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发布时间:2024-07-10 点此:158次

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近年来,PM2.5、PM10等环境污染问题日趋严重,已探明化石能源开采有限等能源可持续利用问题与矛盾逐渐引起中外社会的高度重视,发展太阳能、空气能等可再生能源制冷、供热技术已成为世界各国制定的可持续发展战略的重要组成部分。2015年在巴黎召开的“第21届联合国气候变化大会”公布了最新的能源与环境统计数据,全球每年的能源应用中,37%用于工业,20%用于交通运输,18%用于建筑,其余25%作为余热排放。而在全球能源应用比例中,太阳能热能仅占0.5%,太阳能光伏能源仅占0.04%,太阳能利用技术发展空间十分广阔。 全球碳排放前10位国家和地区如下:中国碳排放占全球总碳排放的22.3%,美国占19.91%,欧盟占14.04%,印度占5.5%,俄罗斯占5.24%,日本占4.28%,德国占2.69%,加拿大占1.9%,英国占1.84%,韩国占1.72%。作为世界最大的发展中国家和最大的碳排放国,2014年我国一次能源消费量为29.72亿吨油当量,相当于德国的9.6倍、日本的6.5倍、英国的15.8倍,但可再生能源应用在我国能源消费结构中仅占10%。 我国需要调整能源供应结构,大力发展可再生能源供应技术,提高节能减排的国际话语权,太阳能、空气能等环境友好、经济实惠的可再生能源目前已显现出明显的应用优势。

我国建筑能耗约占全社会能耗的33%。在我国建筑能耗中,建筑能耗约为建筑能耗的15倍,而供暖制冷能耗又是能耗中最高的。特别是在北方寒冷地区,供暖能耗约占总能耗的35%。因此,采暖、生活热水等供热系统的节能是建筑节能减排的重要领域。空气源热泵作为电驱动的可再生能源供热技术,设备安装灵活,运行自动化程度高。但冬季空气源热泵制热性能波动较大,存在用户热负荷高时热泵制热性能低的矛盾。太阳能作为清洁可再生能源,每年辐射到地球表面的热量,相当于181.3Gt标准煤,相当于全球年能源需求量的8700倍。 但太阳能的能量通量密度较低,一般能接收的太阳辐射强度不超过1000W/m2,加之太阳能质量受时间、气候、地理位置等因素影响波动较大,必须解决太阳能储存或辅助热源问题,才能保证太阳能供热系统持续稳定运行。

太阳能热能与空气源热泵各有优缺点,二者的互补是供热技术的发展方向之一。国家发改委等部委联合下发的《关于印发‘十三五’国家节能行动计划的通知》,其中“空气源热泵”与“太阳能热水器”首次并列出现kaiyun官方网app下载app,并提出“有条件地区新建建筑要按照有关技术规范预留安装位置”,并明确要求“在夏热冬冷地区积极推广空气源热泵”。 国家发改委、能源局正式印发《能源发展“十三五”规划》和《可再生能源发展“十三五”规划》,明确提出“能源消费总量年均增速比‘十二五’低1.1个百分点,单位UDP能耗下降15%以上,太阳能集热器由‘十二五’末的4亿平方米增加到8亿平方米”。国家可再生能源中心印发的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》明确指出“到2020年,非化石能源占一次能源消费比重达到1500%”。 天津、河北、辽宁、河南、山东、山西、江苏、浙江、福建等地区也出台了具体的“煤改清洁能源”政策,大力支持空气源热泵供暖技术的发展。因此,有必要对太阳能热空气源热泵供暖技术的主要研究进展进行总结,进而提炼出国内外研究现状,为“十三五”期间相关研究路线提供参考[1-2]。

热泵系统研究现状综述

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太阳能光伏及光热系统研究现状

太阳能光伏热系统(PV/T)是将太阳能热转换与光伏发电相结合的集成系统。该系统使用光伏组件作为集热器的一部分,并通过集热器背面管道中流动的工作流体利用光伏组件中的热量,例如为建筑物供暖和供应生活热水。PV/T系统可以根据光伏组件和集热器组成许多不同的类型,例如平板集热器和聚光集热器。光伏组件可以由单晶硅、多晶硅、薄膜半导体等制成,工作流体可以是水、空气、氟利昂等[3]。

PV/T 系统的研究可以追溯到 20 世纪 70 年代,Kern 和 Russell 基于空气和水作为流动介质的实验结果,提出了 PV/T 系统的一些主要概念;Hendriea 利用常规太阳能集热技术提出了 PV/T 系统的理论模型;Florschuetz 扩展了 Hottel-Whillie 模型的应用范围来分析 PV/T 系统[1]。

Raghuraman提出的数值方法可用于预测空气光伏热平板集热器的性能。Cox和Raghuraman研究了典型的空气光伏复合系统,并采用新型典型硅电池进行计算机模拟以降低系统成本;而Loferslti等人将独立的空间分析与测量结果进行了对比,给出了在住宅内放置空气循环的复合系统的分析结果。Bhargava和Prikash均研究了单通道PVrI'系统中空气质量流量、气流管道长度/深度/吸收器太阳能电池比例等因素,并进行了相关实验研究[1]。

另一方面,PV/T系统与太阳能辅助热泵技术的结合,使高温生活用水和优异的光伏制冷性能成为可能。液态制冷剂在平板集热器背面的管道内蒸发,使PV/T集热器和蒸发器合二为一。通过朗肯循环,太阳能在区域环境温度下被PV/T蒸发器吸收,随后在较高温度下释放到水冷冷凝器上,降低面板温度,从而提高光伏电池的光伏效率。由于新系统的蒸发温度比传统空气源热泵更高,因此系统的性能系数也得到了提高。

近年来,PV/T系统研究不断取得新进展,Bazilian等人在其工作中展示了PV/T技术的应用和发展方向;Huang等人研究了采用普通多晶硅太阳电池组件的综合PV/T及太阳能水集热器系统,并运用一次能源节约效率的概念计算,对比分析了该系统与传统太阳能水集热器的整体性能;Zondag等人采用一系列稳态和动态仿真模型,对PV/T水集热器系统的性能进行了分析[1]。

空气源热泵系统研究现状

我国空气源热泵的生产和应用始于20世纪60年代,但由于当时能源价格的特殊性以及其他一些因素的影响,我国空气源热泵的应用在20世纪80年代以前发展缓慢,经历了一个漫长的初始发展阶段。随着我国城镇化进程的不断加快和人民生活水平的不断提高,空气源热泵获得了快速的发展。空气源热泵是一种利用空气作为低温热源,通过输入少量电能将低位能转化为高位能的高效节能技术,具有安装方便、能源利用率高等优点。但它的应用受到气候条件的制约,室内采暖热负荷会随着室外温度的降低而不断增加,同时会造成空气源热泵制冷剂的进风量增加,机组的进风量会迅速下降,最终导致热泵系统的制热量降低。 此外,由于压缩机压缩比的不断提高,压缩机排气温度迅速上升,导致压缩机自动保护停机,防止过热,限制了空气源热泵在过低的环境温度下运行。同时,压缩机压力比的提高导致系统的性能系数COP急剧下降。针对空气源热泵的这些弊端,国内外许多研究人员对如何提高空气源热泵的制热性能进行了广泛的研究[4]。

Nobukatsu Arai设计了一种带有闪蒸发生器的涡旋压缩机空气喷射系统来改善热泵系统的制热性能,比原系统提高了制热量约15%。Bertsch等人对双级压缩空气源热泵系统进行了性能研究,当室外环境温度低至-30℃时,热水温度仍可达50℃,系统制热COP为2.1[1]。

清华大学将变频技术与双极压缩有机结合,提出了一种适用于寒冷地区的双级压缩变频空气源热泵系统,并提出了基于效率优先和制热优先的双重控制方式,通过根据需要采用变频等措施,提高寒冷地区热泵系统的制热量和性能系数。通过仿真和实验研究表明,在冷凝温度50℃、蒸发温度-25℃条件下,系统制热性能系数大于2,压缩机排气温度低于120℃,制热量可以满足用户的需求。哈尔滨工业大学提出了一种双级耦合热泵空调系统,并对系统的理论基础和系统创新进行了研究与实践。其研究结果表明,混合双级耦合热泵空调系统是一种在低温环境下可靠运行、节能环保的新型系统。

太阳能热泵系统研究现状

综上所述,针对目前太阳能利用现状及空气能热泵的工作特点,将光伏/光热一体化热泵与热泵有机结合,可实现高效的热电联产。一方面,PV/T系统提供电能,为光伏系统补充热能;另一方面,PV/T光伏组件产生的热量被系统内循环水带走,降低了光伏电池的工作温度,增加了发电量[1]。目前,PV/T光伏热一体化的研究重点之一是太阳能光伏集热器的结构设计与优化,国内外许多学者对此进行了研究,例如伊藤[5]等人设计了吹制铝板结构,也对平板集热器结构和低聚光PV/T热泵进行了理论与实验研究。 以上研究主要对集热器性能进行热学研究,未给出系统内部运行参数对光伏、光热特性的影响。季杰[6]等人提出了一种全铝扁箱PV/T热水系统,指出当系统终水温不高时,通过降低系统初始水温可以提高系统的发电效率和热效率,但集热器无法承受过大的压力。孔祥强等对裸板集热器热性能进行模拟,指出集热管内径对集热效率影响不大,但未提供实验数据支持这一观点[7]。

直接膨胀加热系统新闻

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直膨式太阳能热泵供热系统的核心设计是将空气源热泵的风冷蒸发器换成太阳能集热器,以吸收太阳辐射热作为主要低位热源,吸收自然对流空气能作为辅助低位热源,满足用户热负荷要求。由于太阳辐射热的热品质比空气能高,空气源热泵的供热性能可进一步提高。供热系统设计的多样性体现在冷凝侧,根据冷凝器的设计不同,主要有三种系统结构。

图1 浸没式冷凝器加热系统

右图1所示的浸没式冷凝器,与水箱中的冷水直接接触进行热交换,热交换效率高,加热效果好。但是由于冷凝器长时间与全部热水直接接触,冷凝器的铜管极易与水中的钙、镁及氯离子发生化学反应。可预先对水箱中的水进行软化处理,以除去大部分的钙、镁离子,避免冷凝器表面结垢,保护冷凝器的铜管不因结垢阻力大而烧穿铜管,影响有效传热。但是水中的氯离子易腐蚀铜、钢等金属表面,因此需要预先对浸没式冷凝器进行防腐处理,水箱内胆采用搪瓷材料,避免冷凝器漏水,造成制冷剂污染水质,水箱漏水。 图中与太阳能集热器并联的蒸发器可以作为夏季室内空气调节的有效选择,提高直膨式太阳能热泵的制冷功能;也可以将太阳能集热器与室内蒸发器串联,在保证压缩机进口制冷剂不会过热的前提下,更加节省电力。

图2 外绕式冷凝器加热系统

右图2所示的外绕式冷凝器水箱,是由冷凝盘管盘绕在金属水箱表面开运 com,在冷凝器外侧敷设保温层和水箱壳体。该型水箱有效克服了浸入式冷凝器水箱的缺点,实现了制冷剂与水体的分离,保证了水体加热后的水质不受污染,使冷凝器有效顺利地进行热量传递。但由于冷凝器与被加热水体之间存在金属隔板,且选择性地增加了搪瓷内衬以保护水箱内壁不受腐蚀,导致冷凝器的热交换效率降低;通过在水箱表面增加盘绕式冷凝器盘管,增大热交换面积,可以缓解冷凝器热交换效率降低的问题。

图3 热虹吸冷凝器加热系统

右图3所示的热虹吸冷凝器,是在换热套管内以热虹吸作为推动力,实现冷凝器与水箱的热交换。套管下部的水受热后,因密度差而上浮至水箱中,水箱下部的密度大的水被泵入换热套管内反复加热。在直膨式供热系统其他部件相同的条件下,热虹吸冷凝器的结构安全性和供热性能介于浸没式冷凝器和外绕式冷凝器之间。浸没式冷凝器供热性能较好,但结构安全性较差;外绕式冷凝器的结构安全性较好,但供热性能较差。冷凝侧水箱既可用于供给生活热水,也可作为供热的缓冲水箱,避免热泵机组频繁启停噪音和电压冲击。 鉴于供暖与生活热水对水温和水质的要求不同,满足双联产功能的水箱研究还稍显不足,在一定程度上限制了它的推广应用;另外水箱的安装需要额外的室内空间,不利于其在小户型中的推广应用。

对于太阳能集热器的多样化改进,有学者研制出翅片管平板和蜂窝状太阳能集热器,与常规平行管阵列太阳能集热器相比,直膨式太阳能热泵制热性能系数分别提高了14.6%和20.5%。有学者还将太阳能光伏光热组件耦合成一体化集热器。太阳能光伏光热组件向阳面为太阳能光伏侧,吸收大量太阳能用于集热和供电;背阳面为太阳能热侧,利用太阳能光伏的余热进行直膨式太阳能热泵加热循环或加热自来水。与常规空气源热泵相比,太阳能光伏光热直膨式热泵制热性能系数可提高9%以上。 由于太阳能热组件的冷却作用可以提高光伏组件的性能,使系统在热电联产模式下的光伏效率比太阳能光伏板单一光伏模式可提高25%以上。

对于太阳辐射强度弱、温度较低的工况,可设置双级压缩机系统,除能满足40^55℃生活热水需求外,更利于以更高的性能产出65-80℃高温热水。但其初投资过大,通过节省运行费用收回初投资的周期过长,影响其推广应用。也可通过在热水通道中设置辅助电加热或燃气炉,达到获得更大温度范围热水的目的。当太阳辐射强度在100W/m2以上,室外干球温度在-3℃以上时,即使室外相对湿度达到70%}33},太阳能集热器也不会结霜。在直接膨胀式供热系统中,50%以上的制冷剂在冷凝器中循环,20%-30%的制冷剂在太阳能集热器中循环。 改进的BIN方法与TRNSYS软件也已应用于直膨式太阳能热泵制热性能评估与预测,经过反复仿真与试验论证,直膨式太阳能热泵制热性能系数较传统空气源热泵可提高25%以上,相当于电热水器的3倍以上、冷凝式燃气炉的1.3倍以上。

直膨式太阳能热泵供热系统虽然在纵向研发多样性方面取得了长足进步,但缺少类似结构系统供热性能的横向对比和适用性分析如上图三。直膨式太阳能热泵供热系统的低位热源稳定性虽然高于太阳能供热系统,但低于以吸收强制对流空气能为主要低位热源的空气源热泵。在太阳辐射强度较低时段的供热性能需要大幅度提升才能达到全天稳定的供热性能,因此需要提高空气能利用率;对太阳能集热器结构的优化和占用安装空间较大的分体结构供热系统的耦合集成研究也稍显不足。这些都是直膨式太阳能热泵供热系统今后的研究重点[2][8]。

水箱热交换加热系统报告

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水箱热交换太阳能联合空气源热泵供暖系统是较早开发应用的结构形式,根据太阳能收集机组与空气源热泵机组是否嵌套,主要分为如下图所示的两种系统结构。

图4 非嵌套水箱热交换供暖系统

右图4所示的非嵌套式水箱热交换供暖系统的太阳能集热机组与空气源热泵机组为两个独立的部分,相互之间无热交换,两机组对储水箱中的冷水进行加热,以满足供暖或生活热水的需要。太阳能集热机组主要用于维持储水箱的热水供应,当太阳能集热机组不能满足热负荷需求时,空气源热泵机组将投入供暖。本系统中空气源热泵机组的供暖性能系数水平与常规空气源热泵相同,并未因加入太阳能而有所提高。夏季,空气源热泵机组可加装室内蒸发器,在提供生活热水的同时,还可用于空调制冷。与常规热水、空调系统相比,本系统年平均节能率可达25%-50%。

图5 嵌套水箱热交换加热系统

右侧图5所示的嵌套式水箱热交换供暖系统的太阳能集热器机组与空气源热泵机组通过储水箱的连接,形成相互嵌套的系统结构,太阳能集热器机组的制热量可通过储水箱的热交换提高空气源热泵的制热效率,储水箱还可供应生活热水。夏季,图中空气源热泵机组的蒸发器与冷凝器可互换,配置风冷冷凝器,在提供生活热水的同时,为用户提供空调制冷。供暖端可采用制冷剂直接加热的地板辐射供暖,避免制冷剂与水地暖的热交换和水地暖循环泵的能耗,提高系统的供暖性能;空调制冷的室内端可采用风机盘管,提高空调舒适度。 当太阳辐射强度由0W/m2增加到800W/m2时,系统供热性能系数由2.35增加到2.57,与常规热水、空调系统相比,本系统年平均节能率可达50%以上。与上图系统存在同样的问题云开·全站APPkaiyun官网,水箱热交换太阳能联合空气源热泵供热系统占地面积大,涉及多台水泵的振动、噪声问题,因此对系统设备的布置安装提出了防止共振、隔声降噪的要求,保证用户的舒适环境。

基于以上两图所示的系统结构,通过增加冷热联产和冷热蓄热模块,可以衍生出5种不同的水箱热交换供暖系统结构。与同类型空气源热泵相比,这5种不同结构的供暖系统年耗电量平均可节省30%左右。不同的制冷剂相继被应用于水箱热交换供暖系统,将非共沸混合物R32/R290应用于非嵌套水箱热交换供暖系统时,与采用R32/R290的常规空气源热泵相比,非嵌套水箱热交换系统的供暖性能系数可提高4.23%-9.85%。将R22、R134a、R744、CO2应用于嵌套水箱热交换供暖系统。 当室外干球温度低于13℃时,嵌套水箱热交换系统的制热性能系数从高到低为R744、R134a、R22、C02;当室外干球温度高于13℃时,系统制热性能系数从高到低为R134a、R744、R22、C02。虽然CO2系统工作压力较高,制热性能系数较低,但在低温工况下其制冷剂流量水平更稳定,因此制热稳定性更好[2]。

相变蓄热供暖系统报告

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储能技术是改善太阳能质量不稳定、与热负荷峰谷时间曲线不匹配等问题的有效技术手段。与水等单相储热相比,相变储热具有更可观的相变潜热交换能力,对系统性能的调节作用更为显著。现今,相变储热太阳能空气源热泵供热系统的研究主要集中在三个方面,即直膨式太阳能热泵供热系统的改进、三管储能换热器的开发、相变储热水箱的应用。

直膨式太阳能热泵供热系统的改进主要是在太阳能集热器排气口与压缩机进风口之间设置太阳能相变储热装置。当天气晴朗时,制冷剂吸收的太阳能被相变储热装置有效储存,一方面可以储存低位热源供夜间低温工况供热运行,保证空气源热泵夜间高效供热;另一方面可以有效控制压缩机进风口制冷剂的温度范围,避免严重过热和压力超载,保证压缩机安全运行。相变储热直膨式太阳能热泵压缩机进风温度可稳定在30℃左右,系统供热性能系数可维持在4.3左右。

图6三管储能换热机组结构示意图

三管储能换热器的研发是相变储热技术应用的一个新方向,如图6所示。

新的热交换器是基于空气源热泵的鳍管蒸发器。 ES加热到三管储能热交中的热储物套管,然后将慢速储存材料的慢速释放能量吸收为低水平的热量源以有效地完成加热周期,以便在下面的供热系统下进行效果。 Al空气源热泵。 当三管储能热交换器用于直接膨胀加热系统中时,它充当空气源热泵冷凝器,而制冷剂将热能释放到相变热量存储材料中,然后通过延迟热量来释放热量,以加热最大的水路,并在供应系统中均可进行供热系统的空间。 75在同时进行热量存储和释放模式下,可以看到3.31-3.45可以看到系统加热性能系数可以在同时保持热量存储和释放模式下更稳定。

Phase change water storage tank, that is, the packaged phase change heat storage material is placed in the water storage tank, and the delayed heat release characteristics of the phase change heat storage material are combined with the large specific heat capacity and stable water temperature characteristics of the water storage tank. According to the meteorological conditions in Harbin, when the design heat load is 10 kW, the area of ​​the solar collector required by the system is 60 m2, and the optimal mass fraction of the phase change material in the phase change water storage tank is 70%. The reduction in the package size of the phase change material helps to increase the amount of solar energy collected, and this effect is more significant at the beginning and end of heating. According to the meteorological conditions in Xi'an, the performance coefficient of solar phase change water storage tank air source heat pump heating is 3.45-5. 56. According to the meteorological conditions in Urumqi, the average performance coefficient of solar phase change water storage tank air source heat pump heating air conditioning throughout the year is 3.34 [2].

结论

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1)太阳热空气源热泵加热技术在系统结构的研究和开发中取得了长足的进步,例如直接扩展,水箱热交换和相变热存储,以应对不同的安装环境和负载要求,并实现有效的节能和减少排放,可以将几种系统结合在整个或没有严格的技术边界。

2)与传统的空气源热泵相比,直接扩展的太阳泵的加热性能可以增加25%以上,这相当于电水加热器的3倍以上,而凝结气炉的供热系统均超过了供热​​量,但要播放的速度较高,该供应系统的范围更高对类似结构系统的加热性能的比较和分析,太阳能收集器结构的优化以及占用大量安装空间的拆分结构加热系统的耦合,鉴于水温度和水温的范围略有限制,供水略有限制。它的促销和应用。

3)与传统的热水和空调系统相比,水箱热交换系统的平均节能速度可以达到25%以上,占据了大面积,涉及多个水泵的振动和噪音问题,因此,系统设备的安装可预防恢复和降低用户的舒适环境。

4)相变热存储系统的加热性能系数通常可以达到3.31,尽管各种新的相位储存材料在热能缓慢释放时间,热释放温度范围等方面具有各种优越的特性。

5)至于该国在13日的五年计划期间加速城市化的新常规,太阳能热空源热泵加热技术的研究途径需要更倾向于适用于适用于城市地区高层建筑物使用者的应用,即,以整合庞大而分散的系统结构,以适应垂直和狭窄的外在安装用户的高度构建高层群体的垂直和狭窄的环境。

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