太陽(yáng)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
文章來(lái)源:未知時(shí)間:2022-02-16
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廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 黃遜青
摘要 將集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能供暖系統(tǒng)是住宅太陽(yáng)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(wèn)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(yáng)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 25967-2010《帶輔助能源的家用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能供暖系統(tǒng)的基本特征是可以集成太陽(yáng)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(yáng)能供暖系統(tǒng)中受安裝條件和購(gòu)置成本影響最大的部分是太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能集熱器的供熱能力嚴(yán)重過(guò)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(yáng)能熱水系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)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(guó)外一些地區(qū)采用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)住宅供暖的實(shí)踐來(lái)看，在供暖季節(jié)通常太陽(yáng)能提供的熱量不超過(guò)全部熱需求的1/3。因此，本文假設(shè)在供暖季節(jié)太陽(yáng)能的保證率為15%以上，太陽(yáng)能利用方式為，在白天獲得的太陽(yáng)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(wú)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(zhǎng)，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(jiàn)，太陽(yáng)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(cè)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(cè)試條件有重要關(guān)系，考慮到我國(guó)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(cè)試條件，如表1所示。
表1 集成不同輔助熱源的集成系統(tǒng)性能測(cè)試運(yùn)行條件
住宅太陽(yáng)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(wú)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(guò)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(wú)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(yáng)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(yáng)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(cè)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(yáng)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(wú)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(yáng)能供暖系統(tǒng)中，消耗能源有多種類型，包括太陽(yáng)能、電能和燃?xì)?、環(huán)境空氣熱源利用，因此，在考核系統(tǒng)能效時(shí)，太陽(yáng)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：
式中：
PAPFIES———集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)；
S——太陽(yáng)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(yáng)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(yǔ)
集成空氣源熱泵或燃?xì)獠膳療崴疇t的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，能較好解決太陽(yáng)能輻照不穩(wěn)定問(wèn)題，但多種熱源聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生的問(wèn)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。
來(lái)源：中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)資訊網(wǎng)（原創(chuàng)）
