太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统应用 (1).pdf

可再生能源27NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统应用温青梅1 宋甲甲2 戴振宇3（1.山东方亚新能源集团有限公司，山东 济南 250000；2.山东力诺瑞特新能源有限公司，山东 济南 250000；3.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250000）摘要：设计一套太阳能与空气源热泵联合供热系统，出水温度为8090。通过对太阳能集热器和空气源热泵产品性能进行比较，选择集热效率高的中温型太阳能集热器和双级压缩复叠式空气源热泵，并对两种热源并联的供热系统进行详细的控制逻辑设计。以泰国CPC太阳能热水项目为例，对供热系统的稳定运行情况和节能效果进行验证。项目地辐照资源好，联合供热系统运行稳定、效果良好。关键词：太阳能；复叠式热泵；工业用热；效益分析中图分类号：TU831 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）07-0027-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.008Application of combined heating system of solar energy and cascade air source heat pumpWEN Qing-mei SONG Jia-jia DAI Zhen-yuAbstract：A set of solar energy and air source heat pump combined heating system is designed,and the outlet water temperature is 8090 .By comparing the performance of solar collector and air source heat pump,the medium-temperature solar collector with high heat collection efficiency and the two-stage compression cascade air source heat pump are selected,and the detailed control logic design of the heating system connected in parallel between the two heat sources is carried out.Taking the CPC solar water heating project in Thailand as an example,the stable operation and energy-saving effect of the heating system were verified.The irradiation resources of the project site are good,and the combined heating system operates stably and has good effects.Key words:solar energy;cascade heat pump;industrial heat;benefit analysis引言太阳能与空气源热泵联合系统利用清洁可再生能源，具有环境效益好、运行费用低等优势，在采暖和生活热水领域得到普遍应用。但由于产品特性的限制，常规空气源热泵出水温度大多为4560，适用于小型采暖系统或生活热水系统。近些年空气源热泵产品不断改造升级，复叠式空气源热泵逐渐得到人们关注。通过低温级和高温级双级压缩方式，复叠式空气源热泵稳定出水温度可以达到90，更高的出水温度使其应用范围更加广泛1-2。许多学者对复叠式空气源热泵的运行原理、制冷剂选择、控制策略及其在工程上的应用进行研究1,3-4，但有关太阳能与复叠式空气源热泵联合应用的研究较少。文中研究太阳能与复叠式高温空气源热泵结合的供热系统，保证出水温度接近90，分析系统的运行原理及控制要点，以泰国CPC太阳能热水项目为例进行节能效益分析。1太阳能与复叠式高温空气源热泵联合系统设计1.1太阳能集热器的选择太阳能热利用分为低温(300)共3个温度分区。其中，中温利用区段又分为低、中、高共3个区段，低温段为100170，中温段为170230，高温段为230300 5。在建筑采暖空调和农业采暖等领域，对太阳能的热利用主要集中在低温分区，其应用比较成熟、产品种类多、集热性能好、价格经济合理。近些年，随着太阳能在区域供热和工业节能减排应用上的推广，要求太阳能出水温度为 90110 的项目越来越多。在这个温度区间内，常规平板集热器和真空管集热器出力困难，集热效率较低，考虑系统承压和产品集热性能等因素，适用于中温温度分区的非跟踪太阳能集热器得到很好的应用，包括玻璃-金属封接式真空管太阳能集热器、带复合抛物面真空管型太阳能集热器(CPC)和高性能平板型太阳能集热器6。因此，作者简介：温青梅（1991），女，硕士，工程师，研究方向为新能源供热系统设计。收稿日期：2022-12-16引用本文：温青梅，宋甲甲，戴振宇.太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统应用 J.节能，2023，42（7）：27-30.可再生能源28节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023为了保证出水温度接近90，优先考虑采用中温型集热器，文中设计的联合供热系统采用带复合抛物面真空管型太阳能集热器(CPC)。1.2空气源热泵机组类型选择太阳能储量巨大7，但能量密度较低。不同地域和不同时间的太阳能具有差异性，需要稳定的辅助能源保证系统热量的稳定输出，满足工程用热需求。空气源热泵具有应用广泛、使用便捷、限制条件少、方便安装、占地面积小等特点，但常规空气源热泵的出水温度一般不超过60。对于要求供热温度8090 的系统，常规空气源热泵只能作为初级预热装置，需要采用其他能源装置进一步提温才能达到系统供热要求。文中采用复叠式高温空气源热泵机组，工作原理为逆卡诺循环。与单级压缩相比，复叠式热泵将工质系统分为低温级循环和高温级循环，低温级循环的冷凝侧与高温级循环的蒸发侧进行换热，通过低温级循环压缩，提高高温冷媒的蒸发温度，从而实现高冷凝温度制取高温热水，稳定出水温度可达90。复叠式高温空气源热泵工作原理如图1所示。1.3太阳能与复叠式高温空气源热泵联合系统设计中温太阳能集热器与复叠式高温空气源热泵机组的结合，充分利用了中温太阳能集热器在90110 温度区间集热效率高和复叠式高温空气源热泵双级压缩高出水温度的优势。太阳能与空气源热泵具有多种结合形式，可以串联运行或并联运行。太阳能辐照的不均衡性导致太阳能集热器侧出口温度波动较大，而复叠式高温空气源热泵机组要求进出水温度相对稳定、换热温差不能太大。若太阳能侧和复叠式高温空气源热泵侧串联运行，会导致热泵机组进口温度波动，使机组频繁报警甚至故障；为了保证热泵机组进口温度稳定而强行限制太阳能侧的换热温差时，会降低太阳能的利用效率。因此，设计太阳能与复叠式高温空气源热泵并联的供热系统，在太阳能集热侧增加1个承压缓冲水罐，起到储存热量、稳定供水温度的作用。太阳能侧和复叠式热泵侧通过三通阀进行切换供热，当太阳能侧承压缓冲水罐内温度达到设定供水温度时，三通阀切换为太阳能侧供热；承压缓冲水罐内温度不能满足供水需求时，切换为复叠式空气源热泵侧供热。太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统原理如图2所示。1.4系统特点及创新性第一，采用中温型太阳能集热器，在出水温度为90 左右时，集热效率高，运行稳定。第二，太阳能侧承压运行，可以采用直接产热或间接换热形式，集热器连接缓冲水罐，起到储热和稳定出水温度的作用。第三，复叠式空气源热泵与太阳能集热器并联运行，通过电动三通阀切换，在保证末端用热水温度的前提下，充分利用太阳能侧的集热能力，避免了串联运行时复叠式空气源热泵机组进口温度波动导致的机组故障报警。第四，太阳能与复叠式高温空气源热泵联合系统，提供温度为90 左右热水，出水温度比常规空气源热泵系统高，适用性更广。同时利用中温型太阳能集热器，系统节能效果十分显著。1.5太阳能与复叠式高温空气源热泵系统控制策略集热循环：集热器出口温度-缓冲水罐温度8 且集热器出口温度95 时，集热循环泵开启；集热器出口温度-缓冲水罐温度5 或集热器出口温度95 时，集热循环泵关闭。热泵加热：在设定时段，复叠式热泵根据进口温度自动控制启停。热泵进口温度小于设定值时，热泵开启，加热至90 供用户使用；热泵进口温度大于82 时，热泵关闭。热源切换：水罐内温度达到95 时，电动三通阀ZV101切换至缓冲水罐方向，由水罐内的热水进行供热；水罐温度小于85 时，电动三通阀ZV101切换至热泵方向，由热泵进行供热。供水循环：根据末端用热需求控制供水泵启停。集热循环补水（定压补水）：自动增压泵根据压力控制启停。供热循环补水：自来水定压补水。过热保护：末端无用热需求，且集热器出口温度大图1复叠式高温空气源热泵工作原理图2太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统原理可再生能源29NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION于 130 （可设定）时，集热泵启动，电动三通阀ZV102切换为散热方向，通过散热器散热，降低集热系统温度；集热器出口温度小于 110 时，电动三通阀ZV102切换为进缓冲水罐方向，可以进行正常集热循环。以上动作温差或温度值均可根据实际情况调整设定。2实际项目验证为了验证文中设计的太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统的实际运行效果，在泰国地区建立该系统的示范项目。该项目为工业用热项目，用户要求系统供水温度8090，满足其工艺上相变材料的恒温，供水温度波动不能过大，波动范围控制在1015 以内。2.1项目概况泰国CPC太阳能热水项目位于泰国春武里府地区，北纬13.4，东经100.9。当地年倾斜面（集热器安装倾角15）平均日辐照量为4.83 kWh/m2，平均日照时长为7 h/d，年平均温度28.1。泰国春武里府地区辐照参数如表1所示。项目需求是为工业提供90 左右热水，初始温度80，流量20 t/h，全天24 h使用。太阳能集热器安装在厂房屋面上，可用面积约1 200 m2，建筑朝向为西南方向。项目采用太阳能和复叠式高温空气源热泵作为热源，复叠式高温空气源热泵为主，太阳能为辅。2.2系统配置2.2.1太阳能集热器选型项目采用力诺瑞特CPC47-1518型太阳能集热器8。根据屋顶可用面积，可以布置集热器211组，单台采光面积3 m2，朝向修正系数为93%，集热器效率为47%。太阳能集热器平均每日集热量Q为：Q=JTACC112(1)式中：Q集热器集热量，MJ；JT当地年倾斜面（安装倾角15）平均日辐照量，取18.108 MJ/m2；AC集热器采光面积，取633 m2；C基于采光面积的集热器平均集热效率，取47%；1系统中储热水箱和管路的换热损失，取10%；1朝向修正系数，本项目集热器安装朝向为南偏西，取93%；2间接换热系数，取1.1。计算得集热器平均每日集热量为4 737 MJ，可以提供90（温差20）热水约56 t。集热器安装现场如图3所示。2.2.2复叠式高温空气源热泵机组选型根据项目用热要求，工艺用水量约20 t/h，需求温度自80 加热至90，制热总负荷232.6 kW。复叠式高温空气源热泵机组单机制热量为56 kW，为了保证机组稳定运行，延长使用，建议机组连续运行时间不超过18 h。选择 25 匹复叠式热泵机组 6 台，机组额定制热功率为56 kW，额定出水温度为80，最高出水温度为90。复叠式高温空气源热泵机组运行参数如表2所示。复叠式高温空气源热泵机组安装现场如图4所示。2.3运行效益分析根据项目当地的气象资料，对复叠式高温空气源热泵机组的COP进行动态修正，得到热泵机组在不同平均温度下的COP值。不同月份的平均温度和复叠式空气源热泵机组COP曲线如图5所示。设定出水温度一定的情况下，环境温度越高，机组的COP值越高。项目当地年表1泰国春武里府地区辐照参数月份123456789101112平均温度/26.427.428.429.529.229.128.828.728.127.627.226.6辐照量/MJ/(m2 d)19.2819.6720.5519.9217.7716.9216.4915.7916.0817.0718.6019.05日照时长/h8.908.918.468.426.705.085.244.805.016.247.678.70表2复叠式高温空气源热泵机组运行参数（最高90）运行工况常温工况（环境温度20）名义工况（环境温度7）低温工况（环境温度-12）输入功率/kW22.425.635.0COP2.502.191.60图4复叠式高温空气源热泵机组安装现场图3集热器安装现场可再生能源30节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023平均气温28.1，复叠式高温空气源热泵机组稳定出水温度为85 左右，平均COP可达2.25。各月平均辐照量下太阳能集热器的有效集热量曲线如图6所示。项目当地全年辐照情况均衡，辐照强度高，全年有效集热量约为1 762 GJ，占需求热量的25.3%。各月需求热量与太阳能和热泵各承担热量曲线如图7所示。太阳能提供的热量越多，热泵系统相对补充的热量越少，热泵补充热量跟随用热需求波动明显。太阳能与复叠式热泵联合，满足项目的用热需求。不同供热方式的耗电量对比如图8所示。由图8可知，经过太阳能与复叠式高温空气源热泵系统节能改造，项目全年耗电量仅为原电锅炉供热系统的32%，年节能量约1 458.7 MWh。按照当地工业电价1.0元/kWh计算，每年节省运行费用145.87万元，节能和经济效益显著。3结语设计出水温度为8090 的太阳能与复叠式高温空气源热泵联合供热系统，对太阳能集热器和空气源热泵类型的选择及系统控制逻辑进行介绍。在泰国地区建立工业应用示范项目，阐述系统主要设备选型计算方法及效益对比分析。该项目地辐照资源好，全年环境温度稳定，适合太阳能与复叠式高温空气源热泵系统应用。项目自2021年投产运营至今，运行稳定、效果良好，解决了项目用热水问题，为客户节省了运行费用。参考文献1 周亮亮，李贺，白建民，等.低温环境下复叠式空气源热泵热水系统的实验研究 J.建筑科学，2013，29（4）：10-14.2 傅明星，张兴群.双级复叠式空气源热泵冷热水机组的应用研究 J.流体机械，2008（10）：82-85，34.3 陈剑波，姚晶珊，韩星，等.不同环境温度下复叠式空气源热泵高温热水系统运行特性研究 J.暖通空调，2013，43（7）：107-111.4 陈剑波，姚晶珊，亢友立，等.复叠式空气源热泵系统的控制稳定性研究 J.制冷学报，2014，35（1）：38-45.5 葛洪川，蒋富林，孙伟.太阳能中温热利用的温度分区和一种中温集热器 J.太阳能，2018（12）：75-77.6 张昕宇，李鹏，何涛，等.中国太阳能中温集热技术进展及应用 J.太阳能学报，2019，40（6）：1494-1502.7 郭俊莉.印染行业中太阳能中温聚光技术应用分析 J.能源与节能，2013（9）：44-46.8 王力，袁婉丽.太阳能在工业热能中的应用 J.建设科技，2018（14）：87-89.图5不同月份的平均温度和复叠式空气源热泵机组COP曲线图8不同供热方式的耗电量对比图7各月需求热量与太阳能和热泵各承担热量曲线图6各月平均辐照量下太阳能集热器的有效集热量曲线