒng)起到主要作用。在長時間惡劣天氣的條件下，太陽能集熱器幾乎不能收集到太陽能，此狀態(tài)下，太陽能集熱系統(tǒng)關閉，系統(tǒng)熱量全部由熱泵系統(tǒng)提供。

將計算得到的數(shù)據(jù)在MATLAB環(huán)境下進行編程，從而繪制出太陽能輻射量與輻照度的關系，如圖6所示。

圖6 輻照度與太陽輻射量關系

太陽輻射量除了與太陽本身核反應相關以外，還會受到天氣條件等因素的影響，由圖6可得，太陽輻射量隨著輻照度的增加而增加，增長系數(shù)趨近于1×107。

圖7為熱泵供熱量與輻照度關系。由圖可知，在輻照度大的環(huán)境條件下，熱泵機組實際供熱量極低，幾乎沒有進行供能，輻照度越低，熱泵機組運作時間越長，耗費的能耗越多，能量損失也就越高。

圖7 熱泵供熱量與輻照度關系

圖8為系統(tǒng)供熱量與輻照度關系。由圖8可知，系統(tǒng)供熱量隨輻照度的增加緩慢增加，最后由于用戶消耗熱水的量有限，故而在曲線末，曲線逐漸趨于平緩。

圖8 系統(tǒng)供熱量與輻照度關系

圖9為熱損與輻照度關系。由圖9可知，系統(tǒng)的熱損隨著輻照度的增大逐步降低。但由于熱力管道的局部損失和沿程阻力損失相對改變不大，熱損變更幅度也不明顯。

圖9 熱損與輻照度關系

圖10為用戶供熱量與輻照度關系。由圖10可知，用戶供熱量隨輻照度增大而增大，但由于用戶的日常熱水需求較為穩(wěn)定，故而供熱量的差異較為微小。

圖10 用戶供熱量與輻照度關系

圖11為能效比與輻照度關系。由圖11可知，該系統(tǒng)的能效比隨著輻照度的增加成上升關系，上升速度系數(shù)接近于1。

圖11 能效比與輻照度關系

常規(guī)能源替代量、節(jié)煤量Mss、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量以及粉塵減排量這一系列的指標都是節(jié)能減排指標。對于我國能源結構來說，幾乎都可以將這些指標轉換為節(jié)煤量，節(jié)煤量Mss指將用戶實際得熱量與系統(tǒng)總耗電量的能量之差折算成標準煤量，計算公式如下

Mss-(Quse-Esh)/(ηcov·W)

(11)

式中，Esh為系統(tǒng)在一段時間內累計耗電量，kJ；W為29 307 kJ/kg；ηcov為30.7%；CO2、SO2、NOx、粉塵減排量等可根據(jù)相應的減排量系數(shù)計算得到。

為驗證該系統(tǒng)具有優(yōu)異的節(jié)能減排作用，通過計算，可得不同天氣不同輻照度下的節(jié)煤量如表3所示。

表3 不同天氣不同輻照度下的節(jié)煤量

由表3可知，輻照度越高，該系統(tǒng)運行的效率越高，該系統(tǒng)相應的省煤量越高，節(jié)能性也越好。

3.2 高輻照地區(qū)理論系統(tǒng)性能計算與分析

高輻照地區(qū)輻射量高，日照時間長，理論上具有更高的太陽能利用價值，下面就對高輻照地區(qū)進行理論上的計算分析。取年均日照時長3 000 h，輻照度600 W/m2，假設是同一臺設備和裝置，一天消耗水量24.94 t。在此條件下，通過計算可得到高輻射地區(qū)運行該系統(tǒng)的理論能耗值：熱水在供熱管道內的熱損Qloss為1.79×105kJ；系統(tǒng)實際供熱量能量Qspl為1.44×106kJ；熱泵供熱量Qhp為4.32×103kJ；太陽能集熱量Qc為2.52×106kJ；太陽輻照能Qs為8.86×109kJ；Quse為1.26×106kJ；η為7.88。

3.3 低輻照地區(qū)理論系統(tǒng)性能計算與分析

低輻照地區(qū)輻射量低，日照時間較短，將低輻照地區(qū)進行理論計算分析有助于了解該系統(tǒng)在不同輻照度下的能耗情況，能夠為系統(tǒng)的優(yōu)化，對如何節(jié)能減排起到指示作用，下面就對高輻照地區(qū)進行理論上的計算分析。

取年均日照時長1 200 h，輻照度100 W/m2，假設是同一臺設備和裝置，一天消耗水量24.94 t，耗電量433 MJ，在此條件下，通過計算可得到低輻射地區(qū)運行該系統(tǒng)的理論能耗值，熱水在供熱管道內的熱損Qloss為7.17×105kJ；系統(tǒng)實際供熱量能量Qspl為5.77×106kJ；熱泵供熱量Qhp為1.73×103kJ；太陽能集熱量Qc為1.01×106kJ；太陽輻照能Qs為5.92×109kJ；Quse為5.06×106kJ；η為1.77。由此可知，即使在極低輻照的情況下，該系統(tǒng)的能效比仍大于1。在極端惡劣天氣條件下，該系統(tǒng)仍能發(fā)揮一定的節(jié)能減排效果，Mss為8.1135 kg。

3.4 不同地區(qū)理論數(shù)值比較與經濟分析

將3種輻照度下的數(shù)據(jù)進行整理，可得表4。

表4 3種輻照度下能耗數(shù)據(jù)

分別將輻照度與各項能耗值進行數(shù)值分析，可得圖12。

圖12 3種輻照度下理論用戶供熱量與輻照度關系

綜合對比可得，高輻照度條件下的系統(tǒng)功效最好，倘若將該系統(tǒng)成功應用在我國高輻照度地區(qū)，每天就可以省煤1 222.60 kg標煤。在一般天氣條件下，該系統(tǒng)的能效比就可以達到較高程度，即使是在輻照度較低的惡劣天氣，系統(tǒng)每天仍能減少煤耗量81 kg。

4 結論與展望

能源是各個國家戰(zhàn)略物資的核心，是社會發(fā)展的必要物質，當今世界的能源結構仍是以一次能源為主。太陽能無疑是未來能源的前進方向，太陽能覆蓋面積廣，輻射能量大，太陽能技術的發(fā)展也逐漸高速高效化。

通過對系統(tǒng)實時運行進行監(jiān)管監(jiān)控，將數(shù)據(jù)進行收集運算，計算出相關能耗，并進行相關分析。發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)有優(yōu)異的運行模式，具有高清潔性和高效性。在日照時長較少地區(qū)高輻射度照射情況下，日節(jié)煤量高達659.09 kg，能效比達4.67。

本文雖用到了較為先進的太陽能技術和相關的理論支撐，但是仍然具有很大的完善與發(fā)展空間。尤其是在以下幾點：

(1)該系統(tǒng)可以進行更優(yōu)質的完善，可以結合實際運行中存在的問題，以及不同工況，不同天氣條件下的數(shù)據(jù)分析，對設備材料，管網線路，運行方式都可以進一步優(yōu)化。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)的儀器精度有待提高，目前來講部分公式仍采用經驗公式，局部參數(shù)仍沿用以前的經驗參數(shù)，導致部分計算出現(xiàn)誤差。

(3)不僅僅是中國，縱觀世界太陽能資源分布情況，太陽能幾乎覆蓋世界各個角落，然而太陽能和其他新能源的利用率占比不足10%，如何利用太陽能以及改進完善太陽能技術成為一大挑戰(zhàn)。

(4)可以將該系統(tǒng)與氣象局的氣象數(shù)據(jù)進行結合，便能夠做到預運行和更早更精確的系統(tǒng)管理。

(5)低溫條件下，蒸發(fā)器及相關水閥水泵易結霜、凍結，若是能將該問題進行完全解決，太陽能系統(tǒng)的相關應用便能夠進一步普及。