太陽能、空氣源熱泵、燃氣壁掛爐集成住宅采暖系統(tǒng)性能試驗方法探討
文章來源:未知時間:2022-02-16
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廣東萬和新電氣股份有限公司 黃遜青
摘要 將集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統(tǒng)全年運行模式分為兩類：冬季供暖和其他季節(jié)僅供應生活熱水，提出了確定太陽能熱水、空氣源熱泵及燃氣采暖熱水爐容量的基本規(guī)則及考核要求，同時提出以集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)作為綜合評價集成系統(tǒng)能效的指標，以及計算方法。
關鍵詞 太陽能熱水系統(tǒng) 空氣源熱泵 燃氣采暖熱水爐
0 引言
集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐住宅太陽能供暖系統(tǒng)是住宅太陽能供暖技術的主要發(fā)展方向之一，由于多個熱源聯(lián)合運行產(chǎn)生優(yōu)化運行問題突出，制訂合理性能評價指標體系對該領域技術發(fā)展產(chǎn)生重要的引導作用。目前已發(fā)布的太陽能技術標準，GB/T 25967-2010《帶輔助能源的家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》的編制參考了歐洲標準EN 12976-1:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第1部分：總體要求》和EN 12976-2:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》，對于僅用于加熱生活熱水的集成系統(tǒng)具有較好適用性，但對于供暖應用集成系統(tǒng)，未考慮相應內(nèi)容。而GB/T 29158-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)（儲水箱容積大于0.6m3）技術規(guī)范》和GB/T 29160-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)（儲水箱大于0.6m3）性能試驗方法》雖然適用系統(tǒng)規(guī)模較大，但對于供暖應用系統(tǒng)也不適宜使用。因此，本文提出集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統(tǒng)性能試驗方法，系統(tǒng)用于考核這類系統(tǒng)的供熱性能和運行能效，本文未考慮熱泵系統(tǒng)夏季用于空調(diào)運行的相關性能試驗項目。
1 集成系統(tǒng)概述
住宅太陽能供暖系統(tǒng)的基本特征是可以集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃氣加熱裝置，提供衛(wèi)生熱水和采暖熱水，也可以根據(jù)用戶需要擴展空調(diào)制冷功能和熱回收功能等，并可集成住宅新風系統(tǒng)等裝置，同時配備循環(huán)系統(tǒng)、末端裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)供熱性能
從技術經(jīng)濟性的角度，太陽能供暖系統(tǒng)中受安裝條件和購置成本影響最大的部分是太陽能集熱器，從熱量需求的角度，通常一晝夜的住宅供暖負荷約為生活熱水負荷的5～10倍，顯然在非供暖季節(jié)，住宅的熱量需求只有生活熱水，如果太陽能集熱器的供熱能力在冬季供暖需求中的份額較大，就可能導致非供暖季節(jié)太陽能集熱器的供熱能力嚴重過剩，不僅由于這些集熱器閑置導致浪費，而且容易導致太陽能熱水系統(tǒng)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，對保證系統(tǒng)運行安全和可靠性都產(chǎn)生一定程度的不良影響。從國外一些地區(qū)采用太陽能實現(xiàn)住宅供暖的實踐來看，在供暖季節(jié)通常太陽能提供的熱量不超過全部熱需求的1/3。因此，本文假設在供暖季節(jié)太陽能的保證率為15%以上，太陽能利用方式為，在白天獲得的太陽能熱量首先用于房間的保溫，剩余部分用于加熱生活熱水。保溫作為在房間無人逗留而需要維持必要的室內(nèi)溫度的運行狀態(tài)，雖然熱負荷較小，但是由于通常持續(xù)時間比有人在房間而進行供暖的運行時間更長，所以，供暖季節(jié)期間房間保溫的熱負荷通常為全天供暖負荷的1/5以上，由此可見，太陽能集熱器獲得的熱量能夠用于生活熱水加熱的并不多。
2.1 供熱性能測試條件
集成系統(tǒng)的配置以及運行模式合理與否，與供熱性能測試條件有重要關系，考慮到我國的地理因素和人文因素，本文將年平均氣溫≥7℃，且冬季日平均氣溫≥－10℃的地區(qū)作為推薦使用地區(qū)，在此基礎上提出了供熱性能的測試條件，如表1所示。
表1 集成不同輔助熱源的集成系統(tǒng)性能測試運行條件
住宅太陽能供暖系統(tǒng)的熱性能要求主要針對制熱能力和能效兩部分，由于這類系統(tǒng)全年運行狀況差異較大，采用兩種方式進行考核，在供暖季節(jié)僅考核供暖性能，不單獨考核生活熱水性能，對生活熱水加熱性能只考核功能指標；在非供暖季節(jié)，只考核生活熱水加熱性能，無需考核供暖性能。
由于全天生活熱水熱負荷視為供暖熱負荷的組成部分，生活熱水使用過程中大部分熱量在室內(nèi)散發(fā)，成為供暖負荷的一部分，所以在供暖季節(jié)不單獨考核生活熱水對系統(tǒng)供熱性能的影響不會對集成系統(tǒng)性能考核產(chǎn)生明顯的影響。而且本文假設集成系統(tǒng)全天24h平均供熱功率按50%系統(tǒng)額定供熱功率計算，加熱生活熱水所需的熱量通常只占住宅全天熱需求的20%以下，在配備蓄熱水箱的工整正常運行條件下，在系統(tǒng)部分負荷運行狀態(tài)下加熱生活熱水是輕而易舉的，無論對供暖運行和生活熱水使用需求基本不會造成不良影響。
2.2 熱源系統(tǒng)參數(shù)確定
集成空氣源熱泵與燃氣采暖熱水爐住宅太陽能供暖系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：系統(tǒng)額定供熱功率、 生活熱水流量、太陽能全天平均供熱功率、空氣源 熱泵額定供熱功率、燃氣采暖熱水爐供熱功率以 及蓄熱水箱容積等。
系統(tǒng)額定供熱功率是反映集成系統(tǒng)使用特性的主要指標，指標規(guī)定供暖測試條件下的供熱功率；而生活熱水流量則是使用性能指標，要求以規(guī)定溫度和流量輸出生活熱水。而其它指標要求為：蓄熱水箱容積和出水率應保證在蓄水溫度達到55℃時滿足全天生活熱水需求。太陽能集熱器面積應按冬季集熱條件考核，本文推薦在日輻照量12MJ/m2條件下，以循環(huán)方式供熱溫度/ 回水溫度為45℃/30℃全日供熱量，應不小于系統(tǒng)全天供熱功率的15%；而且在日輻照量17MJ/m2條件下，單獨將初始水溫為20±5℃的蓄熱水箱中的生活熱水溫度提高35℃以上。顯然需在兩個條件中選擇較大集熱面積。
空氣源熱泵熱水系統(tǒng)容量分兩種配置方案考慮，在配套燃氣采暖熱水爐系統(tǒng)中，空氣源熱泵在進風條件為15℃/12℃（DB/WB），在6h 內(nèi)單獨將初始水溫為15±1℃蓄熱水箱中生活熱水溫度提高至55±2℃以上；而在不配套燃氣采暖熱水爐系統(tǒng)中，空氣源熱泵在進風條件為2℃ /1℃（DB/WB），以熱水循環(huán)方式運行，供熱/ 回水溫度為45℃/30℃，在無燃氣熱源系統(tǒng)中，熱泵額定供熱功率應高于系統(tǒng)額定供熱功率。
燃氣采暖熱水爐的容量應符合生活熱水加熱能力標準以輸出規(guī)定的生活熱水流量，即持續(xù)將15℃的進水加熱至45℃以上；供暖能力應以熱水循環(huán)方式運行，供熱/ 回水溫度為45℃/30℃，供熱量應不小于系統(tǒng)額定供熱功率。
3 能效指標
在集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統(tǒng)中，消耗能源有多種類型，包括太陽能、電能和燃氣、環(huán)境空氣熱源利用，因此，在考核系統(tǒng)能效時，太陽能得熱和環(huán)境空氣熱源得熱不計入能量消耗，利用一次能源與電能轉換系數(shù)，將電能折算為一次能源，以一次能源單位消耗量獲得的供熱量作為能效考核指標，提出集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)考核指標，如式（1）所示：
式中：
PAPFIES———集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)；
S——太陽能熱水系統(tǒng)供熱量，MJ；
H——空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量，MJ；
B——燃氣采暖熱水爐供熱量，MJ；
Es——太陽能熱水系統(tǒng)耗電量，kW·h；
Eh——空氣源熱泵系統(tǒng)耗電量，kW·h；
Eb——燃氣采暖熱水爐系統(tǒng)耗電量，kW·h；
C——一次能源與電能轉換系數(shù)，MJ（/ kW·h）；
G——燃氣采暖熱水爐耗氣量，MJ；
i——季節(jié)代號，i=1，春季和秋季；i=2，夏季；i=3，冬季。
4 結語
集成空氣源熱泵或燃氣采暖熱水爐的太陽能供暖系統(tǒng)，能較好解決太陽能輻照不穩(wěn)定問題，但多種熱源聯(lián)合運行產(chǎn)生的問題需妥善解決，本文推薦了由供熱性能導出的系統(tǒng)配置方案及系統(tǒng)全年能效指標，這需在相關工作中進一步完善。
來源：中國太陽能產(chǎn)業(yè)資訊網(wǎng)（原創(chuàng)）
