太阳能—热泵复合热水系统分析

史瑞静，王维庆，樊小朝，，李永东，汤苑阳，魏鹏飞

(1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.清华大学电力系统国家重点实验室，北京 100084)

0 前 言

太阳能热水系统是当今世界上研究的最具有经济价值，发展前景最好的可再生能源利用之一，同时太阳能利用技术也最为纯熟[1]。顾名思义，所谓太阳能热水系统，其基本的工作原理就是将太阳能的能量进行收集，然后通过水储存这部分能量从而进一步利用。其中经典的太阳能热水系统包含太阳能集热系统(进行太阳能能量的收集)、集热水箱系统(将集热系统收集到的太阳能能量进行储存)、恒温水箱系统(控制水箱温度相对恒定)、热泵回水系统(补充能量以及回收回水进行再利用)[2]。

热泵系统是当前能够有效利用很少的高质量能源(目前用的最多的是电能)，可以将较差的低热源的低温能量进行采集，从而进行运用，具有非常高的能效[3]。热泵系统对传统能源的消耗远低于传统系统消耗的能量，能耗占比低了一倍，具有相当高的可操作性[4]。

为了改善水源热泵和空气源热泵各自的不足，将两种热泵同太阳能系统进行融合改进从而研究出的复合热源热泵技术成功引领了科技潮流，该技术不仅提高了太阳能的利用效率，同时提升了热泵的效率，改进后的系统规避了大部分传统热泵所拥有的问题，使热泵技术达到新的巅峰[5]。

1 太阳能-热泵复合热水系统

将太阳能集热系统同热泵系统进行结合，设计了一种新的复合热水系统，其能量流动情况如图1所示，该系统由太阳能集热系统、集热水箱系统、供水系统、恒温水箱系统以及热泵回水系统组成。太阳能集热系统对太阳能的能量进行收集，集热水箱将传热介质从太阳能集热系统收集到的能量进行存储，恒温水箱系统通过平衡桥与集热水箱进行能量交换，最终将这些能量输送给用户，实现太阳能的有效利用。

图1 复合热水系统能量流动示意

太阳能集热系统由太阳能集热板或太阳能集热管以及热力管网组成，其中太阳能集热板与集热管具体结构如图2所示[6]。采用绝热的材料作为边界成分，降低收集太阳能过程热量的损耗。多孔陶瓷的材料能使空气顺利通过，完成集热过程。

图2 太阳能集热元件材料结构示意

水箱系统由水箱与压力传感器，温度传感器，水力管网以及显示仪等组成，如图3所示[7]。盖板和箱体以及侧板都采用强度较高的材料构成，实现对水箱的保护。冷却剂使得能量的交换顺利完成，进出水口与水力管网的连接保证水位正常，维持系统的稳定性。

图3 水箱结构示意

为验证综合系统的可行性与具有高效节能减排的作用，设计一套如图4所示的复合热泵系统[8]，并选取了全国范围内太阳辐照度相对较低的浙江成功进行应用，通过对该系统实时运行的数据进行收集统计，并就此对辐照度不同地区运行特性进行分析，更好的为系统运行提供保证。

图4 复合热水系统结构示意

该系统由太阳能集热系统、集热水箱系统、恒温水箱系统、热泵系统以及回水系统组成，全系统采用水为传输能量的介质，通过将不同温度的水进行输运，储存，热交换从而调节系统的能量使系统达到一个相对稳定的工作状态。系统通过物联网和相关的仪表进行监管控制，通过太阳能集热系统进行太阳能的采集、储存，通过水力管道进行运输。集热水箱系统进行能量的储存，恒温水箱系统调节各系统温度响应恒定，热泵系统在太阳能集热系统供热量不足条件下启动，辅助系统进行加热。回水系统将用户剩余的水引流回水箱。

2 太阳能-热泵复合热水系统理论分析

在该系统中，能量交换过程主要为热辐射与热对流两过程。热辐射主要出现在太阳能集热系统中，吸热面接受太阳辐射能。根据Stenfan-Boltzmann定律[9]

Φ=εAσT4

(1)

式中，Φ为辐射度，J/(s·m2)；ε为黑体辐射系数；A为受热辐射面积，m2；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；T为绝对温度，K。

由式(1)可知，为吸收更多辐射量，需要提高物体的发射率，也就是黑度。一般材料选择的ε一般在0.92～0.96，从而保证了对辐射能高效的吸收。

系统内部的换热主要是对流换热。由牛顿冷却公式(Newton’s Law of Cooling)[10]可知

Q=hSΔt

(2)

式中，Q为传热功率；h为表面传热系数；S为传热面积，m2。

在对流面积和对流温差相对稳定的情况下，影响对流传热[11]的主要因素是表面传热系数h，已知

h=f(u,l,ρ,η,λ,cp)

(3)

式中，u为速度特征尺度；l为传热面的几何特征长度，m；ρ为介质密度，kg/m3；η为动力黏度系数，Pa·s；λ为静止流体的导热系数，W/(m·K)；cp为定压比热，J/(kg·K)。

研究表明，水的表面对流传热系数在不同工况，不同相变，不同状态下都是较为良好的，能够使传热过程中的热损耗降低[12]。本文也是以水为介质进行研究，该系统工作启动方式示意如图5所示，其中3种不同的工作条件下的情况为：

图5 系统工作启动方式示意

(1)全部由太阳能系统供热。时逢晴天，日照时间长，辐射量较大时，系统需要的热量全部由太阳能系统进行供给，若吸收的能量过高，则可以开启电力装置将该部分能量转换为电能输送至储电箱，为该系统的各种用电元件进行供电，从而可降低系统的耗电量。若此时用户消耗量不够高，则打开集热循环泵，将多余的热水进行循环收集利用，直至集热水箱和恒温水箱的温度与设定温度范围一致时关闭，保证系统的热稳定性。

(2)由太阳能系统以及热泵机组共同进行协调加热。当日照强度不够高，或者用户用水量达到顶峰时，单独的太阳能系统供给的能量便不一定能够满足需求，此时就需要热泵机组启动，通过系统内部的控制系统，在优先运行太阳能系统的条件下，控制热泵机组的启动运行时间，既满足了用户的需求，也能最大化利用太阳能系统，成功实现了节能的目标，这种运行模式能够适应各种天气条件下的高效运行，完美的发挥系统的优势，因此在绝大部分情况下，都是以此模式进行运行。

(3)全部由热泵系统进行供热。当处于连续的恶劣天气，比如阴雨暴雪天气，此时太阳能系统基本处于瘫痪状态，并不能发挥很多实质作用。此时所有热量均由热泵机组提供，此时循环热泵和太阳能系统全部关闭，但由于热泵系统的运行效果受很多因素影响，尤其是在恶劣天气的条件下，热泵机组的效率也会很低，系统耗能最高。

该系统具有优异的启动运行方式，无论在任何天气条件下，会优先启动太阳能系统，再根据用户的热水使用量进行判定，若用户不需要过多的热水供应，则系统不会启动热泵系统，只有当用户需求量大于系统供应量时，才会启动热泵系统，当达到稳定水平时，保持相应运行状态。当辐照度趋近于0时，系统自动启动热泵系统，关闭太阳能系统，良好的保护了系统，维护系统稳定性的同时，也达到了节能减排的目的。

3 太阳能—热泵复合热水系统性能计算分析

将该系统构架应用于浙江温州(北纬28°12′)一套日产50 t热水的热水系统中，该地年均日照时长1 800 h，平均辐照度150.5 W/m2，太阳能真空管均采用全玻璃真空管Φ60 mm×2 000 mm，以33°安装角进行安装。用八台额定发热功率38.5 kW空气源热泵辅助系统加热，并采用双水箱的设计保持系统的热稳定性。系统运行参数均由相应传感器检测反馈，选取3天不同气候的天气数据如表1所示。

表1 不同天气条件下的参数

为保证测试参数的精确度，该系统采用了较为精确的仪表：使用温湿度传感器来采集环境温度、湿度，温度测试精度为±0.5 ℃，湿度测试精度为±2%；用辐照度表采集辐照度，辐照测试范围为0～2 000 W/m2，精度为5%；热敏电阻用来测量进、出水温度，分辨率0.1 ℃；4线制PT100用来测量水箱温度，分辨率0.1 ℃；压力式液位传感器用来测量水箱液位，测试精度为±0.2%；用超声波热量表采集累计加热量，测试精度为±2%；用三相多功能电能表采集功率，测试精度±0.5%。

3.1 太阳能—热泵复合热水系统数学模型

3.1.1 太阳能辐照量

在集热器附近安装辐照表测量光照度，通过回收后的数据，计算太阳辐照能Qs(kJ)，公式为

Qs=∑GAcΔT

(4)

式中，G为辐照度，W/m2；Ac为集热器有效面积，m2，本文所用集热器总面积为500 m2；ΔT为采样间隔时间，s。

3.1.2 太阳能集热量计算

由于该系统的传热介质是水，将热量表安装于系统集热器组件的主干管道上，分别对集热循环中的冷水进水温度tc1、热水出水温度tc2以及质量流量mc进行测量，采用焓差法[13]计算太阳能集热量Qc(kJ)，计算公式为

Qc=[Cpmc(tc2-tc1)Δt]×10-3

(5)

式中，Cp为热水的比热容，J/kg；tc1为热泵进水温度，℃；tc2为热水出水温度，℃。

3.1.3 热泵供热量计算

热泵供热量Qhp同样可以通过安装在热泵系统进出口的热量表计算得到[14]

Qhp=∑[Cpmhp(thp2-thp1)Δt]×10-3

(6)

式中，Cp为热水的比热容，J/kg；mhp为热泵循环水的质量流量，kg/s；thp1和thp2分别为热泵系统进、出口温度，℃。

3.1.4 系统供热量计算

忽略水箱漏热，系统实际供热量能量Qspl(kJ)计算公式为

Qspl=∑[Cp(mspltspl-mretre)Δt]×10-3

(7)

式中，mspl为用户供水流量，kg/s；mre为用户回水流量，kg/s；tspl和tre分别为供水水温和回水水温，℃。

3.1.5 实际用户供热量

实际中，要考虑热水在供热管道内的热损Qloss，用户供水总热量Qspl为用户有效利用热Quse与供热管道内的热损Qloss之和。

Qspl=Qloss+Quse

(8)

其中，管道热损Qloss计算公式如下

Qloss=∑[Cpmspl(tc2-tspl)Δt]×103

(9)

另外热泵、水泵等系统工作过程中要消耗电能，系统累计耗电量为Esh，则系统整体能效为

(10)

3.1.6 节能减排量计算

利用监控系统所获取的能耗计量数据，还可以通过计算系统节能减排量对整个系统能效、经济效益、环境效益等各方面做出相应评估，经简单换算可以得到一系列的系统能耗指标。如太阳辐照量、太阳能集热器集热量、热泵累计供热量、用户供热量等，具体数据如表2。

表2 系统能耗表

根据表4中数据可以知道，在晴天，太阳辐射量较大时，太阳能集热器收集较多的能量，用户供热量较大部分由太阳能系统供应，热泵系统只在用水高峰期时段对系统进行辅助加热。在阴天，太阳辐照度与年均日辐照度差异不大时，太阳能系统和热泵系统同时运作，并且在用水高峰期，热泵系统起到主要作用。在长时间恶劣天气的条件下，太阳能集热器几乎不能收集到太阳能，此状态下，太阳能集热系统关闭，系统热量全部由热泵系统提供。

将计算得到的数据在MATLAB环境下进行编程，从而绘制出太阳能辐射量与辐照度的关系，如图6所示。

图6 辐照度与太阳辐射量关系

太阳辐射量除了与太阳本身核反应相关以外，还会受到天气条件等因素的影响，由图6可得，太阳辐射量随着辐照度的增加而增加，增长系数趋近于1×107。

图7为热泵供热量与辐照度关系。由图可知，在辐照度大的环境条件下，热泵机组实际供热量极低，几乎没有进行供能，辐照度越低，热泵机组运作时间越长，耗费的能耗越多，能量损失也就越高。

图7 热泵供热量与辐照度关系

图8为系统供热量与辐照度关系。由图8可知，系统供热量随辐照度的增加缓慢增加，最后由于用户消耗热水的量有限，故而在曲线末，曲线逐渐趋于平缓。

图8 系统供热量与辐照度关系

图9为热损与辐照度关系。由图9可知，系统的热损随着辐照度的增大逐步降低。但由于热力管道的局部损失和沿程阻力损失相对改变不大，热损变更幅度也不明显。

图9 热损与辐照度关系

图10为用户供热量与辐照度关系。由图10可知，用户供热量随辐照度增大而增大，但由于用户的日常热水需求较为稳定，故而供热量的差异较为微小。

图10 用户供热量与辐照度关系

图11为能效比与辐照度关系。由图11可知，该系统的能效比随着辐照度的增加成上升关系，上升速度系数接近于1。

图11 能效比与辐照度关系

常规能源替代量、节煤量Mss、CO2减排量、SO2减排量、NOx减排量以及粉尘减排量这一系列的指标都是节能减排指标。对于我国能源结构来说，几乎都可以将这些指标转换为节煤量，节煤量Mss指将用户实际得热量与系统总耗电量的能量之差折算成标准煤量，计算公式如下

Mss-(Quse-Esh)/(ηcov·W)

(11)

式中，Esh为系统在一段时间内累计耗电量，kJ；W为29 307 kJ/kg；ηcov为30.7%；CO2、SO2、NOx、粉尘减排量等可根据相应的减排量系数计算得到。

为验证该系统具有优异的节能减排作用，通过计算，可得不同天气不同辐照度下的节煤量如表3所示。

表3 不同天气不同辐照度下的节煤量

由表3可知，辐照度越高，该系统运行的效率越高，该系统相应的省煤量越高，节能性也越好。

3.2 高辐照地区理论系统性能计算与分析

高辐照地区辐射量高，日照时间长，理论上具有更高的太阳能利用价值，下面就对高辐照地区进行理论上的计算分析。取年均日照时长3 000 h，辐照度600 W/m2，假设是同一台设备和装置，一天消耗水量24.94 t。在此条件下，通过计算可得到高辐射地区运行该系统的理论能耗值：热水在供热管道内的热损Qloss为1.79×105kJ；系统实际供热量能量Qspl为1.44×106kJ；热泵供热量Qhp为4.32×103kJ；太阳能集热量Qc为2.52×106kJ；太阳辐照能Qs为8.86×109kJ；Quse为1.26×106kJ；η为7.88。

3.3 低辐照地区理论系统性能计算与分析

低辐照地区辐射量低，日照时间较短，将低辐照地区进行理论计算分析有助于了解该系统在不同辐照度下的能耗情况，能够为系统的优化，对如何节能减排起到指示作用，下面就对高辐照地区进行理论上的计算分析。

取年均日照时长1 200 h，辐照度100 W/m2，假设是同一台设备和装置，一天消耗水量24.94 t，耗电量433 MJ，在此条件下，通过计算可得到低辐射地区运行该系统的理论能耗值，热水在供热管道内的热损Qloss为7.17×105kJ；系统实际供热量能量Qspl为5.77×106kJ；热泵供热量Qhp为1.73×103kJ；太阳能集热量Qc为1.01×106kJ；太阳辐照能Qs为5.92×109kJ；Quse为5.06×106kJ；η为1.77。由此可知，即使在极低辐照的情况下，该系统的能效比仍大于1。在极端恶劣天气条件下，该系统仍能发挥一定的节能减排效果，Mss为8.1135 kg。

3.4 不同地区理论数值比较与经济分析

将3种辐照度下的数据进行整理，可得表4。

表4 3种辐照度下能耗数据

分别将辐照度与各项能耗值进行数值分析，可得图12。

图12 3种辐照度下理论用户供热量与辐照度关系

综合对比可得，高辐照度条件下的系统功效最好，倘若将该系统成功应用在我国高辐照度地区，每天就可以省煤1 222.60 kg标煤。在一般天气条件下，该系统的能效比就可以达到较高程度，即使是在辐照度较低的恶劣天气，系统每天仍能减少煤耗量81 kg。

4 结论与展望

能源是各个国家战略物资的核心，是社会发展的必要物质，当今世界的能源结构仍是以一次能源为主。太阳能无疑是未来能源的前进方向，太阳能覆盖面积广，辐射能量大，太阳能技术的发展也逐渐高速高效化。

通过对系统实时运行进行监管监控，将数据进行收集运算，计算出相关能耗，并进行相关分析。发现该系统有优异的运行模式，具有高清洁性和高效性。在日照时长较少地区高辐射度照射情况下，日节煤量高达659.09 kg，能效比达4.67。

本文虽用到了较为先进的太阳能技术和相关的理论支撑，但是仍然具有很大的完善与发展空间。尤其是在以下几点：

(1)该系统可以进行更优质的完善，可以结合实际运行中存在的问题，以及不同工况，不同天气条件下的数据分析，对设备材料，管网线路，运行方式都可以进一步优化。

(2)监控系统的仪器精度有待提高，目前来讲部分公式仍采用经验公式，局部参数仍沿用以前的经验参数，导致部分计算出现误差。

(3)不仅仅是中国，纵观世界太阳能资源分布情况，太阳能几乎覆盖世界各个角落，然而太阳能和其他新能源的利用率占比不足10%，如何利用太阳能以及改进完善太阳能技术成为一大挑战。

(4)可以将该系统与气象局的气象数据进行结合，便能够做到预运行和更早更精确的系统管理。

(5)低温条件下，蒸发器及相关水阀水泵易结霜、冻结，若是能将该问题进行完全解决，太阳能系统的相关应用便能够进一步普及。