节能先锋-太空能热泵的前世今生

上传时间:2019-06-27 09:58:45    来源:

 空气源热泵作为一种高效稳定的供热设备,本身具有商品化、集成化、多样化的特点,近几年在我国南方没有集中供暖的地区广泛作为供暖热源使用。但是,在我国寒冷严寒地区由于空气温度较低,空气源热泵的性能得不到充分的发挥,部分时间甚至主要依靠电直接加热来提供热量,这构成了该技术应用的地域局限性;考虑到北方地区太阳能资源丰富,将太阳能与空气源热泵这两种技术方案进行组合,产生一种新型空气源热泵供热系统,太空能热泵系统。

 

太阳能板.png

 

太空能热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统,包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主,涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域,对太阳能集热温度要求不高,而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。

 

1、太空能热泵技术原理及其特点

 

太空能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统,区别于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。它把热泵技术和太阳能利用技术有机的结合起来,可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。集热器吸收的热量作为热泵的低温热源,在阴雨天,直膨式太空能热泵转变为空气源热泵,非直膨式太空能热泵作为加热系统的辅助热源。因此,它可全天候工作,提供热水或热量。

 

太空能热泵原理图.png

 

2、太空能热泵的分类

 

根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式,可分为直膨式和非直膨式。直膨式以制冷剂作为太阳能集热工质,太阳能集热器直接作为热泵的蒸发器,通过热泵循环将冷凝热释放给被加热对象;非直膨太空能热泵系统的工质通常是水、空气或者防冻液等,这种形式又可分为串联、并联、双热源。四种形式原理图见图1~4所示。


串联式是指集热环路与热泵循环通过蒸发器加以串联、蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收的热量;


并联式是指太阳能集热环路与热泵循环彼此独立,前者一般用于预热后者的加热对象,或者后者作为前者的辅助热源;


双热源式与串联式基本相同,只是蒸发器可同时利用包括太阳能在内的两种低温热源。

 

 

太空能分类.png

太空能分类2.png

 

3、太空能热泵的技术特点

 

太空能热泵将太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来,具有以下几个方面的技术特点:

 

(1)集热成本低。在直膨式系统中,太阳集热器的工作温度与热泵蒸发温度保持一致,且与室外温度接近,而非直膨式系统中,太阳能集热环路往往作为蒸发器的低温热源,集热介质温度通常为20℃~30℃,因此集热器的散热损失非常小,集热器效率也相应提高。有研究表明,在非寒冷地区即使采用结构简单、廉价的普通平板集热器,集热器效率也高达60%~80%,甚至采用无盖板、无保温的裸板集热器也是可以的。

 

(2)由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点,常规的太阳能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄热装置,并且配备相应的辅助热源,这不仅造成系统初投资较高,而且较大面积的集热器也难于布置。太空能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性,在相同热负荷条件下,太空能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积等都要比常规系统小得多,使得系统结构更紧凑,布置更灵活。

 

(3)在太阳辐射条件良好的情况下,太空能热泵往往可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度,因而具有更高的供热性能系数(COP可达到4以上),而且供热性能受室外气温下降的影响较小。

 

(4)由于太阳能无处不在、取之不尽,因此太空能热泵的应用范围非常广泛,不受当地水源条件和地质条件的限制,而且对自然生存环境几乎不造成影响。

 

(5)太空能热泵同其它类型的热泵一样也具有“一机多用”的优点,即冬季可供暖,夏季可制冷,全年可提供生活热水。由于太空能热泵系统中设有蓄热装置,因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运行,以供白天供冷之用,不仅运行费用便宜,而且有助于电力错峰。

 

(6)考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题,直膨式太空能热泵一般适用于小型供热系统,如户用热水器和供热空调系统。其特点是集热面积小、系统紧凑、集热效率和热泵性能高、适应性好、自动控制程度高等尤其是应用于生产热水,具有高效节能、安装方便、全天候等优点,其造价与空气源热泵热水器相当,性能更优越。

 

(7)非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广等优点,适合于集中供热、空调和供热水系统。易于与建筑一体化。

 

原理图.png

 

相对于现有其他供热节能产品,如空气源热泵、土壤源热泵和太阳能集热系统,太空能热泵有着其无法比拟的优点:

 

①太阳能热利用率远较太阳能集热系统高;

 

②能效比(COP值)远较一般空气源热泵和土壤源热泵高。

 

在太空能热泵工况下,制冷剂蒸发温度一般在10-25℃,而空气能热泵蒸发温度较环境温度低5-10℃(北方环境温度一般在0℃以下),土壤源热泵蒸发温度较土壤温度低6-10℃(北方冬季土壤温度在8-13℃之间)。

 

③运行零能耗

 

采用太阳能光伏发电作为热泵的电力供应,太空能热泵运行可以实现零能耗。

 

④系统稳定、安全

 

由于太阳能是间歇性能源,受天气、入射角度等因素的影响,供热不稳定。因此,根据不同场合,需要和土壤源热泵、空气源热泵以及相变储能热库有机结合,才能形成稳定高效的供热。我们把和土壤源热泵的结合称为土壤源太空能热泵,和空气源热泵的结合称为空气源太空能热泵,和相变储能热库相结合称为相变储热型太空能热泵。

 

4、太空能热泵与建筑结合的应用

 

近年来,随着太阳能事业的发展和建筑节能的要求,随着城市的发展和人民生活水平的提高,“太阳能与建筑一体化”和“全天候供热”已成为我国太阳能热利用的重要议题。“太阳能与建筑一体化”就是把太阳能产品作为建筑部件安装,使其有机结合起来,符合建筑美学要求,并尽可能地利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规能源以减少建筑能耗对常规能源的依赖,降低建筑能耗占我国总能耗的比例,并提高常规能源利用率。


由于太空能热泵具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广等优点,能较好地满足“太阳能与建筑一体化”的要求。由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点,常规的太阳能供热系统很难满足“全天候”的要求,为满足“全天候”的要求,常规方法是采用电加热或燃气加热为辅助热源,但容易引发安全问题,且消耗了大量优质能源,而采用太阳能供热系统就能较好地解决“全天候”的问题。


目前,我国太空能热泵主要应在公共建筑物上,例如,北京奥运村和奥运场馆的生活热水和加热的能量都采用太空能热泵供热系统。


5、太空能热泵技术存在的问题

 

(1)投资经济性

 

太空能热泵系统初投资偏高是影响其经济性的重要因素之一。

 

(2)性能可靠性

 

各种类型的太空能热泵性能有待提高,要使部件之间的匹配关系达到投资运行最佳效益,要将系统设计与建筑设计结合起来,既要考虑系统性能又要考虑建筑美观,要实行智能化控制,这需要各个专业、各个领域的人共同努力、相互配合。

 

(3)公众认识度不足

 

政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏足够的了解和认识。

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