空气源热泵辅助太阳能热水系统的性能测试与分析

2010-07-13彭娇娇刘光远徐春艳

电力与能源 2010年2期

彭娇娇,刘光远,徐春艳

(1.扬州大学环境科学与工程学院,江苏扬州225127;2.扬州大学能源与动力工程学院,江苏扬州225127)

空气源热泵辅助加热太阳能热水系统是高效节能的新型热水系统,但其受室外气候影响很大,季节性能评估作为检测热水系统性能指标的重要手段,可以检测季节因素对热水系统性能的影响,是分析热水系统全年运行经济性能的基础[1]。本文将针对江苏盱眙某空气源热泵辅助加热太阳能热水系统工程,测试分析该系统夏秋季的供热水效果,并根据测定结果提出相应的优化控制方案。

1 工程介绍

工程位于江苏省淮安市盱眙县,北临淮河,属于我国太阳能资源的Ⅲ类地区,年平均日太阳辐射量为13 069 k J/(m2◦d)[2];夏季高温多雨,冬季温和少雨。本工程主要为某足疗中心提供热水需求,其最高日设计用水量为 4 t,供水设计温度夏季为50℃,春秋季和冬季为55℃。用户要求设计24 h时热水供应,但用水高峰时间为12∶00-24∶00。

1.1 系统简介

系统由制热单元和供热单元两部分构成,其中制热单元包括太阳能集热单元、空气源热泵辅助加热单元及电辅助加热单元三部分[3],如图1所示。图中供热水箱和制热水箱容积为4 m3;太阳能集热器由25根全玻璃真空管(NB-25φ58 mm×1.8 m)构成,单块采光面积3.3 m2,其中集热器阵Ⅰ采用9块集热器串联,朝南布置,倾角43°,集热器阵Ⅱ为7块集热器串联,朝西布置于倾斜屋面;空气源热泵的额定供热量为18 kW,额定输入功率4.4 kW;供热水箱采用功率为9 kW的电加热器,制热水箱采用功率为9 kW的电加热器两组。

1.2 系统运行控制

在正常晴好天气,白天由太阳能集热单元充分加热制热水箱的低温水,太阳能循环泵的起停根据集热器阵出口温度与制热水箱温度的温差进行控制,热水系统采用强制循环;当下午四点(夏季五点)制热水箱温感器检测到制热水温低于设定温度后热泵机组启动运行,把热水加热到设定温度后关闭,即空气源热泵同时采用定时和恒温控制。供热水箱和制热水箱采用水位控制:当供热水箱经过下午和晚上的用水高峰,水位下降至最低水位时,水泵将制热水箱加热好的热水补入供热水箱供用户使用,同时制热水箱水位也下降,进水电磁阀自动打开将自来水补入,制热水箱水温降低,第二天继续通过太阳能循环集热,如此反复。

图1 空气源热泵辅助加热太阳能热水系统原理

在连续阴雨天气,观察控制面板上显示的制热水箱温度,当低于设定温度时手动开启热泵运行。在冬季晴好天气但室外温度较低时(如低于0℃),热泵机组易结霜,到下午四点钟左右,手动开启制热水箱电加热;在冬季连续雨雪天气,手动开启制热水箱电加热;当由于水箱散热或冷水回流至供热水箱,使供热水箱温度下降时,手动开启供热水箱电加热。当系统压力不足供水不稳定,手动开启增压泵。

2 测定方案

2.1 测试仪表

本系统主要测试仪表见表1。

表1 主要测试仪表

2.2 测定方法

测试工作需测定日太阳辐射能、各集热单元集热量及耗电量、用户热水用量等参数。日太阳辐射量由太阳能总辐射表TBQ-2根据热电感应原理测得电压信号,由数据采集仪Agilent 34970A自动采集转换得到,测试时间为上午七点到下午六点,每隔30 s采集一次数据。太阳能循环集热量和热泵单元集热量由热能表 LRDB-A-25测得,该热能表由流量计、积分仪和两个温度传感器组成,T 1和T2温度传感器分别置于集热器阵和空气源热泵机组的进出水管段上,见图1,通过记录该热能表读数的初始值,可得到被测时间段该单元的集热量。电度表DTS862系列分别用来测定系统总用电量、热泵单元用电量和电加热单元用电量,系统总用电量与后两者用电量之差为循环水泵耗电量。热水表置于供水管上,用来累积记录用户的用水量。

2.3 数据处理

日平均效率对于太阳能集热单元,其日平均热效率ηd由下式计算[4,8]:

式中:Q S为太阳能循环集热量,kWh;A C为集热器的采光面积,m2;I(t)为单位面积集热器采光面上的瞬时总太阳辐射能,kW/m2。

空气源热泵的供热系数COPH:

式中:Q H为空气源热泵集热量,kWh;WH为空气源热泵压缩机耗电量,kWh。

系统的COP:

式中:Q E为电加热量,kWh;W E为电加热耗电量,kWh,η为热效率,取95%;W 为系统总耗电量,kWh。

单位热水能耗[1]单位热水能耗:

式中:G为用户热水用量,m3。

系统的热损失主要包括管路和水箱热损失,热损失率η损:

式中:cp为水的定压比热容,取4.187 k J/(kg◦K);ρ为水的密度,取1 t/m3;t h为热水设计温度,夏季为50℃,春秋冬季为55℃;t l为进水温度,℃。

3 测试结果和分析

该空气源热泵辅助加热太阳能热水系统于2009年5月投入使用,夏秋季测试工作从2009年7月至2009年10月,其中的2009年7月13日和10月23日各仪表的初始读数见表2。根据初始读数进行计算,可以得到7月13日的太阳能循环总集热量为124.3 kWh,水泵耗电量为3.2 kWh;10月23日朝南太阳能集热循环(集热器阵Ⅰ)的日平均热效率为41.3%,朝西太阳能集热循环(集热器阵Ⅱ)的日平均热效率为54.3%。

表2 7月13日和10月23日系统测试数据汇总

7月13日,系统只需要运行太阳能集热单元,集热量为124.3 kWh,可以将4.6 t的27℃水加热到50℃,因此在夏季一般太阳辐射条件下,仅需要运行太阳能集热循环即可满足用户一天的用水量,尚有富裕热量。10月23日,集热器阵Ⅰ日平均热效率远远小于集热器阵Ⅱ日平均热效率,这是因为集热器阵Ⅰ为9块集热器串联(而集热器阵Ⅱ仅串联了7块集热器),串联的集热器过多导致末端的集热器入口温度过高,集热效率下降。从2009年7月13日到10月23日各单元集热量及耗电量见表3。在这期间有阴雨天25天,晴朗或多云天气47天,日均气温在16～29℃。

表3 系统各单元集热量及耗电量

系统总集热量10 076 kWh(36 276 MJ),系统总耗能为810 kWh,热泵的COP H为3.8,系统的COP为12.5。各集热单元集热量百分比和耗能百分比分别见图2和图3。

图2 7月-10月系统各集热单元集热量百分比

图3 7月-10月系统各集热单元能耗百分比

该用户在试验期间的总用水量为210 t,平均每天实际用水量约为3 t,少于设计用水量。从图中可以看到,在该热水负荷下系统在夏秋季节太阳能保证率可达到80%以上,辅助能源中空气源热泵集热量占了18%,电加热占1.4%,后者主要用于由于散热损失而对供热水箱进行的补充加热。由于太阳能集热单元仅有循环水泵消耗电能,加热210 t水用电810 kWh,单位热水能耗仅为3.85 kWh/t,比采用其他加热方案更节能,见表4。

表4 几种加热方案的单位热水能耗 kWh

电加热辅助太阳能热水系统的运行也存在一些能源损失,测试期间系统热损失达到20%;这与夏季系统集热能力大于用户实际用热量有关,也和系统本身的集热特点有关;系统制热水箱制备的热水供用户第二天使用,水箱夜间的热损失较大。因此应加强管路和水箱的保温尽可能减小热损失。

4 系统运行控制优化

在对本工程空气源热泵辅助太阳能热水系统测试过程中,发现系统控制还存在一些不足。为进一步提高系统性能,系统在夏秋季的运行可以从三个方面对控制进行优化。

(1)充分利用电费差价政策,调整热泵运行时间目前很多城市商业用电实行峰平谷电费差价政策,充分利用谷电可以减少运行成本。由图4可以看出,夏秋季空气源热泵能耗占总能耗的近60%,空气源热泵的运行一般在下午的16∶00-20∶00,处于峰电时段,费用支出大。因此,在夏秋季室外温度不是很低的情况下,应当将热泵安排在谷电时段运行,晴好天气可设为凌晨的3∶00-7∶00,在连续阴雨天气可设为夜间23∶00至第二天的7∶00,制取的热水供应第二天使用;在第二天用热水之前加热,也能减少夜间的热损失。但是在深秋和冬季昼夜温差较大时,因夜间室外温度低热泵运行性能较差,该控制方案不适用[1]。

(2)优化供热水箱补水控制,提高太阳能集热效率在测试期间发现,当前一天用户的用水量较少时,第二天供热水箱水位仍在最低控制水位之上,由于供热水箱补水仅采用水位控制,制热水箱加热的热水不能及时补入供热水箱,制热水箱水温仍然很高,导致第二天太阳能循环集热效率将大大下降。因此应将供热水箱补水控制改为水位控制和温度控制[5-6],当制热水箱温度达到设定温度且供热水箱在最高水位以下时,制热水箱向供热水箱补水,同时自来水补入制热水箱,制热水箱水温下降,从而提高了第二天的太阳能集热效率。

(3)提高系统的自动化程度,保持系统运行性能的稳定性本工程电加热器采用的手动控制应当改进为自动控制:当温度传感器检测到室外温度低于热泵运行经济温度下限时,热泵不运行,制热水箱电加热自动开启,加热到55℃时关闭;当冷水回流使供热水箱温度低于设定温度时,供热水箱电加热自动开启。此外,增压泵和回水电磁阀的控制也应设置为自动控制,使系统始终处于恒压、恒温的状态,并减少对用户运行管理的依赖[7]。