直膨式太阳能辅助热泵热水器运行能耗计算

直膨式太阳能辅助热泵热水器运行能耗计算

0太阳能热泵热泵供热利用空气源热泵和太阳能生产生活热水是建筑能、可支配能源和污染物减少的重要课题。空气源热泵热水器近年来在我国发展迅速,然而,空气源热泵热水器在冬季运行时,室外换热器表面结霜,导致热泵性能衰减,制热容量不足,甚至出现故障而死机。传统的太阳能热水器在我国已有较好的市场,它具有节能环保的特点,但是存在着阴雨天间断运行、冬季集热器效率低、制取热水困难等问题。直膨式太阳能辅助热泵热水器(DX-SAHP-WH)的制冷剂流经太阳能集热器/蒸发器,吸收太阳能和太阳能集热器/蒸发器周围空气的热能,用于制取生活热水。由于将太阳能热利用与空气源热泵技术有机地结合起来,综合了太阳能热利用与空气源热泵的优点,系统的经济性显著提高。与空气源热泵热水器相比,年能效比可提高27.7%。1冷凝器盘管结构及原理按照冷凝器位置的不同,直膨式太阳能辅助热泵热水器有3种典型结构(图1,2,3)。图1所示的是浸入式结构,冷凝器盘管置于水箱内,直接与需要加热的水接触。这种设计的传热效率高,缺点是维修不便,一旦冷凝器盘管泄漏,将会污染水质。另外,水中一般都含有氯离子等,易对铜等金属表面造成腐蚀,所以要求对浸入式冷凝器盘管的表面进行防腐处理。图2所示的是外绕式结构,冷凝器盘管围绕在水箱金属内壁的外表面,然后敷设保温层,加上外壳。外绕式结构克服了浸入式结构的缺点,但是冷凝器换热效率低,可以用增加冷凝器盘管表面积的方法来弥补。图3所示的是热虹吸结构,冷凝器盘管在套管内,套管里的水和水箱里的水由于热虹吸作用而对流。水箱下部温度较低的水进入冷凝器套管底部,被冷凝器加热后上升,从冷凝器套管的上部进入水箱的上部,循环往复。冷凝器直接与需要加热的生活用水接触,但不是在水箱内,而是在水箱外的套管内。与浸入式结构相比,这种设计的可维修性改善,但是增加了外置的冷凝器套管,结构稍复杂些。图4是直膨式太阳能辅助热泵热水器制冷剂热力循环的压焓图。由图4可见,直膨式太阳能辅助热泵热水器是一个基本的蒸气压缩热泵循环。节流装置出口的低温、低压两相流制冷剂进入太阳能集热器/蒸发器,吸收太阳能和环境空气的热能,气化成低温低压制冷剂气体(过程1-2)。该低温低压制冷剂气体接着进入压缩机,被压缩成高温高压气体,继而被送往冷凝器(过程2-3)。在冷凝器中,制冷剂释放热量给另外的介质(这里是水或水箱内壁),冷凝成高温高压液体(过程3-4)。然后,该高温高压液体制冷剂通过节流装置(膨胀阀或毛细管),膨胀成低温低压两相流(过程4-1),完成一个热泵循环。澳大利亚学者Morrison等开发出了两款紧凑式直膨式太阳能辅助热泵热水器(图5,6),已经商品化进入市场。这两款设计都是外绕式冷凝器结构,即冷凝器外绕在水箱的金属内壳上,不与水直接接触。图5所示的热水器,采用了平板型太阳能集热器/冷凝器,集热器/冷凝器与水箱分离,水箱的位置灵活,可以将水箱安装放在室内,其缺点是太阳能集热器/冷凝器需要现场安装。图6所示的热水器,太阳能集热器/冷凝器是水箱的圆桶外壳,与水箱成为一体,免去了现场安装太阳能集热器/蒸发器的施工,但放置位置受到限制。台湾学者Huang等开发了接近于商业应用的一体化DX-SAHPWH热水器(图7)。它属于热虹吸式结构的一种,太阳能集热器/蒸发器作为热水器的外壳。这种一体化设计免去了现场安装太阳能集热器/蒸发器的施工。实验机已运行多年,性能稳定。2直接表面热的散热器经济分析2.1供热的需求综合分析《2004~2006年中国城市燃气具产品消费需求调研报告》和来自热水器行业的统计,我国城市居民对热水器的实际需求量平均每年为930万~1000万台。按每年直膨式太阳能辅助热泵热水器销售量为93万台,按每台平均价格为5000元,直膨式太阳能辅助热泵热水器每年有约46.5亿元的市场份额。2.2系统运行经济性分析我国住宅热水(65℃)用量占总用水量的40%~50%。我国住宅平均每人每日用水量为113~163L,每人每日热水用量为45~80L。按每人每日热水用量60L,则一个三口之家每日每户热水用量为180L。如果冷水的年平均温度为16℃,则每户全年热水热负荷为1.35×107kJ。各类热水器运行经济性比较列于表1。从表1分析可见:DX-SAHPWH的运行成本最低,仅为电热水器的1/3,燃气热水器的1/2,空气源热泵热水器的4/5,略低于太阳能热水器的运行成本。从结构上看,直膨式太阳能辅助热泵热水器的市场价格应与空气源热泵热水器相当。市场调查显示,120L的空气源热泵热水器,市场价格为3000~4000元,200L的空气源热泵热水器,市场价格在7000~8000元。三口之家一般需要150L的直膨式太阳能辅助热泵热水器。与电热水器相比,使用直膨式太阳能辅助热泵热水器,两年左右即可回收额外的初投资。2.3年用电量少,数量小到2020年,我国将有居民约5亿户。若那时有15%的居民使用直膨式太阳能辅助热泵热水器,即保有量为7500万台,与使用电热水器相比,年节电可达1906亿kWh,多于2个三峡水电站的年发电量。从减少污染物排放的社会效益来看,年节电1906亿kWh,就相当于减少701.4亿kg标准煤的燃烧(目前我国重点火力发电厂,每发电1kWh耗标准煤0.368kg)。按燃烧1kg标准煤产生2.5kg二氧化碳、0.075kg二氧化硫计,相当于每年减少二氧化碳排放1753.5亿kg,减少二氧化硫排放52.6亿kg。3直膨式太阳能辅助热泵热泵热泵热泵供热(1)直膨式太阳能辅助热泵热水器将太阳能热利用与空气源热泵技术有机地结合起来,综合太阳能热利用与空气源热泵的优点,可以全天候提供热水,系统的热经济性能显著提高。(2)与太阳能热水器相比,直膨式太阳能辅助热泵热水器的集热器/蒸发器表面温度低,即使在冬天,太阳能利用效率也很高;太阳能集热器/蒸发器结构轻,面积小,布置灵活,安装方便。与空气源热泵热水器相比,直膨式太阳能辅助热泵热水器可以基本避免因气温太低而发生故障。(3)与其他热水器相比,直膨式太阳能辅助热泵热水器能耗最小,运行费仅为电热水器的1/3燃气热水器的1/2,空气源热泵热水器的4/5。(4)使用直膨式太阳能辅助热泵热水器,比使用电热水器每户每年可减少运行费约1500元,2年左右即可回收额外的初投资。(5)目前我国居民使用的燃气热水器属于即时加热型,没有水箱。这种热水器舒适性差,启动频繁,存在安全隐患。随着人们生活质量的提高,即时燃气热水器的市场会逐渐萎缩。如果改用水箱型燃气热水器,其价格优势会大幅度减小。(6)直膨式太阳能辅助热泵热水器技术在我国尚不成熟,离产业化还有相当距离。需要在技术研发方面给予政策支持和资金投入,