住宅混合動力熱水系統(tǒng)的原理與應用

前言 　　目前全球經(jīng)濟發(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量的迅速增加，導致能源價格大幅度提高，同時，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，對環(huán)境造成嚴重影響。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。 　　在住宅能源利用領域，太陽能熱利用裝置和熱泵裝置作為替代燃氣以及其它使用礦物能源的熱源裝置的方案，近年逐步成為發(fā)展趨勢，在歐洲、美洲以及日本等國家和地區(qū)，應用日益廣泛。 　　廣東萬和新電氣股份有限公司（以下簡稱“萬和”）近年致力于住宅多熱源熱水系統(tǒng)的研究和開發(fā)，該項目命名為住宅混合動力熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本特征是集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃氣加熱裝置，提供衛(wèi)生用熱水和采暖熱水，也可以根據(jù)用戶的需要擴展空調制冷功能和熱回收功能等，并可以集成住宅新風系統(tǒng)等裝置。 　　混合動力熱水系統(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)局部空氣質量；緩解燃氣供應緊張局面，促進燃氣具行業(yè)可持續(xù)發(fā)展；減少能源費用。 　　1混合動力熱水系統(tǒng)構建 　　在混合動力熱水系統(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)設計的基本原則，因此，在運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行。幾種常見熱源裝置的技術經(jīng)濟性如表1所示。 　　一般來說，購置費用較高的熱源裝置運行費用較低，例如，太陽能熱水器運行費用幾乎為零，而熱泵系統(tǒng)的運行費用通常只有電熱裝置的1/3左右；運行費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；運行費用較高的熱源裝置性能較為穩(wěn)定，燃氣加熱裝置和電加熱裝置就屬于這類產品。所以，在多熱源集成產品中，燃氣加熱和電加熱裝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氣加熱裝置等三種熱源裝置集成為熱源系統(tǒng)，通常需要配套一個蓄熱水箱，這是在幾種熱源裝置中作為熱能儲存和連接熱能供需側的中轉裝置。由于三種熱源裝置的基本功能是相同的，而有利的運行條件和時機各不相同，所以，存在系統(tǒng)優(yōu)化運行的突出問題，消費者無法以人工方式實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，系統(tǒng)控制器對各種熱源裝置實施自主的優(yōu)化運行管理對于系統(tǒng)運行經(jīng)濟性具有至關重要的作用。 　　混合動力熱水系統(tǒng)的能源梯級利用技術，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氣加熱裝置三種系統(tǒng)組合起來，通過系統(tǒng)控制器控制組合系統(tǒng)，可分別啟動太陽能熱利用裝置、熱泵裝置或燃氣加熱單元，或將其中兩種單元、三種單元同時啟動，合理運用太陽能和環(huán)境熱源和燃氣能，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、健康、可持續(xù)供應熱水，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經(jīng)濟性，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)總負荷的1/4～1/2配置，空氣源熱泵的容量按系統(tǒng)總負荷的1/2～3/4配置，燃氣加熱裝置的容量通常按系統(tǒng)總負荷的1/2～1配置。一般系統(tǒng)總負荷是全年最大負荷，而在實際運行條件下，全部運行時間中通常超過80%的時數(shù)小于2/3負荷，所以，燃氣加熱裝置只是在熱需求高峰期短時間運行，或其他熱帶源發(fā)生故障時作為后備熱源運行。如果簡化為雙熱源系統(tǒng)，推薦太陽能集熱裝置與燃氣加熱裝置集成，或空氣源熱泵裝置與燃氣加熱裝置集成。 　　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%的熱負荷需求，空氣源熱泵的造價需要較大幅度增加，因為在全年的運行時間，空氣源熱泵的可能有80%的時數(shù)小于2/3負荷，而為了獲得其余1/3的制熱能力，熱泵造價的增加幅度通常大大超過原先造價的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)勢十分突出，不過需要注意，利用熱泵采暖的最有利運行參數(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熱泵運行經(jīng)濟性關系密切。圖2所示為熱泵運行條件與性能系數(shù)（COP）的關系，COP定義為單位電力消耗的制熱量，是最重要的運行經(jīng)濟性指標，顯較高的COP值就意味熱泵較省電。此外，具有夏季空調制冷功能的熱泵在進行制冷運行時，利用熱泵排出的余熱加熱衛(wèi)生熱水，從這個角度來看，在這時獲得的熱水是無需付出能源代價的。這種產品在上世紀80年代中期在日本批量進入市場之后，一直是熱泵熱水器類產品的主流，目前在日本市場的年銷售量約50萬臺，市場占有率約50%。顯然，燃氣采暖鍋爐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80℃，但是，如果與空氣源熱泵集成運行，也應盡可能以低出水溫度的運行狀態(tài)運行。 　　太陽能集熱器在這類系統(tǒng)的應用方式一般有兩種，一是僅用于加熱衛(wèi)生熱水，二是用于采暖。前一種應用方式用于冬冷夏涼地區(qū)，系統(tǒng)構建和運行管理比較簡單，冬季太陽能集熱裝置供熱量不夠就用輔助熱源補充加熱；夏季就關閉其他熱源裝置，太陽能集熱裝置獨立運行。后一種應用方式是利用白天的太陽對房間進行保溫，因為燃氣采暖爐在采暖季節(jié)所消耗的燃氣中約1/3是用于白天房間無人時維持室內必要的溫度，所以，合理的太陽能采暖裝置可以顯著減少用戶的燃氣消耗。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，35℃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太陽能集熱器的要求不高。 　　2混合動力熱水系統(tǒng)運行模式 　　在運行管理方面，合理的運行模式是混合動力熱水系統(tǒng)開發(fā)的重要內容。以用于采暖和衛(wèi)生熱水的系統(tǒng)為例。在冬季采暖時，燃氣采暖鍋爐的工作時間長，一般分以下幾種模式： 　　1.外出模式，即住宅內無人活動，僅需要保持最低的房間溫度（10℃）； 　　2.室內模式，即用戶一直在住宅內活動，此時房間溫度需求較高（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舒適的溫度（15℃）。在外出模式下，因住宅內無人活動，為了減少燃氣消耗，一些用戶會采取停止燃氣采暖鍋爐運行的措施，此時整個供暖系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)，供暖系統(tǒng)的水溫較低，當人們回到住宅后有采暖需求時，開啟燃氣采暖鍋爐進行采暖，因初始溫度較低，要達到房間設置溫度，所需的熱量較大，而且加熱時間長，從舒適方便性以及節(jié)能方面都不是個理想的結果。利用混合動力熱水系統(tǒng)中的太陽能以及空氣能熱泵加熱，在外出模式時，維持住宅基本的房間溫度，當人們回到住宅內，再次啟動燃氣采暖鍋爐將可以縮短加熱時間，更快達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、風機盤管采暖。其中地板輻射采暖以及風機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，燃氣采暖鍋爐處于高負荷高效率運行狀態(tài)，供回水溫度一般是80℃和60℃。 　　根據(jù)用戶房間采暖系統(tǒng)的設計，對于低溫采暖，為了保證混合動力熱水系統(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)生活習慣通過系統(tǒng)控制器設定，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入蓄熱水箱，低溫回水進入蓄熱水箱后，水溫升高，即初始溫度升高，燃氣采暖鍋爐的能耗將降低。因為從00:00~06:00，用戶對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溫度。若在水箱溫度低的時候出現(xiàn)用戶對熱水的需求，生活熱水的補充可以直接流經(jīng)燃氣采暖鍋爐，加熱后流向用戶用水點。        對于高溫散熱片采暖，回水溫度一直保持在一個較高的溫度，水箱溫度因時間的推移將有緩慢下降的趨勢。系統(tǒng)控制器通過切換電子三通閥，采暖回水流進蓄熱水箱，對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作時間以及方式，此類控制的變化，可以通過系統(tǒng)控制器的內部程序實現(xiàn)。 　　3結束語 　　混合動力熱水系統(tǒng)運用能源梯級利用原理，通過太陽能熱利用裝置和熱泵裝置和燃氣加熱裝置3種熱源集成為熱源系統(tǒng)，實現(xiàn)合理利用太陽能和環(huán)境熱源和燃氣能，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、健康、可持續(xù)供應熱水。(責任編輯：郭娜娜) 　　參考資料 　　1.供暖及制冷系統(tǒng)中的空氣和雜質，能源-21世紀的挑戰(zhàn).卡萊菲,專業(yè)技術信息期刊,2009 　　2.黃遜青，住宅集成能源系統(tǒng)概念與發(fā)展.2011年中國家用電器技術大會論文集 　　3.GB/T18430.2-2008,蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第2部分.戶用及類似用途的冷水（熱泵）機組 　　4.清潔能源供熱系統(tǒng)，廣東萬和新電氣股份有限公司企業(yè)標準