（环境科学专业论文）空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究.pdf

a b s t r a c t l i v i n gh o tw a t e re n e r g yc o n s u m p t i o na sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n ，h a st a k e ns o m ep r o p o r t i o n si nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no fo u r n a t i o n a le c o n o m y , a n dw i t ht h e i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h e r e q u i r e m e n to fl i v i n gh o tw a t e rw i l lb e c o m em o r ea n dm o r e t r a d i t i o n a lp r e p a r a t i o n m e t h o do fh o tw a t e rl i k et h eb o i l e rw h i c hu s e c o a l ，o i lo rg a sa saf u e lw i l lc o n s u m ea 1 0 to ff o s s i lf u e la n da l s op o l l u t et h ee n v i r o n m e n ts e r i o u s l y d u et ot h a t an e wa n d l l i g he f f i c i e n tp r e p a r a t i o nm e t h o df o rh o tw a t e ri sv e r yi m p o r t a n ta n ds e r i o u s l vn e e d e d a i r - s o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) a s s i s t e ds o l a rw a t e r h e a t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e do n t h eb a s i so fh e a tp u m pa n ds o l a rh e a tt e c h n i q u e s i tm a k e sf u l lu s eo ft h er e n e w a b l e a n dp o l l u t i o n f r e es o l a re n e r g y , a n dt h e nh a v et h er e c o u r s e st ob eb e s t p r o f i t a b l v o c c u p i e d t h r o u g hm el l i g hh e a tp u m pt e c h n i q u e ，w h i c hm a k e si to n eo ft h em o s te n e r g y s a v i n gm e t h o d s h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e r f li sc l o s e l yb o u n du pw i t h o u t d o o rc l i m a t e t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c e sw h e ni ti su s e di nd i f f e r e n tr e g i o n s b a s e d o i lt h ec l i m a t ef e a t u r e so fj i a n g h u a ia r e a , t h i sa r t i c l ew a st r y i n gt of i g u r eo u tt h e a p p l i c a t i o np o t e n t i a la n dp o p u l a r i z a t i o nv a l u eo fa s h pa s s i s t e ds o l a rw a t e rh e a t i n g s y s t e m t 拉sp a p e rd e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa s h pa s s i s t e ds o l a rw a t e r h e a t i n gs y s t e ma n di t sd e s i g no ft h em a j o r c o m p o n e n t s ，b yw h i c ht h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r eg i v e na n dt e s t sw e r ec a r r i e do u tt o r e s e a r c h f o c u so nt h eu s e r so ft h i ss y s t e mi nj i a n g h u a ia r e a , o p e r a t i o np e r f o r m a n c e w a sa n a l y s e db yc a l c u l a t i n gt h ed a t am o n t h b ym o n t h i na d d i t i o n ，w ea l s oh a da l o n g 。t i m em o n i t o r i n gf o rs o m ed e m o n s t r a t i o np r o j e c ti nt h i sr e g i o na n dg o t 廿1 eh e a t e n e r g yc o l l e c t e d ，h e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nd i f f e r e n ts e a s o n sa n da l s ot h e s y s t e m sp e r f o r m a n c eo nt y p i c a lc l i m a t ed a y s ，s ot h a tw ec a np r o p o s ea c o r r e s p o n d i n g i m p r o v e m e n ts c h e m ei nr e f e r e n c et ot h ed e f i c i e n c y si nd e s i g na n dc o n t r o lo ft h i s s y s t e mw h i c hw e r ef o u n dd u r i n gt h et e s ta n dr e s e a r c h l a s t l y , o nt h eb a s i so ft h ea b o v et h e o r ya n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h , t h ep a p e rc a r r i e d o nac o n t r a s ta n a l y s i so f a s h pa s s i s t e ds o l a rw a t e r h e a t i n gs y s t e mw i t hs o m eo t h e r t r a d i t i o n a lw a y sf r o mt h et h r e ea s p e c t sw h i c hw e r ee n e r g y s a v i n gb e n e f i t ，e c o n o m i c b e n e f i ta n dc o n s e r v a t i o nb e n e f i t o fw h i c he c o n o m i cb e n e f i tc o n t r a s tu s e dc o s t 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究坐 y e a r - e n dv a l u em e t h o d ，a n dc o n s e r v a t i o na s p e c tw a sd e t a i l e d l ya n a l y z e dd i s c h a r g e a m o u n to f p r i m a r y e n e r g yp o l l u t a n t s ，g r e e n h o u s eg a sr e d u c t i o na n dt h es y s t e m s e c o n o m i c sa f t e rt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt a xw a sa d d e d b e s i d e s ，t h es o l a r e n e r g yp r o b a b i l i t y , e n e r g yp r i c e sa n ds o m eo t h e ri m p a c tf a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c e a n db e n e f i t sw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a b o v ea l lr e s u l t si n d i c a t e dt h a to nt h ec o n d i t i o no ft h ec l i m a t ef e a t u r e si n j i a n g h u a ia r e a ，c o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d l i t i o n a lh e a ts o u r c ew a y s ，a s h pa s s i s t e ds o l a r w a t e rh e a t i n gs y s t e mi st h em o s te c o n o m i c a lm a n n e rw i t ht h el o w e s te n e r g y c o n s u m p t i o n , a n da l s oi tc a l lr e s u l ti n t op o l l u t a n t s r e d u c t i o nd u et oi t se n e r g ys a v i n g , w h i c hp r o d u c e sp o s i t i v ee f f e c t so nt h ep r e s e n te n v i r o n m e n t a ls t a t u so ft h i sa r e a , s oi ti s s u i t a b l ef o rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nt h i sr e g i o n k e yw o r d s ：a i r - s o u r c eh e a tp u m p ；s o l a rw a t e r ；j i a n g h u a ia r e a ；t e s t ；e n e r g ys a v i n g a n dc o n s e r v a t i o nb e n e f i t 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究! 坐 符号表 c o p系统性能系数 c o p n 热泵性能系数 c o p 宴考虑热损失后系统实际供热性 能系数 系统总集热量，l 【j 太阳能热水单元的有效集热量， k j 空气源热泵热水单元的有效集 热量，k j 电加热单元的有效集热量，u 用户用热量，u 系统总能耗，k j 水泵能耗，k j 空气源热泵能耗，k j 电加热能耗，u 集热器瞬时效率 集热器日平均效率 电加热器效率 集热器进口水温， 集热器出口水温， 环境温度， 水箱终温， 水箱初温， 冷水温度， 单位面积集热器采光面上的瞬 时太阳辐射量，w m 2 集热器表面所接受的太阳辐 射量，k j c 水的定压比热，k j k g m 设计日用水量，t d 沂年平均或月平均日太阳辐射量， k j m 2 么c 集热器的采光面积，m 2 厂太阳能保证率 刀l 管路及水箱热损失率 q g 热泵机组设计小时平均秒供热量， k w y 水箱容积，l g 单位热水能耗，k w h t z d 按动态法计算的年计算费用，元a f利率 k 设备总投资额，元 c 系统供热年运行费用，元a 以设备使用寿命年限，a q c 0 2 系统寿命期内的c 0 2 减排量，k g f c 0 2 碳排放因子，埏碳k g 标准煤 e f f常规能源水加热装置的效率 下标 s太阳能热水系统 h空气源热泵 e电加热器 a年 m 月 q 甄 组 观蚰形骄耽刁钆砜n允岛梳九岛 日 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弼矫坪 签字e l 期： 如f o 年f 月诺e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名嘭娇坪 签字e l 期：) o f o 年堂月遮e l 导师签名6 悼之 签字日期：乒夕，绵j 月彤e l 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究三 1 1 课题研究背景 第一章绪论 i 1 1 节能减排的紧迫性 改革开放以来，我国经济总量和工业规模快速扩张。在国民经济快速增长的 拉动下，我国的能源需求和污染物排放量也大幅度增加。据统计，2 0 0 2 - 2 0 0 4 年 间，我国的能源消耗增加了将近4 0 ，其中煤、石油、天然气和水电的消耗量分 别增长了4 5 、3 3 、3 7 和3 0 【i 】。我国的能源结构中，煤炭是主导能源，但据 预测，如果按现在的开采速度，我国煤炭的供给年限保守估计在6 0 年左右。石油 是工业的血脉，但是现在本国供给已经不能满足自身的需要，大量依靠进口。虽 然我国的水利资源丰富，但水电也只占到6 ，煤炭、石油是不可再生能源资源， 一旦能源枯竭，势必会影响我国国民经济的正常运行【2 】。 我国能源需求的快速增长及以煤炭为主的能源消费结构使得环境污染日益加 剧，导致大气污染物如烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳的排放量都位居世 界第一。二氧化硫和氮氧化物能够在离源头很远的地方导致酸雨，造成土壤污染， 扰乱当地生态；微粒物质，特别是粒径较小的颗粒污染物，能够导致呼吸系统疾 病；而大气中c o 含量每增长一倍就会使低层大气年均温度升高1 5 - - 3 0 c ，造成 温室效应，破坏自然界正常生态平衡，导致全球变暖 3 j 。图1 1 所示为1 9 7 0 , - 一1 9 9 0 及1 9 9 0 2 0 0 4 两个时间段我国和其他主要国家二氧化碳年均增长率，从图中可以 看出，1 9 9 0 年以后我国二氧化碳排放量增长迅速，增长率达到4 8 左右，大大超 过该时期其他国家的增长水平。国际地球科学信息网络中心发布的2 0 0 5 年环境可 持续性指标( e s i ) 显示了中国环境污染的严重程度：依据2 1 个环境指标，中国在 全世界1 4 5 个国家中排在第1 3 3 位。2 0 0 4 年中国有6 0 的城市未能达到国家二级空气 质量标准。全世界污染最为严重的城市中，中国占了6 个【i 】。 能源与环境问题的严重性已经引起了我国政府的高度重视，国家“十一五” 规划提出了单位国内生产总值能耗下降2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 的 约束性指标。通过优化产业结构、大力发展新能源等一系列措施，截止0 9 年上半 年，我国单位国内生产总值能耗比2 0 0 5 年降低1 3 ，相当于少排放8 亿吨二氧化碳。 人类生存环境的恶化，也引起了各国政府和国际社会的高度关注。2 0 0 9 年1 2 月7 日 至1 8 日联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根召开，来自1 9 2 个国家的谈判代表 扬州大学硕士学位论文 h ij ? 1 3 参 皤鹞 1 1 二氧化碳排放年均增长( ) 1 9 7 0 1 9 9 0 b 二氧化碳排放年均增长( ) 1 9 9 0 2 0 0 4 数据来源：世界银行数据库，世界发展指标2 0 0 8 年。 圈卜1 二氧化碳排放年均增长围 商讨t 2 0 1 2 至2 0 2 0 年全球减排协议，作为对全球经济及气候变化有着重要影响的 中国，提出t 至t j 2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳排放量l l 2 0 0 5 年下降4 0 至4 5 的自主减排目标。为了早r 实现这一目标，缓解日益紧张的资源与环境压力，合 理配置资源，优化能源结构，减少常规能源消耗，大力推行技术可行、经济有效 的可再生清洁能源与节能技术显得尤为迫切和重要。 1 1 2 建筑节能的重要性 近年来，我国建筑行业发展迅速，已经成为国民经济支柱产业，在经济发展中 发挥着日益重要的作用。但建筑规模的增大也带来了建筑能耗的迅猛增长，据统 计，目前建筑能耗已接近全国总能耗的3 0 ，并将持续增加。因此寻求和利用清洁 可再生能源在建筑中的应用，实现建筑节能显得尤为重要。“十一五”期间，全社 会的节能目标为2 4 亿吨标准煤，而建筑节能将占4 0 ：到2 0 2 0 年，绝大部分既有 建筑将实现节能改造，北方和沿海经济发达地区和特大城市新建建筑要实现建筑 节能6 5 的目标i ”。 生活热水能耗在建筑总能耗中占有相当一份比例，而今后城市建筑能耗可能 出现的大幅度增长点很可能就是生活热水用能。目前，我国城镇人均生活热水用 量远低于发达国家，随着生活水平的提高，人们对生活热水的需求必将越来越大， 这将给建筑节能目标的实现带来很大的压力。 1 2 课题研究的意义 生活热水的使用已成为衡量生活水平和社会文明程度的标志。据统计，我国 发达城市的住宅中已经开始普及生活热水供应，其生活热水能耗占到了建筑总能 门1 气i 吒 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究三 耗的1 5 2 0 5 1 。目前制备生活热水的主要方式是燃气和直接电热，这都属于高 能耗、低效率方式。为避免由于生活热水需求的增长造成的能耗增长，就需要开 发和推广生活热水低能耗制备技术，这将对实现建筑节能、保护环境有重要意义。 1 2 1 太阳能资源的利用 太阳能是世界上最丰富的永久能源。地球截取的太阳辐射能通量为1 7 1 0 1 4 k w ，比核能、地热和引力能储量总和还要大5 0 0 0 多倍。其中约3 0 被反射回 宇宙空间；4 7 转变为热，以长波辐射形式再次返回空间；约2 3 是水蒸发、凝结 的动力，风和波浪的动能；植物通过光合作用吸收的能量不到0 5 。地球每年接 收的太阳能总量为1 1 0 1 8 k w h ，相当于5 x1 0 1 4 桶原油，是探明原油储量的近千 倍，是世界年耗总能量的一万余倍，正如通常所说的“取之不尽、用之不竭”，虽 然太阳辐射能的通量密度较低( 大气层外为1 3 5 3 w m 2 ) ，太阳光通过大气层会进 一步衰减，还会受到天气、昼夜以及空气污染等因素的影响呈现间歇性质，但如 果系统配置储热装置做到热能能级的合理匹配就可以使太阳能发挥最佳效益【5 】。在 能源和环境问题日益凸现的今天，太阳能作为一种可再生的清洁能源已经被人们 誉为2 1 世纪最有希望的能源。 近年来，各国都在积极发展太阳能技术，太阳能主要利用途径有光热转换、 光电转换、光化学转换、光生物转换等。其中用太阳能加热低温热水( 小于1 0 0 ) 的太阳能热水器系统，是当前太阳能热利用中技术最成熟、经济上最具竞争 力、应用最广泛、产业化发展最快的领域。我国的太阳能热水器产业在进入2 0 世 纪9 0 年代后期以来发展迅速，现在已成为世界上产量最多、总使用量最高、发展 潜力最大的太阳能热水器市场之一。 1 2 2 热泵技术 热泵技术是全世界近年来倍受关注的一项环保型节能技术，其基本原理是通过 消耗一定的高位能，把不能直接使用的低品位能源( 空气、水、土壤、太阳能及 废热等) 经过提升后转换成有用热能，从而可达到节约一部分高位能的装置。通 常输入一份的高位能，通过热泵提升后可得到3 4 份的有用热能，p 值越高， 热泵提升后的有用热能越多。因此，在矿物燃料逐渐短缺的当今世界，利用低位 能的热泵技术已引起人们的兴趣和重视，这是一条极重要的节能途径。 长期以来，热泵在空调领域得到了广泛的研究和应用，热泵作为绿色空调技 术具有显著的环境效益。据统计：与燃煤锅炉相比，使用热泵平均可减少3 0 的 c 0 2 排放量；与燃油锅炉相比，c 0 2 排放量减少了6 8 ，排热量也大大减少了。据 4 一 扬州大学硕士学位论文 国际能源署( i e a ) 热泵中心对热泵环境效益所作的评估：1 9 9 7 年，全世界建筑物 和工业中所装热泵使得每年全球c 0 2 排放量( 2 2 0 亿吨) 减少了0 5 ( 1 1 4 亿吨) ， 如果目前市场上的热泵全部投入使用，并在建筑物采暖方面所占份额达 3 0 ，则能减少c 0 2 排放量1 0 亿吨，同时工业热泵再减少2 亿吨，则全球c 0 2 排 放量可减少6 ( 1 2 亿吨) 【6 】。由于热泵显著的节能环保效益，近年来，人们逐渐 将热泵的应用拓展到卫生热水的供应，热泵热水器市场初具规模。 1 2 3 空气源热泵辅助太阳能热水系统的提出 太阳能资源清洁无污染，取之不尽、用之不竭。政府部门陆续制定相关规范 鼓励或强制太阳能在建筑中的应用。江苏省在2 0 0 9 年1 2 月1 日起施行的江苏 省建筑节能管理办法中作出规定：新建宾馆、酒店、商住楼等有热水需要的公 共建筑以及十二层以下住宅，应当按照规定统一设计、安装太阳能热水系统；鼓 励既有居住建筑和宾馆、酒店、商住楼等有热水需要的公共建筑在进行节能改造 时，设计、安装太阳能热水系统。强制规定有利于太阳能资源的进一步开发利用， 但是不可忽视太阳能也有其自身的缺点：能源密度低，强度受季节、气候地点的 影响，不能维持常量。在太阳辐照充足时，太阳能热水系统除需消耗水泵的能耗 维持循环过程，其他能耗均为零；但在夜晚、阴雨天气或太阳辐射强度较弱时， 为了满足全天候的运行，还需要其他热源辅助加热。常规采用电辅助加热方式， 但从全年运行的情况看难以达到很好的节能省钱的目的。 热泵根据低位热源不同可以分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵、太阳能 热泵等。空气源热泵以环境空气中蕴含的丰富低品位太阳潜能作为其热源，具有 处处都有，随取随用的特点，其运行不受阴雨天气的影响而实现四季供热；在制 造方面，空气源热泵系统较其它可再生能源设备更易实现标准化批量生产，工艺 研制已经比较成型，产品规格齐全，品牌繁多；且机组初投资相对水源、地源等 其他热源热泵较低，安装和维护工作更易进行并且使用方便。但空气源热泵低温 热源的温度随室外气候的变化而变化，当室外温度降低时，热泵的供热量及效率 也随之下降，尤其当冬季室外湿度降到o 左右时机组存在结霜除霜的问题，换热 效果恶化，严重时机组甚至会损坏。因此用空气源热泵来制取热水适宜用于冬天 不太冷的地区。 结合太阳能热水系统和空气源热泵的各自的特点，提出将这两个系统进行有机 结合，组成空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的方案。用空气源热泵作为辅助 热源能弥补常规太阳能热水系统的缺陷，且本身具有节能性，因此能够实现高效、 全天候运行，在理论上具有很大的节能潜力。但是这两种热源供热性能分别受太 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究三 阳辐射和温度的影响，因此对该系统的研究需要在不同地区、不同气候条件下进 行。 江淮地区位于淮河以南长江以北，夏热冬冷。传统的集中热水热源有燃煤、燃 油、燃气、电加热锅炉和热电厂蒸汽等。由于对环保要求的不断提高，燃煤锅炉 的使用受到了很大限制；而近年来由于石油价格飙升，燃油锅炉用户也大幅度减 少：电锅炉不经济，用的也不是很多；燃气锅炉、热电厂蒸汽相对来说经济性和 环保性较好，但对于燃气、蒸汽管道没有铺设的地区无法使用，且随着能源的日 益紧张，燃气、蒸汽价格未来必将呈现较大的增长趋势。因此该地区迫切需要一 种能满足节能环保要求的新型热源替代传统热源方式。本文基于此出发点，主要 研究江淮地区气候条件下空气源热泵辅助太阳能热水系统的运行性能、节能效果、 经济性和对该地区的环保效益，为该系统是否适宜在江淮地区推广提供理论依据。 1 3 空气源热泵与太阳能热水系统结合形式及其特点【7 】 随着太阳能产业的快速发展，人们发现单一的太阳能装置对许多连续用能的 用户来说是不能满足要求的。因此利用热泵的节能技术特点将热泵技术与太阳能 利用联合运行受到人们的关注，从2 0 世纪5 0 年代初开始日本、美国、欧洲等发达 国家对太阳能热泵进行了研究与开发，并取得了显著的成效。 太阳能集热器与空气源热泵的组合形式主要分成四种，分别叫做直接膨胀式 太阳能热泵、串联式太阳能热泵、并联式太阳能热泵和双热源式太阳能热泵热水 系统。 在直接膨胀式太阳能热泵( d i r e c t - e x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，d x s a h p ) 热水系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，如图1 2 所示。晴天，制 冷剂直接在集热蒸发器中吸收太阳辐射能而得到蒸发；阴雨天和夜间，该系统即 相当于空气源热泵，由集热蒸发器吸收周围空气中的热量。该形式因系统性能良 好逐渐成为人们研究关注的对象，并也得到了实际的应用( 如太阳能热泵热水器) ； 但是由于涉及到机组本身结构部件( 蒸发器) 的改进，因此其可靠性和制作要求 较高。 串联式太阳能热泵热水系统又称为太阳能水源热泵( s o l a ra s s i s t e dw a t e rs o u r c e h e a tp u m p ，s a w s h p ) 热水系统或太阳能辅助热泵热水系统，系统的集热环路与 热泵循环通过蓄热水箱和蒸发器串联，蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路 吸收的热量，如图1 3 所示。 并联式太阳能热泵热水系统又称太阳能空气源热泵( s o l a ra s s i s t e da i rs o u r c e h e a tp u m p ，s a a s h p ) 热水系统或空气源热泵辅助太阳能热水系统，由传统的太阳 6 扬州大学硕士学位论文 压缩机 供热水 膨胀阀 图l - 2 直膨式太阳能热泵热水系统 = - - - - 0 - 一 图1 3 串联式太阳能热泵热水系统 能集热器和空气源热泵并联组成，如图1 - 4 ( a ) 所示。太阳能单元和空气源热泵单 元各自独立工作、互为补充。当太阳辐射足够强时只运行太阳能系统，否则只运 行热泵系统或两个系统同时工作。其实质相当于用一套空气源热泵机组替代了传 统的电加热器、燃气加热器等辅助热源。 该系统优先使用太阳能，其次运行热泵，节能效果显著。缺点是在寒冷天气 仍存在空气源热泵性能下降，蒸发器表面易结霜的问题。因此人们在蒸发器侧增 加一个空气一水换热器，利用太阳能集热装置收集的高于室外环境的中温水对室 外空气进行预热，从而提高系统运行性能，如图1 _ 4 ( b ) 所示。 j 一i 一1 一 l 才 l l 莎“【刮 l 图1 _ 4 ( a ) 空气源热泵辅助太阳能热水系统 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究 z 4 i 一一口 一 广 l 才 l 三气源热泵 一 l 图1 - 4 ( b ) 带空气预热器的空气源热泵辅助太阳能热水系统 双热源式太阳能热泵( s o l a ra s s i s t e dd o u b l es o u r c e sh e a tp u m p ，s a - d s h p ) 热水 系统有水源和空气源两个蒸发器，用串联式太阳能热泵系统替代了并联式太阳能 热泵系统的太阳能单元部分，如图1 5 所示。该系统由于系统过于复杂，没有成本 优势，目前应用较少。 蛹 蒸发器 图1 - 5 双热源式太阳能热泵热水系统 1 4 本课题的国内外研究状况 1 4 1 太阳能热水系统 1 4 1 1 国外 二十世纪初，太阳能热水器刚刚起步，第一台太阳能热水器在美国加利福尼 亚州诞生，它是一种闷晒式热水器。由于这种热水器造价高，热效率低，因此没 有得到大力推广，这一期间太阳能研究工作处于低潮，太阳能发展比较缓慢。在 第二次世界大战结束后的二十年中，人们重新重视了这一问题，在这一阶段，加 强了太阳能基础理论和基础材料的研究，平板集热器有了很大的发展，技术上逐 扬州大学硕士学位论文 步成熟。但由于投资大，效果不明显，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、 企业和政府的支持。七十年代以后，世界上发生了“石油危机”，使得许多国家重 新加强了对太阳能及其它可再生能源的研究，世界上再次兴起太阳能研究热潮。 这一时期，太阳能处于前所未有的发展时期。真空集热器研制成功，太阳能热水 器、太阳能电池等开始商业化，这一时期规模较小，经济效益尚不理想。九十年 代至今，太阳能产业得到迅速发展，太阳能热水器技术基本成熟，全世界开始广 泛使用太阳能热水器h j 。1 9 9 8 年世界太阳热水器的总保有量达5 4 0 0 万m 2 集热面积。 按人均的太阳能集热面积，塞浦路斯和以色列居世界第一位和第二位，分别为1m 砷 人和0 7m 2 ，人。日本已有2 0 的家庭使用太阳能热水器，以色列这一比例高达 8 0 9 1 。图1 _ 6 所示为2 0 0 1 年部分国家每千位公民占有的集热面积o o 。 图1 石国际能源机构( i e a ) 成员国2 0 0 1 年每千位居民所占有的集热面积 1 4 1 2 国内 我国太阳能热水器行业从上世纪7 0 年代开始发展到9 0 年代进入产业化，经 过了较漫长的发展历程。上世纪7 0 年代，产品以技术简单、造价便宜的闷晒式太 阳能热水器为主。到了8 0 年代，新型的全玻璃真空太阳能集热管诞生，“磁控溅 射渐变铝- 霎【，铝太阳选择性吸收涂层镀膜工艺”的发明，使薄膜的太阳吸收比提升 到8 5 以上。正是这一项成果，使得太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成 为可能，国内太阳能热利用产业初见雏形。进入9 0 年代，随着技术进步和企业规 模的扩大，太阳能热水器逐步形成了闷晒、平板和真空管三种技术系列，实现了 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究竺 产品的系列化和规模化生产。9 0 年代后期，住宅商品化的发展及家庭对热水需求 的大幅度增长，为太阳能热水器的发展提供了巨大的市场空间。自上世纪9 0 年代 以来，我国太阳能热水器行业保持了1 0 多年的快速增长【l 。据国家统计局相关资 料显示，1 9 9 2 年我国太阳能热水器产业年产量只有5 0 万平方米，而到2 0 0 6 年， 我国太阳能热水器年产量已突破1 8 0 0 万平方米，行业总产值已逾2 0 0 亿元。国家 1 9 9 9 2 0 1 5 年新能源和可再生能源产业发展规划预测，到2 0 1 5 年，全国住宅 用太阳能热水器将有2 3 2 亿立方米的拥有量，普及率将达到2 0 - - 3 0 ，到2 0 2 0 年，我国太阳能热水器的安装将达到3 亿平米，总产值将达到3 千亿元。 我国太阳能热水器产业的发展速度之快，引起了国际社会的广泛关注。但是 我国太阳能热水器产业还存在一些亟待解决的问题，如太阳能热水器市场有待进 一步规范，太阳能热水器总体技术水平和产品质量有待进一步提高，太阳能热水 器与建筑的结合问题有待进一步探索研究予以解决等。2 0 0 3 年底，国家发布了四 项太阳能热水器标准：家用太阳热水系统热性能试验方法( g b t 1 8 7 0 8 2 0 0 2 ) 、 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范( g b t 1 8 7 1 3 2 0 0 2 ) 、太阳集热 器热性能室内试验方法( g b t 1 8 9 7 4 2 0 0 3 ) 、家用太阳热水系统技术条件( g b t 1 9 1 4 1 2 0 0 3 ) ，以规范和促进太阳能热利用产业的发展。因此，在政府相关政策的 指导下，在标准规范的逐渐完善和约束下，我国太阳能热水器市场必将日益规范 化，实现健康快速发展。 1 4 2 空气源热泵热水系统 1 4 2 1 国外 热泵的理论基础起源于1 8 2 4 年法国著名物理学家卡诺( s c a m o t ) 发表的著名 论文，随后，英国的开尔文教授于1 8 5 2 年发表的论文中首次提出并描述了关于热 泵的设想，当时称之为热量倍增器( h e a tm u l t i p l i e r ) 。1 9 2 7 年，英国在苏格兰安装 了第一台用氨作工质的家用空气源热泵。1 9 3 1 年，美国南加利福尼亚安迪生公司 洛杉矶办公楼，将制冷设备用于供热，这是大容量热泵的最早应用。在此之后， 美国、英国、瑞典等欧洲国家及日本相继开始对热泵进行了不少的设计与研究， 并取得了许多成果。二战的爆发，在影响与中断热泵发展的同时因战时能源的短 缺又促进了大型供热和工艺用热泵的发展。直至6 0 年代末7 0 年代初，由于过快的 增长速度造成的热泵制造质量较差、设计安装水平低、维修及运行费过高等不利 因素致使热泵的发展进入了低谷。1 9 7 3 年，能源危机的爆发又一次推动了世界范 围内热泵的发展。一些国际组织如国际制冷学会( i i r ) 、世界能源委员会( w e c ) 1 0 扬州大学硕士学位论文 及国际能源机构( i e a ) 等经常组织有关热泵的国际活动与学术会议，促进了热泵 技术的发展【m 1 5 1 。 1 4 2 2 国内 热泵技术的研究及应用在我国起步较早，在6 0 年代，我国就开始开发窗式热 泵空调器，但由于当时我国能源价格的特殊性，以及其它因素的影响，热泵技术 在我国的发展很缓慢。直n 8 0 年代初，分体式热泵空调器才出现。到了9 0 年代， 热泵技术得到了空前的发展，先后开发了整体式风冷热泵冷热水机组、模块式风 冷热泵冷热水机组、水源热泵等。到了最近几年，空气源热泵冷热水机组市场达 到了空前的繁荣，生产厂家由1 9 9 5 年的十几家发展到现在的4 0 多家，产品规格非 常齐全。不过上述都是热泵在暖通空调中的应用，而利用热泵技术来制取生活热 水的“空气源热泵型热水机组 ，是最近几年才在我国兴起的中央热水设型1 6 1 。 空气源热泵热水器在国外已有近2 0 年的历史，现在大约有3 0 0 万台同类设备 在欧美各国使用。在东南亚、澳大利亚等一些地区和国家的宾馆、学校、企事业 单位，6 0 热水7 5 以上的供给量是空气源热泵热水器加热的【r 7 1 。空气源热泵热 水器在我国香港和台湾地区也有将近5 0 的使用掣1 8 】。近几年来，已逐渐被引进 内地并在小范围内推广使用，主要集中在经济发达的长江三角洲和珠江三角洲地 区。随着能源问题日益引起人们的关注，业内人士认为，这一行业未来几年必然 得到大的发展。从目前的市场统计数据来看，虽然空气源热泵热水器在内地上市 只有短短几年时间，但是增长速度却非常快。2 0 0 2 年其销售额还不到1 0 0 0 万元， 2 0 0 3 年已增至了3 0 0 0 万元，2 0 0 4 年则接近1 亿元，2 0 0 6 年的产值超过3 亿元【l8 1 。 近两年来有不少空调、太阳能等能源行业的企业纷纷进入，一个新兴的热水设备 行业正在形成。尽管空气源热泵热水机组目前已初具行业规模，产品的市场占有 率也正逐渐上升，但目前市场上产品的性能与品质参差不齐，造成这种现状的原 因主要在于行业标准的缺失和技术本身的差异。因此，在大力推广节能环保的空 气源热泵热水机组的同时，要尽快出台相关行业规范、标准，以促进热泵热水器 市场的良性发展。 1 4 3 空气源热泵辅助太阳能热水系统 2 0 世纪5 0 年代，太阳能热利用的先驱j o d a n 和t h e r k e l d 就提出了太阳能与热泵联 合系统的有利性，指出太阳能集热器与热泵的联合可以同时提高集热器效率与热 泵的供热性能【1 9 】。随后各国科学家对该系统的性能、运行状态、影响因素等方面 进行了细致全方位的理论和实验研究，并建立了一些示范工程。由于直膨式和串 彭娇娇：空气源热泵辅助太阳能热水系统在江淮地区应用的节能环保效益研究旦 联式热泵系统更强调机组的概念，对部件要求很高，因此研究主要集中在这两种 形式。而空气源热泵辅助加热太阳能热水系统是在空气源热泵和太阳能热水技术 的基础上组合而来，该形式更强调系统的概念，因此人们对其性能的研究相对较 少。 2 0 世纪末，能源短缺问题日益严重，在生活热水供应方式上人们将目光投向 了这种目前最节能的组合方式，并针对不同地区气候条件下该系统性能、设计方 法逐步进行了一些理论和实验研究，并尝试在实际工程中应用。国家建筑标准设 计给排水专业节能系列图集中给出了空气源热泵辅助太阳能热水系统设计的若 干形式【2 0 】；h o n gl i ，h o n g x i n g y a n g 对比了传统太阳能热水系统和几种太阳能热泵 系统，结果表明在香港地区气候条件下，从经济效益分析太阳能热泵系统优于传 统太阳能系统，从温室效应敏感性分析，空气源热泵辅助太阳能系统又优于其他 几种太阳能热泵形式，在香港地区最适宜推广【2 l 】；此外，h o n gl i ，h o n g x i n g y a n g 进一步通过建立系统数学模型模拟了在香港地区几种典型天气该系统的运行性 能，指出循环水流速、太阳能集热器面积、集热器安装角度、水箱初始温度等参 数对该系统的性能影响很大【捌；昆明理工大学的罗会龙教授测试分析了该系统实 际工况下的热力性能，结果表明通过合理的部件匹配，在昆明地区气候条件下， 该系统的太阳能保证率可达8 1 ，系统的投资回收期为6 7 年【2 3 】；兰州交通大学的 侯军霞对空气源热泵和其它三种可供选择的常规太阳能辅助热源方案采用动态费 用年值法进行计算分析，着重分析了热水系统供水负荷、资金贷款利率、能源价 格和设备费四个影响因素，结果表明在西北寒冷地区用空气源热泵作为辅助热源 具有较强的竞争优势【2 4 】；西安交通大学的冯诗愚利用数学模型模拟了2 0 0 5 年西安 地区气候条件下，热泵辅助和电辅助太阳能中央热水系统的性能系数、输入功耗、 出水温度等运行参数，对比后发现热泵辅助具有更高的运行经济性1 2 5 j ；江乐新对 中部某地区并联式太阳能热泵系统各部件的最佳匹配进行了研究，结果表明在该 地区，压缩机功率按最低月平均气温5 5 选择，集热面积按太阳日平均辐射 1 6 1 5 m j m 2 选择，系统达到最佳匹配【2 6 】：欧云峰介绍空气源热泵辅助太阳能热水 系统在海口某工程的应用，该系统采用真空管集热器+ 承压储热罐和直热式空气源 热泵机组，分析比较后得出该系统与电辅助加热相比，可节约7 5 的电能【27 】；李 云防对该系统在广东某酒店的应用实例进行了分析，得出该系统在夏长冬暖如珠 江三角洲等地区值得大力推广【2 8 1 。由以上内容可以看出，该热水技术正引起专家 学者及设计人员的广泛关注，为了引导这一节能环保技术走上更加规范的发展道 路，国标家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统技术条件g b t2 3 8 8 9 2 0 0 9 ， 1 2 扬州大学硕士学位论文 已经通过国家有关部门审批，于2 0 1 0 年1 月1 日起正式实施。该规范适用于贮水箱 容积在6 0 0 l 以下的家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统，针对该产品的工程系 统( 6 0 0 l 以上) 国家标准正在制定中。 综上分析可以看出，太阳能热利用技术已逐渐成熟，太阳能热水系统正得到 广泛的推广应用；空气源热泵作为新型热水系统热源，也正逐步发展起来；而利 用空气源热泵作为太阳能热水系统的辅助热源，已开始得到业内人士的关注，并 在各地逐步建立起了示范工程。由于空气源热泵辅助太阳能热水系统的性能、经 济环保效益受地域性影响很大，因此研究者针对该系统在不同地区的应用实例展 开了研究和实际运行效果跟踪。虽然在江淮地区该系统的应用仍处于初级阶段， 在该地区气候条件、能源结构条件下系统运行性能和经济、环保优势等问题还有 待研究，但已有相关成果表明：空气源热泵辅助加热太阳能热水系统具有明显的 节能环保优势，组合灵活、热源匹配性好，具有广阔的发展前景。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题是在