太阳能空气源热泵空调系统的可行性分析

太阳能空气源热泵空调系统的可行性分析正阳诚信太阳能节能设备有限公司正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适2目录一、热泵的低位热源.............................................................................................3二、空气作为热泵的低位热源.............................................................................4三、太阳能作为热泵的低位热源.........................................................................71.太阳能的优点..................................................................................................72.太阳能的缺点..................................................................................................83.作为热泵的低温热源........................................................................................8四、太阳能在建筑采暖中的利用.......................................................................10太阳能采暖系统...................................................................................................10五、太阳能空气源热泵采暖制冷系统...............................................................101、太阳能空气源热泵的技术经济优势.............................................................102.系统整体方案说明............................................................................................113.系统技术说明...................................................................................................114、太阳能空气源热泵的系统形式.....................................................................115、系统工作原理.................................................................................................136.系统设计关键点：............................................................................................147、系统特点.........................................................................................................15六、经济性分析...................................................................................................16七、结论...............................................................................................................16正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适3随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国正面临着越来越大的能源压力，特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加，已成为我国不少城市缺电的诱因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然气等将逐渐开采枯竭，开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的任务已十分迫切。所以，在提高太阳能热利用应用技术水平的同时，应积极创造条件，将现有成熟技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改善、提高，起到样板和示范作用。一、热泵的低位热源被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低位热源。热泵的低位热源有很多种，主要有：空气、地下水、河湖水、土壤热、太阳能、工业废热。这些热源可以大量的无偿获得。表1热泵的各种热源热源项目空气地下水河湖水土壤热太阳能工业废热作为热源的适用性良好/大量使用良好主要热源良好主要热源一般/已有应用良好/潜力巨大应状态而异存在问题供热时，热泵供热量与建筑物热负荷矛盾；室外温度低时易结霜要注意水垢及腐蚀；注意回灌及运行过程中的水污染问题注意水垢和腐蚀；冬季水温下降投资大；腐蚀问题；故障检修困难与其他设备结合应用；注意蓄热问题注意水质，水垢及腐蚀问题；是否供应稳定选择低位热源时，一般要综合考虑以下几个原则：1、低位热源要有较高的品位和足够的容量。热泵的热源温度的高低是影响热泵运行性能的与经济性能的主要因素之一。在一定的供热温度下，热泵热源温度与供热温度之间的温差越小，热泵的理论能效比就越大。2、应该没有任何的附加费用或附加费用极少。3、输送热量的载体的动力消耗要尽可能的少，以减少系统的输送费用，提正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适4高系统的综合性能。4、热泵热源的载体要价廉易得，对环境友善，对换热器及管路的腐蚀性要小。5、热源温度的时间特性与供热的时间性能应尽量一致。二、空气作为热泵的低位热源1、空气源热泵的优缺点近年来，空气源热泵作为空调的冷热源得到了广泛的应用，使用地域由南向北，从长江流域逐渐扩展的我国的北方地区。空气源热泵以空气作为热泵的低位热源具有无可比拟的优点。空气取之不尽用之不竭；机组占地面积少，自动化程度高；机组可冬夏共用；设备安装和使用都比较方便。但这种形式的热泵有着显著的缺点。室外空气状态（温度、湿度）随着地域、季节、昼夜均有很大的变化，而热泵的制热量和制热性能系数受室外状态影响较大。当室外空气温度降低时，系统的蒸发压力降低，压缩机制冷剂流量减少，压缩机的压缩比增大，热泵的运行工况变差，热泵的制热量减少，与之相反的是时建筑热负荷随着室外温度降低变大，热泵的制热量与建筑物的热负荷相矛盾。如图1，建筑热负荷随室外温度降低而升高，热泵制热量随室外温度的降低而减少，两者的交点称为平衡点，即在此室外温度下，热泵制热量等于建筑物热负荷。在平衡点之右，表示热泵制热量有余；在平衡点之左，表示热泵制热量不足，必须补充加热量。所以在选择空气源热泵作为建筑供热设备时，为满足较低室外温度下的供热量要求时，需要选择大容量的热泵机组或增设辅助加热装置。正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适5图1空气源热泵的供热性能空气源热泵的另一个缺点就是结霜。空气是有一定湿度的，空气流过蒸发器被冷却时，当蒸发器表面温度低于室外空气的露点温度时，蒸发器表面凝露，当蒸发器表面温度继续降低且低于0℃时，蒸发器表面开时结霜。蒸发器翅片间的霜层不仅使空气流动阻力增大，而且随着霜层的增厚，换热器的热阻增大，传热恶化。结霜到一定程度要除霜，现有的方法一般是使用四通换向阀换向，进入制冷工况，压缩机排气直接进入翅片盘管换热器一除去换热器表面的霜层，因此除霜运行时热泵只耗能不供热。2、空气源热泵供热分析室外温度的降低和潜在的结霜都会使热泵的供热量减少，而同时建筑热负荷却增大。由于存在这一矛盾，热泵及辅助加热器容量的选择与匹配涉及到平衡点温度的问题。平衡点温度取的低，要求配置的热泵容量就大，但是可以减少甚至不设辅助加热器。平衡点取得高，要求配置的热泵容量就小，但是辅助加热器的容量就要增大。这是一个技术经济比较问题。一般可以用制热季节性能系数HSPF来评价热泵和辅助供热系统用于某以地区在采暖季运行的热力经济性。HSPF主要与供热负荷和当地的温度频度有关。正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适6HSPF=整个供热季消耗的能量量整个供热季节建筑耗热=量供热季辅助加热的耗能量供热季热泵消耗的总能供热季辅助加热量供热季节热泵供热量若建筑物的维护结构一定，择建筑维护结构热负荷仅取决于室内外温差。若室内温度维持在设定值，择维护结构热负荷只与室外温度有关。空气源热泵的制热量随着室外环境温度的变化而变化。以北京为例。北京冬季空调室外设计温度-12℃，该住宅的热负荷34.8kw。用空气源热泵供热并且辅助加热为单级，则在不同平衡点温度下热泵与辅助加热的容量如下表容量平衡点温度℃额定容量（kw）热泵-12℃时制热量（kw）辅助加热量（kw）-538.820.014.8026.213.521.3516.98.726.1以上是采用辅助加热的情况。低温下热泵的运行工况会很快恶化并且运行不稳定，考虑除霜影响，蒸发器有时根本不从环境中吸热，相当于压缩机耗电功进行供热，这种情况下，有时会考虑关闭热泵机组，完全辅助加热设备供热，这样辅助供热容量要增大。对此种住宅供暖，考虑以下方案：1、室外温度大于-2℃，热泵机组运行；2、室外温度在-6℃----2℃之间，热泵机组与一档电加热同时开启；3、室外温度小于-6℃，热泵机组关闭，二档电加热开启。正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适7图2平衡点与辅助加热由上图可看出，不同的平衡点温度及不同的运行模式需要配置的热泵和辅助加热的容量不同，热泵和辅助加热运行的时间分配不同。有于低温下性能问题，空气源热泵用于建筑供热时要么选用大容量的热泵机组，要么增设辅助供热设备，这将导致一系列的问题：供热设备的初投资增大，设备占地面积增大，设备负载增大；另一方面，在热泵应用的大部分地区冬季大部分时间室内室外气温较高，此时既不需要热泵在全负荷下运行，也不需要启用辅助加热设备，为满足较短时间的室外低温而配置的大容量热泵或热泵辅助加热器的利用率低，设备长时间处于部分负荷运行。三、太阳能作为热泵的低位热源1.太阳能的优点①太阳能是一种巨大的能源，太阳每年辐射到地球上的辐射能大181.3Gt标准煤，相当于全世界需要能量的5000倍，每天达到地球表面的太阳辐射能大约相当于2.5亿桶石油。②太阳能是一种可持续能源，根据目前太阳辐射总功率及太阳上的氢总量来计算，太阳上可以维持1000亿年。③在工业越来越发达而环境越来越污染的今天，太阳能是一种情节能源。正阳太阳能取天地之灵气造人间之舒适82.太阳能的缺点①分散性虽然到达地球表面的太阳辐射总量很大，但太阳能的能流密度很低，一般可以接收到太阳辐射强度不超过1000w/㎡。平均来说，北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最强，约为1100—1200w/㎡，冬季只有一半左右，阴天只有1/5。要得到一定量的太阳辐射，需要的集热器面积较大，设备成本较高。②间歇性与不稳定性为使太阳能成为一种连续稳定的自然能源，不受昼夜、季节、纬度、海拔等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，必须解决太阳能的储存和辅助热源的问题，要把晴天太阳辐射能收集并储存起来，供夜间和阴雨天使用。3.作为热泵的低温热源太阳能作为热泵的低温热源是利用太阳能的一种大胆而有益的尝试，为此太阳能热泵这一理论被提出。太阳能热泵是以新型的空调供热技术，他把太阳能和热泵技术结合起来，可以解决空气源热泵低温下的性能问题并由于减少结霜或不结霜