205太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵熱水系統(tǒng)的比較分析

1、太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵熱水系統(tǒng)的比較分析中國建筑科學(xué)研究院 黃濤 袁東立南京朗詩置業(yè)股份有限公司 程洪濤摘要：本文以南京地區(qū)某11層樓為研究對象，設(shè)計(jì)了太陽能熱水系統(tǒng)，利用氣象數(shù)據(jù)庫的氣象資料模擬計(jì)算了該系統(tǒng)的全年太陽能保證率，并分別從節(jié)能性和運(yùn)行費(fèi)用上與熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了比較和分析。關(guān)鍵詞：太陽能保證率 熱泵 經(jīng)濟(jì)性 熱水系統(tǒng)1 前言太陽能的優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保、可免費(fèi)使用；但其缺點(diǎn)恰恰是每天的太陽輻射具有不確定性。另外，隨著季節(jié)變化，太陽輻射量也有較大的變化。因此，僅靠太陽能來滿足全天24小時(shí)供應(yīng)熱水是不現(xiàn)實(shí)的。通常的做法是采用太陽能與其它輔助能源聯(lián)合供應(yīng)熱水的方法，優(yōu)先利用太陽能產(chǎn)生的熱水，當(dāng)太陽

2、不足時(shí)，再利用輔助能源補(bǔ)充。熱泵熱水系統(tǒng)是熱泵技術(shù)在生產(chǎn)熱水方面的一個(gè)應(yīng)用，它的供熱方式與傳統(tǒng)的熱水系統(tǒng)截然不同，是以空氣、水、土壤等為低溫?zé)嵩?，以電能為?dòng)力從低溫?zé)嵩次崃縼砑訜嵘钣盟?，熱水通過循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶。熱泵熱水系統(tǒng)是一種高效的供能技術(shù)，避免了傳統(tǒng)燃油、燃?xì)夂碗姛崴髂芎拇?、污染?yán)重、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。那么對于太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵熱水系統(tǒng)，到底哪個(gè)更經(jīng)濟(jì)，更節(jié)能？下文將做進(jìn)一步分析。本文以11層樓某單元為計(jì)算對象，用戶數(shù)量為22戶，每戶按3.2人計(jì)算，用水定額按50L/capd計(jì)算，最高日用水量為22*3.2*50=3.5噸。2 太陽能熱水系統(tǒng)的性能模擬設(shè)計(jì)了一套太陽能熱水系統(tǒng)，

3、系統(tǒng)采用真空管集熱器，并以南京地區(qū)的氣象條件為參數(shù)，模擬計(jì)算太陽能熱水系統(tǒng)全年的能量利用情況。2.1計(jì)算模型（1）集熱器效率計(jì)算模型 式中：遷移因子； 集熱器入口溫度，； 環(huán)境溫度，； 有效投射率-吸收率乘積； 太陽輻射量，W/m2。在本文模擬計(jì)算中采用國家太陽能熱水器質(zhì)檢中心提供的集熱器的瞬時(shí)效率： 氣象數(shù)據(jù)庫提供的太陽輻射量都是指水平面上接收的太陽輻射。實(shí)際使用中，為了保證集熱器全年最大量的接收到太陽輻射，一般集熱器都是傾斜安放的（0），因此要通過修正因子把水平面上的輻射量轉(zhuǎn)換到傾斜面上。傾斜面和水平面上接收到的太陽輻射量之比，稱為修正因子Rb。 當(dāng)?shù)氐乩砭暥缺砻鎯A角赤緯角時(shí)角（2）水箱溫

4、度的計(jì)算模型 用簡單的歐拉法把方程改寫成： 式中集熱器中的水容量kg。假設(shè)集熱器中的高溫水與蓄熱水箱中的水充分混合，則混合后水箱的溫度由下式計(jì)算：系統(tǒng)供出熱水過程中的水箱溫度計(jì)算模型為： 式中L隨時(shí)間變化的熱水負(fù)荷kW 水箱中的水容量kg2.2動(dòng)態(tài)模擬及分析表1是根據(jù)南京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)資料，整理的太陽輻射量的數(shù)據(jù)，從表1上可以得出：南京地區(qū)水平輻射量大于200W/m2的小時(shí)數(shù)為2148，200W/m2 以下輻射量較小對太陽能熱水系統(tǒng)來說意義不大。 表1太陽輻射量水平輻射量（W/m2）10008001000600800400600200400總計(jì)小時(shí)數(shù)（h）101463977038922148考慮

5、到用戶使用熱水的時(shí)間是不確定的，因此在程序模擬的過程中根據(jù)用戶的生活規(guī)律把全天的熱水用量按不同的時(shí)間段分配，具體分配方式如表2。表2 全天熱水用量分配時(shí)間6:0012:0013:0018:0019:0024:001:005:00比例20%10%70%經(jīng)過計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)的全年動(dòng)態(tài)仿真，計(jì)算得到全年365天太陽能保證率分布，由圖1可知，太陽能保證率大于90%（滿足當(dāng)天制取熱水所需能量的90%以上）和在4050之間的天數(shù)最多，大約為49天；太陽能保證率在20以下的天數(shù)最少，大約為29天；太陽能保證率在50以上的總共為208天。圖1全年365天太陽能保證率分布圖2全年各月的太陽能保證率圖2是全年各個(gè)月的

6、太陽能保證率的情況，由圖可知，一月、二月、十一月、十二月的保證率最低，在40以下，五月最高超過了80，其它各月一般在5580之間。全年的保證率為55。以上述計(jì)算為依據(jù)，熱水系統(tǒng)全年需要加熱熱水能量為73234.6kWh，其中太陽能提供40470.1kWh，需要輔助能量32764.5kWh。3 熱泵熱水系統(tǒng)性能分析熱泵是一種以消耗一定高品位能源為代價(jià)，而將能量從低溫物體傳遞到高溫物體的裝置。熱泵雖然消耗了一定的高位能，但它所供給的熱量卻是所消耗的高位能和吸取的低位能之和，故采用熱泵裝置可以大大節(jié)約高位能源。通常用供給的總熱量與消耗的熱量的比值（COP）來表示系統(tǒng)的性能。若按照其冷熱源的性質(zhì)來分，

7、熱泵熱水系統(tǒng)可分為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、水源熱泵熱水系統(tǒng)、土壤源熱泵熱水系統(tǒng)。從實(shí)際工程的應(yīng)用情況來看，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年的平均制熱COP在2.32.8之間；地源熱泵熱水系統(tǒng)全年的平均制熱COP在3.13.6之間，水源熱泵熱水系統(tǒng)全年的平均制熱COP在3.33.8之間。4 太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)比較圖3是熱泵熱水系統(tǒng)在不同制熱COP條件下消耗能量與太陽能熱水系統(tǒng)輔助能量的對比，直線3是本文設(shè)計(jì)的條件下，太陽能熱水系統(tǒng)所需的輔助能量，曲線6是不同COP下熱泵熱水系統(tǒng)所消耗的能量，二者相交于熱泵的制熱COP等于2.24，意味著，當(dāng)熱泵熱水系統(tǒng)的制熱COP大于2.24時(shí)，其消耗的能量要

8、少于太陽能熱水系統(tǒng)。圖3熱泵熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)的能量對比圖4熱泵熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用對比考慮到不同建筑的實(shí)際可安裝面積以及系統(tǒng)初投資的不同，所設(shè)計(jì)安裝的集熱器面積也會(huì)不盡相同，在上文確定的集熱器面積的基礎(chǔ)上分別增加和減少了10和15集熱器面積，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果見圖中直線1、2、4、5。由直線5、6可知，即使集熱器面積增加15，其所需的輔助能量也僅相當(dāng)于制熱COP為2.46的熱泵消耗的能量。鑒于目前地源熱泵和水源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱COP一般都可以達(dá)到3.0以上，部分空氣源熱泵制熱COP也能達(dá)到2.5以上，因此，從節(jié)能角度上看，熱泵熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要好于太陽能熱水系統(tǒng)。由于目前工程上的太陽能系統(tǒng)一般都是采用天然氣作為輔助，下面對天然氣輔助的太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較和分析，見圖4，由圖可知，天然氣輔助的太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用與制熱COP為3.7的熱泵熱水系統(tǒng)大體相當(dāng)，因此從運(yùn)行費(fèi)用角度上看天然氣輔助的太陽能熱水系統(tǒng)稍好一些。當(dāng)然，具體工程還得由當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格以及太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況綜合比較。對于采用峰谷電價(jià)的地區(qū)，可以考慮利用谷電蓄存一部分能量，這樣熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用會(huì)更有競爭力。5 結(jié)論以南京地區(qū)某11層樓為研究對象，設(shè)計(jì)了太陽能熱水系統(tǒng)，熱水系統(tǒng)的全年