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    太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析及熱水箱設計研究

    2016-12-14 09:02:09朱冰
    科技創(chuàng)新導報 2016年20期
    關鍵詞:太陽能

    摘要;隨著經濟社會的不斷發(fā)展,對能源的需求越來越大,而能源的供需矛盾也日益突出,尋找清潔能源、可持續(xù)發(fā)展成為迫切要求。太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的實現(xiàn),是以太陽能節(jié)能為主、熱泵系統(tǒng)節(jié)能為輔,該節(jié)能方法在現(xiàn)實生活中已經得到廣泛應用。但是,在節(jié)能技術設計方面尚且存在一些問題,在設計不合理的影響下,太陽能與熱泵系統(tǒng)達不到想要的節(jié)能效果。對此,本文根據近幾年測試的數據及經驗,分別對太陽能及熱泵系統(tǒng)做出節(jié)能分析,并對熱水箱設計進行簡單探討。

    關鍵詞:太陽能;熱泵系統(tǒng);節(jié)能分析;熱水箱設計

    中圖分類號: TU832 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)07(b)-0000-00

    在經濟社會發(fā)展的同時,節(jié)能成為世界工業(yè)發(fā)展的首要任務。太陽能熱泵熱水系統(tǒng)結合了太陽能利用技術和熱泵技術兩者的優(yōu)點,是一種新型節(jié)能環(huán)保的熱水系統(tǒng)。在“十二五”規(guī)劃上,節(jié)能減排成為我國的新興產業(yè),同時還提出很多節(jié)能措施,這些措施能夠減少能源消耗,在一定程度上緩解自然污染、環(huán)境破壞的速度。尤其是太陽能和熱泵系統(tǒng),它們的應用使生活熱水節(jié)能量達到45%以上,本文將根據相關資源分布情況,來詳細分析太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能。

    一、太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

    太陽能與熱泵系統(tǒng),是熱水箱的重要組成部分,對太陽能與熱泵系統(tǒng)進行能量控制,將有利于完善和改進熱水系統(tǒng),使熱水箱能夠最大限度發(fā)揮供熱功能。太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能作為“節(jié)能減排”的主要目標,我國早在2001年就提出太陽能、熱泵系統(tǒng)在建筑一體化中的節(jié)能措施。我國對太陽能資源分布和太陽能評估做了詳細的調查和分析,并得出相關結果和結論[1]。

    (一)太陽能資源分布情況分析

    1、太陽能資源豐富區(qū)。資源豐富區(qū)是指太陽輻照量在6700MJ/m2.a以上的地區(qū),是太陽能資源等級最高的地區(qū)。例如新疆南部、西藏北部、甘肅、青海等海拔高的地區(qū)。海拔高縮短了太陽與地面的照射距離,使這些地區(qū)能夠接受更多的日照,提高了太陽輻照量。

    2、太陽能資源較富區(qū)。是指太陽輻照量在5400-6700MJ/m2.a之間的地區(qū),這些地區(qū)大多是靠北的山丘地區(qū),最具有代表性的地區(qū)有內蒙古呼倫貝爾、北京、天津、山西等有一定海拔的地區(qū)。這些地區(qū)是太陽能應用得最多的地區(qū),因為這些地區(qū)除了自然環(huán)境優(yōu)勢外,還有經濟發(fā)達的優(yōu)勢。

    3、太陽能資源一般區(qū)。是指太陽輻照量在4200-5400MJ/m2.a之間的地區(qū),這些地區(qū)海拔一般較低,并且處于平原地區(qū),例如黑龍江、山東、安徽、湖南、福建等。這些地區(qū)太陽照射的距離較長,太陽輻照量相對較低。

    4、太陽能資源貧乏區(qū)。是指太陽輻照量低于4200MJ/m2.a以下的地區(qū),這些地區(qū)大多分布在盆地或盆地附近的地區(qū),因為大多盆地的海拔都低于地平面,增加了這些地區(qū)與太陽的距離,使太陽輻照量降低。例如四川、貴州西部、云南南部、廣西等地。

    (二)一般熱泵系統(tǒng)制熱系數分析

    熱泵系統(tǒng)制熱系數是指熱泵COP值與環(huán)境溫度值的正比例關系。例如,某熱泵廠家提供的壓輸機制熱系數中,熱泵COP值與環(huán)境溫度值的關系分析中發(fā)現(xiàn),當環(huán)境溫度低于10℃時,COP值才剛好達到2.0;環(huán)境溫度達到20℃時,COP值達到3.0;環(huán)境溫度達到30℃時,COP值達到4.0;環(huán)境溫度超過30℃時,COP值超過4.0。從這些數據不難看出,環(huán)境溫度值與COP值是呈正比例關系,并且是以1:10%的比例增加[2]。

    COP值是衡量熱泵系統(tǒng)供熱的指標,也是衡量熱泵系統(tǒng)的節(jié)能指標,該指標隨著環(huán)境溫度的提高而提高的特點,與太陽能隨著太陽輻照量增加而增加的特點具有一致性。兩者都需要太陽提供一個溫度較高的環(huán)境,才能更好的進行供熱工作,因此有效的節(jié)能方法,是以太陽能為供熱主體,以熱泵系統(tǒng)供熱為輔助。

    (三)太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能評估

    太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能評估,要求明確掌握太陽輻照量、集熱器面積、集熱器效率、環(huán)境溫度、COP值等指標[3]。該評價是太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的目標和標準,下面將簡單分析太陽能與熱泵系統(tǒng)節(jié)能的評估,并做出相關的數據分析。

    這里以云南東部某地區(qū)為例,該地區(qū)集熱器的熱效率平均為60%,按照春夏秋冬季節(jié)的相關溫度數據,推算出集熱器面積,集熱器熱效率與面積,決定太陽能可承受的熱能消耗為熱水箱供熱量的60%,熱泵系統(tǒng)為40%。該地區(qū)年平均氣溫為20℃,可以判斷當地實際太陽照射時間和面積,并得出太陽能與熱泵供熱系統(tǒng)全年大約節(jié)能86.8%,實際節(jié)能72.5%。

    二、熱水箱設計

    (一)熱水箱設計存在的問題

    傳統(tǒng)熱水箱的設計,要求太陽能與熱泵系統(tǒng)同時使用一個熱水箱,這在很大程度上影響了太陽能與熱泵系統(tǒng)的供熱效率。因為在供熱過程中,太陽能供熱不足時,才會使用熱泵系統(tǒng)供熱,使供熱過程復雜,延緩了供熱速度。為了提高供熱速度,很多用戶不得不花精力去增加太陽能與熱泵系統(tǒng)的供應量,導致熱水箱設計時出現(xiàn)很多問題,集中體現(xiàn)在工程造價和熱量控制兩方面。

    一方面,為了提高太陽能與熱泵系統(tǒng)供熱量,設計師會花資金去設計一個更大的熱水器供用戶使用,供熱量提高了,但造價一般用戶難以接受,這樣會導致用戶量下降。另一方面,熱量的控制主要受季節(jié)影響。夏季太陽能提供的熱量就能滿足用戶的需求,無需熱泵系統(tǒng)提供熱量,屬于節(jié)能效果最佳的季節(jié);秋季,大部分的熱量是太陽能提供的,少數熱量是由熱泵系統(tǒng)提供。

    (二)熱水箱設計的措施

    第一,增設熱水箱,熱水箱可以分成兩個,分別供太陽能和熱泵系統(tǒng)使用,其水箱的容量可達10t,這樣做的目的是為了減少擴大水箱體積帶來的額外花費,在一定程度上控制了熱水箱的工程造價,以便用戶能夠接受。同時,也降低了太陽能與熱泵系統(tǒng)的供熱成本,提高了供熱效率,滿足用戶的熱量使用需求。第二,用真空管將兩個水箱連接起來,兩水箱的連接是為了解決因季節(jié)變化而不能及時供熱的問題,兩個水箱分別吸收太陽、熱泵系統(tǒng)提供的熱能,一般先使用太陽能提供的熱量,儲存熱泵系統(tǒng)提供的熱量,解決冬季熱量供應不及時的問題。

    該設計與傳統(tǒng)水箱的設計相比,具有很多的優(yōu)勢,在這里筆者簡單總結如下:第一,能夠使太陽能得到充分利用,最大限度節(jié)約了熱能;第二,該系統(tǒng)集太陽能熱水箱、熱泵系統(tǒng)熱水箱于一體,兩者是相互聯(lián)系的,可以進行統(tǒng)一控制,不需要另行設計;第三,為熱泵系統(tǒng)提供了足夠的加熱時間和空間。

    結語

    開發(fā)新能源和節(jié)能是尋求能源出路的兩大重要途徑 ,太陽能熱泵供熱系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能性和環(huán)保性具有廣闊的發(fā)展前景。熱泵技術是一種很好的節(jié)能型空調制冷供熱技術,太陽能與熱泵系統(tǒng)是熱水箱最重要的供熱源,它的節(jié)能直接影響“節(jié)能減排”目標的實現(xiàn)。因此,要加強太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能力度。本文通過分析太陽輻照量、集熱器熱效率、集熱器面積、環(huán)境溫度和COP值等指標,可以計算出相對條件下太陽能與熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量,為熱水箱的改進設計提供依據。

    參考文獻

    [1]鄭榮進,莊麟,池清,等.溫室太陽能與地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)熱力學分析[J].農業(yè)機械學報,2013,04:233-238+232.

    [2]肖菊,丁文萍,楊敏芝.工程型太陽能熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析[J].河南科學,2013,06:829-832.

    [3]熊慧靈,劉何清,李永存.太陽能-溶液-熱泵干燥系統(tǒng)節(jié)能分析[J].建筑節(jié)能,2015,05:56-60.

    作者簡介

    朱冰(1983年12月14日-);男;漢族;湖北鐘祥人;本科;工程師;主要從事建筑給排水工程設計工作。

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