住宅混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

前言 　　目前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨資源制約和環(huán)境制約兩大問題，由于礦物能源的不可再生性，以及近年礦物能源消費(fèi)量的迅速增加，導(dǎo)致能源價(jià)格大幅度提高，同時(shí)，礦物能源的使用過程伴隨著大量的二氧化碳以及其他污染物排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，減少礦物能源消耗成為解決資源和環(huán)境兩大制約的重要措施。 　　在住宅能源利用領(lǐng)域，太陽能熱利用裝置和熱泵裝置作為替代燃?xì)庖约捌渌褂玫V物能源的熱源裝置的方案，近年逐步成為發(fā)展趨勢(shì)，在歐洲、美洲以及日本等國(guó)家和地區(qū)，應(yīng)用日益廣泛。 　　廣東萬和新電氣股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“萬和”）近年致力于住宅多熱源熱水系統(tǒng)的研究和開發(fā)，該項(xiàng)目命名為住宅混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本特征是集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置，提供衛(wèi)生用熱水和采暖熱水，也可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展空調(diào)制冷功能和熱回收功能等，并可以集成住宅新風(fēng)系統(tǒng)等裝置。 　　混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)可以提高供熱系統(tǒng)能源利用效率，降低家庭碳排放水平；減少空氣污染物排放，尤其是改善住宅區(qū)局部空氣質(zhì)量；緩解燃?xì)夤?yīng)緊張局面，促進(jìn)燃?xì)饩咝袠I(yè)可持續(xù)發(fā)展；減少能源費(fèi)用。 　　1混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)構(gòu)建 　　在混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)中，在滿足使用要求的前提下降低家庭能源支出是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，因此，在運(yùn)行過程中獲得單位熱量成本較低的熱源裝置將處于優(yōu)先地位，系統(tǒng)配置將其作為基本熱源裝置優(yōu)先利用該裝置獲得的熱能，只有在基本熱源裝置無法滿足使用要求的情況下，輔助熱源裝置才投入運(yùn)行。幾種常見熱源裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性如表1所示。 　　一般來說，購(gòu)置費(fèi)用較高的熱源裝置運(yùn)行費(fèi)用較低，例如，太陽能熱水器運(yùn)行費(fèi)用幾乎為零，而熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用通常只有電熱裝置的1/3左右；運(yùn)行費(fèi)用較低的熱源裝置受環(huán)境影響較大，太陽能熱水器的供熱能力直接受日照條件影響，而空氣源熱泵的供熱能力受環(huán)境溫度影響較大；運(yùn)行費(fèi)用較高的熱源裝置性能較為穩(wěn)定，燃?xì)饧訜嵫b置和電加熱裝置就屬于這類產(chǎn)品。所以，在多熱源集成產(chǎn)品中，燃?xì)饧訜岷碗娂訜嵫b置通常作為輔助熱源，而太陽能和熱泵裝置通常就作為基本熱源。 　　萬和開發(fā)的基本型混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)的典型配置是，由太陽能熱利用裝置、空氣源熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置等三種熱源裝置集成為熱源系統(tǒng)，通常需要配套一個(gè)蓄熱水箱，這是在幾種熱源裝置中作為熱能儲(chǔ)存和連接熱能供需側(cè)的中轉(zhuǎn)裝置。由于三種熱源裝置的基本功能是相同的，而有利的運(yùn)行條件和時(shí)機(jī)各不相同，所以，存在系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的突出問題，消費(fèi)者無法以人工方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，系統(tǒng)控制器對(duì)各種熱源裝置實(shí)施自主的優(yōu)化運(yùn)行管理對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有至關(guān)重要的作用。 　　混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)的能源梯級(jí)利用技術(shù)，通過太陽能循環(huán)組件將太陽能熱利用裝置和熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置三種系統(tǒng)組合起來，通過系統(tǒng)控制器控制組合系統(tǒng)，可分別啟動(dòng)太陽能熱利用裝置、熱泵裝置或燃?xì)饧訜釂卧驅(qū)⑵渲袃煞N單元、三種單元同時(shí)啟動(dòng)，合理運(yùn)用太陽能和環(huán)境熱源和燃?xì)饽?，?shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、健康、可持續(xù)供應(yīng)熱水，在各種居住環(huán)境下使用都能得到穩(wěn)定的熱水。 　　為了獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，用于衛(wèi)生熱水的三熱源系統(tǒng)，太陽能集熱器的容量通常按系統(tǒng)總負(fù)荷的1/4～1/2配置，空氣源熱泵的容量按系統(tǒng)總負(fù)荷的1/2～3/4配置，燃?xì)饧訜嵫b置的容量通常按系統(tǒng)總負(fù)荷的1/2～1配置。一般系統(tǒng)總負(fù)荷是全年最大負(fù)荷，而在實(shí)際運(yùn)行條件下，全部運(yùn)行時(shí)間中通常超過80%的時(shí)數(shù)小于2/3負(fù)荷，所以，燃?xì)饧訜嵫b置只是在熱需求高峰期短時(shí)間運(yùn)行，或其他熱帶源發(fā)生故障時(shí)作為后備熱源運(yùn)行。如果簡(jiǎn)化為雙熱源系統(tǒng)，推薦太陽能集熱裝置與燃?xì)饧訜嵫b置集成，或空氣源熱泵裝置與燃?xì)饧訜嵫b置集成。 　　如果采用太陽能集熱裝置與空氣源熱泵裝置集成的方案，為了使得空氣源熱泵在極限環(huán)境溫度下仍然保證滿足100%的熱負(fù)荷需求，空氣源熱泵的造價(jià)需要較大幅度增加，因?yàn)樵谌甑倪\(yùn)行時(shí)間，空氣源熱泵的可能有80%的時(shí)數(shù)小于2/3負(fù)荷，而為了獲得其余1/3的制熱能力，熱泵造價(jià)的增加幅度通常大大超過原先造價(jià)的1/3。 　　而用于采暖和衛(wèi)生熱水的系統(tǒng)中，利用熱泵獲得采暖熱水在過渡季節(jié)（環(huán)境溫度≥-7℃）優(yōu)勢(shì)十分突出，不過需要注意，利用熱泵采暖的最有利運(yùn)行參數(shù)是低溫地板供熱或類似的輻射供熱方式，因此，熱泵裝置的冷凝溫度對(duì)熱泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性關(guān)系密切。圖2所示為熱泵運(yùn)行條件與性能系數(shù)（COP）的關(guān)系，COP定義為單位電力消耗的制熱量，是最重要的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，顯較高的COP值就意味熱泵較省電。此外，具有夏季空調(diào)制冷功能的熱泵在進(jìn)行制冷運(yùn)行時(shí)，利用熱泵排出的余熱加熱衛(wèi)生熱水，從這個(gè)角度來看，在這時(shí)獲得的熱水是無需付出能源代價(jià)的。這種產(chǎn)品在上世紀(jì)80年代中期在日本批量進(jìn)入市場(chǎng)之后，一直是熱泵熱水器類產(chǎn)品的主流，目前在日本市場(chǎng)的年銷售量約50萬臺(tái)，市場(chǎng)占有率約50%。顯然，燃?xì)獠膳仩t的供熱性能幾乎不受氣象條件的影響，而且出水溫度可以高達(dá)80℃，但是，如果與空氣源熱泵集成運(yùn)行，也應(yīng)盡可能以低出水溫度的運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行。 　　太陽能集熱器在這類系統(tǒng)的應(yīng)用方式一般有兩種，一是僅用于加熱衛(wèi)生熱水，二是用于采暖。前一種應(yīng)用方式用于冬冷夏涼地區(qū)，系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行管理比較簡(jiǎn)單，冬季太陽能集熱裝置供熱量不夠就用輔助熱源補(bǔ)充加熱；夏季就關(guān)閉其他熱源裝置，太陽能集熱裝置獨(dú)立運(yùn)行。后一種應(yīng)用方式是利用白天的太陽對(duì)房間進(jìn)行保溫，因?yàn)槿細(xì)獠膳癄t在采暖季節(jié)所消耗的燃?xì)庵屑s1/3是用于白天房間無人時(shí)維持室內(nèi)必要的溫度，所以，合理的太陽能采暖裝置可以顯著減少用戶的燃?xì)庀?。而且，如果末端的采暖方式使用低溫地板供熱或類似的輻射供熱?5℃的供熱溫度已經(jīng)可以滿足要求，在冬季獲得這樣水平的溫度對(duì)太陽能集熱器的要求不高。 　　2混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)運(yùn)行模式 　　在運(yùn)行管理方面，合理的運(yùn)行模式是混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容。以用于采暖和衛(wèi)生熱水的系統(tǒng)為例。在冬季采暖時(shí)，燃?xì)獠膳仩t的工作時(shí)間長(zhǎng)，一般分以下幾種模式： 　　1.外出模式，即住宅內(nèi)無人活動(dòng)，僅需要保持最低的房間溫度（10℃）； 　　2.室內(nèi)模式，即用戶一直在住宅內(nèi)活動(dòng)，此時(shí)房間溫度需求較高（18℃）； 　　3.休息模式，即用戶處于休息睡眠狀態(tài)，房間溫度保證在一個(gè)舒適的溫度（15℃）。在外出模式下，因住宅內(nèi)無人活動(dòng)，為了減少燃?xì)庀?，一些用戶?huì)采取停止燃?xì)獠膳仩t運(yùn)行的措施，此時(shí)整個(gè)供暖系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)，供暖系統(tǒng)的水溫較低，當(dāng)人們回到住宅后有采暖需求時(shí)，開啟燃?xì)獠膳仩t進(jìn)行采暖，因初始溫度較低，要達(dá)到房間設(shè)置溫度，所需的熱量較大，而且加熱時(shí)間長(zhǎng)，從舒適方便性以及節(jié)能方面都不是個(gè)理想的結(jié)果。利用混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)中的太陽能以及空氣能熱泵加熱，在外出模式時(shí)，維持住宅基本的房間溫度，當(dāng)人們回到住宅內(nèi)，再次啟動(dòng)燃?xì)獠膳仩t將可以縮短加熱時(shí)間，更快達(dá)到用戶的采暖需求和節(jié)能的目的。 　　在采暖末端模式上，有地板輻射采暖、散熱器采暖、風(fēng)機(jī)盤管采暖。其中地板輻射采暖以及風(fēng)機(jī)盤管采暖屬于低溫采暖，采暖供/回水溫度較低。散熱片采暖時(shí)，燃?xì)獠膳仩t處于高負(fù)荷高效率運(yùn)行狀態(tài)，供回水溫度一般是80℃和60℃。 　　根據(jù)用戶房間采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于低溫采暖，為了保證混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)生活熱水優(yōu)先，回水管路不流經(jīng)蓄熱水箱。用戶可以根據(jù)生活習(xí)慣通過系統(tǒng)控制器設(shè)定，自定義夜間（例如，00:00~06:00）低溫采暖回水通過電子三通閥間歇性進(jìn)入蓄熱水箱，低溫回水進(jìn)入蓄熱水箱后，水溫升高，即初始溫度升高，燃?xì)獠膳仩t的能耗將降低。因?yàn)閺?0:00~06:00，用戶對(duì)生活熱水的需求幾乎為零，水箱的溫度可以通過熱泵裝置加熱保持一個(gè)溫度。若在水箱溫度低的時(shí)候出現(xiàn)用戶對(duì)熱水的需求，生活熱水的補(bǔ)充可以直接流經(jīng)燃?xì)獠膳仩t，加熱后流向用戶用水點(diǎn)。        對(duì)于高溫散熱片采暖，回水溫度一直保持在一個(gè)較高的溫度，水箱溫度因時(shí)間的推移將有緩慢下降的趨勢(shì)。系統(tǒng)控制器通過切換電子三通閥，采暖回水流進(jìn)蓄熱水箱，對(duì)水箱起加熱保溫作用，直到蓄熱水箱溫度與采暖回水溫度一致，電子三通閥再次切換，回到采暖系統(tǒng)中。對(duì)于多種采暖末端系統(tǒng)并存的住宅，根據(jù)總回路的水溫確定電子三通的動(dòng)作時(shí)間以及方式，此類控制的變化，可以通過系統(tǒng)控制器的內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)。 　　3結(jié)束語 　　混合動(dòng)力熱水系統(tǒng)運(yùn)用能源梯級(jí)利用原理，通過太陽能熱利用裝置和熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置3種熱源集成為熱源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)合理利用太陽能和環(huán)境熱源和燃?xì)饽?，?shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、健康、可持續(xù)供應(yīng)熱水。(責(zé)任編輯：郭娜娜) 　　參考資料 　　1.供暖及制冷系統(tǒng)中的空氣和雜質(zhì)，能源-21世紀(jì)的挑戰(zhàn).卡萊菲,專業(yè)技術(shù)信息期刊,2009 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