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新型间联式太阳能空气源热泵用于供热的效果分析

作者:空气能热水器   添加时间:2017-01-07 10:07:14   浏览:

我国供热能耗巨大,生活热水能耗增长迅速,随着城市化水平和人民生活质量的提高,供热和生活热水能耗将进一步增加,我国集中供热主要依靠锅炉,制取生活热水则主要以电热水器和燃气热水器为主,这些方式存在一次能效低、能源高质低用等不足。

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太阳能作为一种清洁的可再生能源,正逐步应用于建筑供暖和生活热水,但是太阳能的使用受天气变化的影响较大,具有不稳定性。传统的太阳能制热装置在夜间无法高效制热,或在太阳辐射较弱的情况下,由于太阳能集热器漏热,所制取的热水温度无法满足用户的需求。因此传统太阳能热水装置通常增加电加热作为辅助热源,当无太阳能可资利用或太阳辐射较弱时,采用电加热制取热水,此时仍然存在一次能效低、能源高质低用的缺点。

空气源热泵具有可常年使用、不受太阳辐射影响的优点。应用于供热和制取生活热水。但是空气源热泵的性能受室外环境温度的影响,环境温度越低能效越低,且在实际应用中存在结霜问题,特别是在温度偏低且湿度很大的地区,室外风冷换热器的结霜现象极为严重,结霜、除霜均导致其性能衰减,现有的除霜方案包括制冷剂逆向除霜和热气旁通除霜,前者在除霜过程中会影响用户侧的供暖效果,后者除霜所用的热量来源于压缩机的电功所转化的热能,其能效较低,达不到节能环保的目的。

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因此,为发挥太阳能和空气源热泵的优点,已有较多研究将二者结合,提出了太阳能空气源热泵,主要包括直膨式和间联式太阳能空气源热泵两类系统形式。

直膨式太阳能空气源热泵将制冷剂通入太阳能集热器,将集热器作为热泵系统的蒸发器,专家提出了一种直膨式太阳能空气源热泵,利用裸板式集热器作为热泵蒸发器,集热器在吸收太阳能辐射的同时,与环境空气进行自然对流换热,可以利用少量空气热能,制作了多个样机并进行试验测试和优化,在秋季晴天制取生活热水的工况下,其COP可达到5.29~6.93[3-4]。然而,该系统在没有太阳能时,只能通过自然对流的方式与空气换热,吸收空气热能的效果难以保障,而且当日照充足时无法利用太阳能,没有充分利用较强的太阳辐射,专家提出了采用风冷蒸发器和平板太阳能集热-蒸发器并联的太阳能空气源热泵方案,分别通过2个节流阀分配制冷剂,使其在2个蒸发器中蒸发并分别吸收太阳能和空气热能,模拟结果表示,该系统,该系统在太阳辐射较弱时,性能明显优于只有一个太阳能集热-蒸发器的传统直膨式太阳能热泵。但该系统在太阳辐射较强时仍无法直接利用太阳能制热,且在室外温度偏低、温度较大的情况下仍然存在结霜的问题。现有研究并为针对直膨式太阳能空气源热泵结霜问题提出较好的解决方案。

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针对间联式太阳能空气源热泵系统也有较多研究,通过模拟和试验的方法研究采用双热源蒸发器的太阳能空气源热泵,该系统通过太阳能集热器制取热水,再通入太阳能-空气双热源复合蒸发器中,该蒸发器将管翅式和套管式换热器结合,在管翅式换热器的换热管内部安装另外一根换热管,制冷剂可以同时与热水和环境空气换热。实验结果表明,在蒸发器侧环境温度空气换热,实验结果表明,在蒸发器侧环境温度2℃、太阳能集热器出口载冷剂温度为7℃的工况下,太阳能-空气源模式的制热量为2670Wcop2.85,均高于单一空气源模式。但该系统在白天太阳辐射较强时不利用太阳能直接制热,而是优先采用单空气源模式,在夜间环境温度较低时将白天蓄存的太阳能的高质低用问题,专家模拟计算了多种太阳能空气源热泵系统,包括太阳能集热器与空气源热泵并联、太阳能集热器作为空气源热泵的热源等,将以上系统用于低能耗建筑的供热和生活热水并计算能耗,结果表明太阳能和空气源结合的热泵系统能效均高于传统空气源热泵。以上研究提出的间联式太阳能空气源热泵系统仍然采用风冷蒸发器吸收空气热能,即制冷剂直接与空气换热,且现有研究并为提出高效除霜方式,其冬季运行时仍会遇到结霜问题。

针对以上直膨式和间联式太阳能空气源热泵的不足,本文提出一种新型间联式太阳能空气源热泵系统,通过太阳能直接制热。太阳能空气源热泵、空气源热泵等不同的运行模式实现对不同强度太阳辐射和不同温度空气热能的充分利用。同时风冷换热器和热泵蒸发器之间以水作为换热媒介,可利用热泵制取的热水为风冷换热器除霜,在降低除霜能耗的同时保证了制热稳定性。通过模拟计算的方法分析该系统用于供热的性能,并与太阳能集热器+电加热系统和空气源热泵进行对比,以说明其优势。

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