太阳能热泵中央热水系统设计原理模板.doc
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1、太阳能热泵中央热水系统摘要: 太阳能中央热水系统通常采取多种能源锅炉作为辅助热源,本文提出了一个太阳能热泵中央热水系统形式,介绍了其工作原理和各组成部分设计要求和工程应用实例。太阳能热泵中央热水系统以太阳能辅助加热空气源热泵机组作为太阳能系统辅助热源,在北方严寒地域冬季运行可靠稳定,整年综合节能率85%以上,是一个实用环境保护节能技术,含有一定推广应用价值。0 引言现在,越来越多住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所采取太阳能作为其中央热水系统关键热源。这些场所通常要求卫生热水在一定时间段内或全天二十四小时连续供给,为满足太阳能不足时用热需求,使太阳能集热系统投资愈加经济,通常采取电加热器或电锅炉
2、、燃煤或燃油(气)锅炉、市政热力等作为太阳能中央热水系统辅助热源。热泵技术是一个新型节能制冷供热技术,长久以来关键应用于建筑物采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环境保护方面良好表现,卫生热水供给系统也越来越多采取热泵设备作为热源2。其中以室外空气为热源空气源热泵,结构简单,不需要专用机房,安装使用方便,在卫生热水供给方面含有不可替换优势,除了比较大型空气源热泵热水系统外,现在已经有多个品牌小型家用空气源热泵热水器也投放市场。但空气源热泵一个关键缺点是供热能力和供热性能系数伴随室外气温降低而降低,所以它使用受到环境温度限制,通常适适用于最低温度-10以上地域3。将热泵技术和太阳能结合供给生活热
3、水,中国外进行了很多这方面研究,关键有两种方法,一个是直接以空气源热泵作为太阳能系统辅助加热设备,另一个是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵蒸发器太阳能热泵系统。前者以太阳能直接加热为主以空气源热泵为辅,处理太阳能供热连续性问题,但依旧无法摆脱环境温度对热泵制热性能影响;后者完全以太阳能作为热泵热源,大大提升了太阳能利用效率,但太阳能资源不足时仍需要增加其它辅助热源,而且热泵供热能力受太阳能集热量限制,规模通常比较小。在大型太阳能中央热水系统中,空气源热泵无疑是一个比较理想辅助加热设备,为了改善空气源热泵在低温环境下制热运行性能,扩大它使用区域,结合中国外太阳能热泵研究中优异经验
4、,我们研制了一个适合于低温环境中工作太阳能热泵中央热水系统。该系统采取一个新型采取低温太阳能辅助空气源热泵机组和太阳能集热系统结合,太阳能和热泵互为辅助热源,最大程度利用太阳能,处理阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供给确保率,做到整年、全天候供给热水。1 太阳能热泵中央热水系统组成1.1 太阳能热泵中央热水系统基础组成太阳能热泵中央热水系统关键组成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热空气源热泵机组,其它辅助设备和常规中央热水系统相同,包含太阳能循环泵、热水加热环泵、换热器、热水箱及控制器等。图1所表示。图1:太阳能热泵中央热水系统示意图1.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组1.2.1
5、 太阳能辅助加热空气源热泵机组工作原理为使空气源热泵在低温环境中高效、稳定、可靠运行,中国外众多科研单位和生产企业进行了研发和改善,归纳起来关键有三种方法。一是依靠外界辅助热源来提升热泵低温制热性能,比如经过电加热提升热泵制热出水温度、采取燃烧器辅助加热室外换热器、在压缩机周围敷设相变蓄热材料以增加低温条件下制热运行出力等等;二是经过改善制冷剂循环系统来提升热泵低温制热性能,比如采取双级压缩空气源热泵,设中间补气回路空气源热泵等;三是采取变频系统,低温工况下让压缩机高速工作增加工质循环量,同时向压缩机工作腔喷液以预防其过热,从而使热泵机组能够正常运行。太阳能辅助加热空气源热泵机组是基于上述第一
6、个方法而产生,图2所表示。在机组蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时,高于环境温度太阳能热水流经该辅助换热器,和将进入蒸发器室外空气进行热量交换提升其温度,从而使制冷剂在相对较高环境里蒸发吸热,提升了蒸发温度,改善了压缩机工作情况。图2、太阳能辅助加热空气源热泵机组示意图1.2.2 太阳能辅助加热空气源热泵机组性能特点7和一般空气源热泵相比较,太阳能辅助加热空气源热泵机组在低温工况下运行含有以下多个显著特点:(1)COP显著提升在一样环境温度下,太阳能辅助加热使制冷剂系统蒸发温度得以提升,机组制热性能系数较一般空气源热泵机组有了显著提升,热泵制热性能系数随蒸发温度改变情况图2
7、所表示。(2)预防蒸发器结霜,降低除霜时间因为辅助热源加热作用,提升了进入蒸发器空气温度,使其结霜可能性降低,这么就能够预防蒸发器表面结霜,使其保持较高换热效率,同时,机组化霜次数和时间也大大降低,能够节省大量电能,并确保热泵机组连续不间断运行。(3)改善空调压缩机工作环境,延长机组使用寿命在环境温度较低时,空调压缩机压缩比急剧升高,压缩机排气温度常常会超出压缩机许可工作范围,从而造成压缩机频繁启停,无法正常工作,长此以往,将会损伤压缩机整体性能,降低空调设备使用寿命。经过太阳能作为辅助热源提升系统蒸发温度,间接改善了压缩机工作环境,不仅处理了压缩机在外界低温环境下不能正常工作问题,而且能够使
8、整个热泵机组使用寿命有效延长。1.2.3 太阳能辅助换热器设计辅助换热器在热泵蒸发器外侧,作为热泵机组一个部件和热泵机组同时设计生产,采取和蒸发器一样外型尺寸和材质翅片管换热器。辅助换热器换热面积、空气经过温升及其和热泵蒸发器间距应依据太阳能集热器能够提供辅助热量、太阳能水温、环境温度及热泵机组蒸发温度、排风量等参数进行设计计算。1.3 太阳能集热器现在在太阳能热水工程中通常采取太阳能集热器关键有平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器五种8。对于整年使用比较大型太阳能中央热水系统,要求太阳能集热器应含有一定承压能力,比较高集热效率,
9、比较小管道阻力,抗冻能力强,易于维护。在这多个太阳能集热器中,全玻璃真空管集热器即使热集热效率高,市场拥有率大,但因其不能承压运行,轻易冻裂,不宜用在大面积太阳能热水系统中,绝大部分全部被用作家用太阳能热水器集热部件。其它四种均为金属吸热体太阳能集热器,能够承压运行,适适用于在大型太阳能热水工程中应用。平板集热器是应用比较早一个太阳能集热装置,一直以来也是世界太阳能市场主导产品,广泛应用于多种低温热水加热领域,但伴随真空管太阳能集热器出现,受其本身结构局限,在集热效率上已不含有优势,因防冻问题和集热性能受季节和环境影响较大,现在关键在南方冬季气温较高地域应用,在北方严寒地域冬季运行效果欠佳,不
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