直膨式太陽能輔助熱泵熱水器運(yùn)行能耗計算

直膨式太陽能輔助熱泵熱水器運(yùn)行能耗計算

0太陽能熱泵熱泵供熱利用空氣源熱泵和太陽能生產(chǎn)生活熱水是建筑能、可支配能源和污染物減少的重要課題?？諝庠礋岜脽崴鹘陙碓谖覈l(fā)展迅速,然而,空氣源熱泵熱水器在冬季運(yùn)行時,室外換熱器表面結(jié)霜,導(dǎo)致熱泵性能衰減,制熱容量不足,甚至出現(xiàn)故障而死機(jī)。傳統(tǒng)的太陽能熱水器在我國已有較好的市場,它具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn),但是存在著陰雨天間斷運(yùn)行、冬季集熱器效率低、制取熱水困難等問題。直膨式太陽能輔助熱泵熱水器(DX-SAHP-WH)的制冷劑流經(jīng)太陽能集熱器/蒸發(fā)器,吸收太陽能和太陽能集熱器/蒸發(fā)器周圍空氣的熱能,用于制取生活熱水。由于將太陽能熱利用與空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,綜合了太陽能熱利用與空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著提高。與空氣源熱泵熱水器相比,年能效比可提高27.7%。1冷凝器盤管結(jié)構(gòu)及原理按照冷凝器位置的不同,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器有3種典型結(jié)構(gòu)(圖1,2,3)。圖1所示的是浸入式結(jié)構(gòu),冷凝器盤管置于水箱內(nèi),直接與需要加熱的水接觸。這種設(shè)計的傳熱效率高,缺點(diǎn)是維修不便,一旦冷凝器盤管泄漏,將會污染水質(zhì)。另外,水中一般都含有氯離子等,易對銅等金屬表面造成腐蝕,所以要求對浸入式冷凝器盤管的表面進(jìn)行防腐處理。圖2所示的是外繞式結(jié)構(gòu),冷凝器盤管圍繞在水箱金屬內(nèi)壁的外表面,然后敷設(shè)保溫層,加上外殼。外繞式結(jié)構(gòu)克服了浸入式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),但是冷凝器換熱效率低,可以用增加冷凝器盤管表面積的方法來彌補(bǔ)。圖3所示的是熱虹吸結(jié)構(gòu),冷凝器盤管在套管內(nèi),套管里的水和水箱里的水由于熱虹吸作用而對流。水箱下部溫度較低的水進(jìn)入冷凝器套管底部,被冷凝器加熱后上升,從冷凝器套管的上部進(jìn)入水箱的上部,循環(huán)往復(fù)。冷凝器直接與需要加熱的生活用水接觸,但不是在水箱內(nèi),而是在水箱外的套管內(nèi)。與浸入式結(jié)構(gòu)相比,這種設(shè)計的可維修性改善,但是增加了外置的冷凝器套管,結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜些。圖4是直膨式太陽能輔助熱泵熱水器制冷劑熱力循環(huán)的壓焓圖。由圖4可見,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器是一個基本的蒸氣壓縮熱泵循環(huán)。節(jié)流裝置出口的低溫、低壓兩相流制冷劑進(jìn)入太陽能集熱器/蒸發(fā)器,吸收太陽能和環(huán)境空氣的熱能,氣化成低溫低壓制冷劑氣體(過程1-2)。該低溫低壓制冷劑氣體接著進(jìn)入壓縮機(jī),被壓縮成高溫高壓氣體,繼而被送往冷凝器(過程2-3)。在冷凝器中,制冷劑釋放熱量給另外的介質(zhì)(這里是水或水箱內(nèi)壁),冷凝成高溫高壓液體(過程3-4)。然后,該高溫高壓液體制冷劑通過節(jié)流裝置(膨脹閥或毛細(xì)管),膨脹成低溫低壓兩相流(過程4-1),完成一個熱泵循環(huán)。澳大利亞學(xué)者M(jìn)orrison等開發(fā)出了兩款緊湊式直膨式太陽能輔助熱泵熱水器(圖5,6),已經(jīng)商品化進(jìn)入市場。這兩款設(shè)計都是外繞式冷凝器結(jié)構(gòu),即冷凝器外繞在水箱的金屬內(nèi)殼上,不與水直接接觸。圖5所示的熱水器,采用了平板型太陽能集熱器/冷凝器,集熱器/冷凝器與水箱分離,水箱的位置靈活,可以將水箱安裝放在室內(nèi),其缺點(diǎn)是太陽能集熱器/冷凝器需要現(xiàn)場安裝。圖6所示的熱水器,太陽能集熱器/冷凝器是水箱的圓桶外殼,與水箱成為一體,免去了現(xiàn)場安裝太陽能集熱器/蒸發(fā)器的施工,但放置位置受到限制。臺灣學(xué)者Huang等開發(fā)了接近于商業(yè)應(yīng)用的一體化DX-SAHPWH熱水器(圖7)。它屬于熱虹吸式結(jié)構(gòu)的一種,太陽能集熱器/蒸發(fā)器作為熱水器的外殼。這種一體化設(shè)計免去了現(xiàn)場安裝太陽能集熱器/蒸發(fā)器的施工。實驗機(jī)已運(yùn)行多年,性能穩(wěn)定。2直接表面熱的散熱器經(jīng)濟(jì)分析2.1供熱的需求綜合分析《2004~2006年中國城市燃?xì)饩弋a(chǎn)品消費(fèi)需求調(diào)研報告》和來自熱水器行業(yè)的統(tǒng)計,我國城市居民對熱水器的實際需求量平均每年為930萬~1000萬臺。按每年直膨式太陽能輔助熱泵熱水器銷售量為93萬臺,按每臺平均價格為5000元,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器每年有約46.5億元的市場份額。2.2系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析我國住宅熱水(65℃)用量占總用水量的40%~50%。我國住宅平均每人每日用水量為113~163L,每人每日熱水用量為45~80L。按每人每日熱水用量60L,則一個三口之家每日每戶熱水用量為180L。如果冷水的年平均溫度為16℃,則每戶全年熱水熱負(fù)荷為1.35×107kJ。各類熱水器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較列于表1。從表1分析可見:DX-SAHPWH的運(yùn)行成本最低,僅為電熱水器的1/3,燃?xì)鉄崴鞯?/2,空氣源熱泵熱水器的4/5,略低于太陽能熱水器的運(yùn)行成本。從結(jié)構(gòu)上看,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器的市場價格應(yīng)與空氣源熱泵熱水器相當(dāng)。市場調(diào)查顯示,120L的空氣源熱泵熱水器,市場價格為3000~4000元,200L的空氣源熱泵熱水器,市場價格在7000~8000元。三口之家一般需要150L的直膨式太陽能輔助熱泵熱水器。與電熱水器相比,使用直膨式太陽能輔助熱泵熱水器,兩年左右即可回收額外的初投資。2.3年用電量少,數(shù)量小到2020年,我國將有居民約5億戶。若那時有15%的居民使用直膨式太陽能輔助熱泵熱水器,即保有量為7500萬臺,與使用電熱水器相比,年節(jié)電可達(dá)1906億kWh,多于2個三峽水電站的年發(fā)電量。從減少污染物排放的社會效益來看,年節(jié)電1906億kWh,就相當(dāng)于減少701.4億kg標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒(目前我國重點(diǎn)火力發(fā)電廠,每發(fā)電1kWh耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.368kg)。按燃燒1kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生2.5kg二氧化碳、0.075kg二氧化硫計,相當(dāng)于每年減少二氧化碳排放1753.5億kg,減少二氧化硫排放52.6億kg。3直膨式太陽能輔助熱泵熱泵熱泵熱泵供熱(1)直膨式太陽能輔助熱泵熱水器將太陽能熱利用與空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,綜合太陽能熱利用與空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn),可以全天候提供熱水,系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性能顯著提高。(2)與太陽能熱水器相比,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器的集熱器/蒸發(fā)器表面溫度低,即使在冬天,太陽能利用效率也很高;太陽能集熱器/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)輕,面積小,布置靈活,安裝方便。與空氣源熱泵熱水器相比,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器可以基本避免因氣溫太低而發(fā)生故障。(3)與其他熱水器相比,直膨式太陽能輔助熱泵熱水器能耗最小,運(yùn)行費(fèi)僅為電熱水器的1/3燃?xì)鉄崴鞯?/2,空氣源熱泵熱水器的4/5。(4)使用直膨式太陽能輔助熱泵熱水器,比使用電熱水器每戶每年可減少運(yùn)行費(fèi)約1500元,2年左右即可回收額外的初投資。(5)目前我國居民使用的燃?xì)鉄崴鲗儆诩磿r加熱型,沒有水箱。這種熱水器舒適性差,啟動頻繁,存在安全隱患。隨著人們生活質(zhì)量的提高,即時燃?xì)鉄崴鞯氖袌鰰饾u萎縮。如果改用水箱型燃?xì)鉄崴?其價格優(yōu)勢會大幅度減小。(6)直膨式太陽能輔助熱泵熱水器技術(shù)在我國尚不成熟,離產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)距離。需要在技術(shù)研發(fā)方面給予政策支持和資金投入,