住宅混合动力热水系统的原理与应用

前言 　　目前全球经济发展面临资源制约和环境制约两大问题，由于矿物能源的不可再生性，以及近年矿物能源消费量的迅速增加，导致能源价格大幅度提高，同时，矿物能源的使用过程伴随着大量的二氧化碳以及其他污染物排放，对环境造成严重影响。因此，减少矿物能源消耗成为解决资源和环境两大制约的重要措施。 　　在住宅能源利用领域，太阳能热利用装置和热泵装置作为替代燃气以及其它使用矿物能源的热源装置的方案，近年逐步成为发展趋势，在欧洲、美洲以及日本等国家和地区，应用日益广泛。 　　广东万和新电气股份有限公司（以下简称“万和”）近年致力于住宅多热源热水系统的研究和开发，该项目命名为住宅混合动力热水系统，该系统的基本特征是集成太阳能热利用装置、热泵装置和燃气加热装置，提供卫生用热水和采暖热水，也可以根据用户的需要扩展空调制冷功能和热回收功能等，并可以集成住宅新风系统等装置。 　　混合动力热水系统可以提高供热系统能源利用效率，降低家庭碳排放水平；减少空气污染物排放，尤其是改善住宅区局部空气质量；缓解燃气供应紧张局面，促进燃气具行业可持续发展；减少能源费用。 　　1混合动力热水系统构建 　　在混合动力热水系统中，在满足使用要求的前提下降低家庭能源支出是系统设计的基本原则，因此，在运行过程中获得单位热量成本较低的热源装置将处于优先地位，系统配置将其作为基本热源装置优先利用该装置获得的热能，只有在基本热源装置无法满足使用要求的情况下，辅助热源装置才投入运行。几种常见热源装置的技术经济性如表1所示。 　　一般来说，购置费用较高的热源装置运行费用较低，例如，太阳能热水器运行费用几乎为零，而热泵系统的运行费用通常只有电热装置的1/3左右；运行费用较低的热源装置受环境影响较大，太阳能热水器的供热能力直接受日照条件影响，而空气源热泵的供热能力受环境温度影响较大；运行费用较高的热源装置性能较为稳定，燃气加热装置和电加热装置就属于这类产品。所以，在多热源集成产品中，燃气加热和电加热装置通常作为辅助热源，而太阳能和热泵装置通常就作为基本热源。 　　万和开发的基本型混合动力热水系统的典型配置是，由太阳能热利用装置、空气源热泵装置和燃气加热装置等三种热源装置集成为热源系统，通常需要配套一个蓄热水箱，这是在几种热源装置中作为热能储存和连接热能供需侧的中转装置。由于三种热源装置的基本功能是相同的，而有利的运行条件和时机各不相同，所以，存在系统优化运行的突出问题，消费者无法以人工方式实现系统优化运行，系统控制器对各种热源装置实施自主的优化运行管理对于系统运行经济性具有至关重要的作用。 　　混合动力热水系统的能源梯级利用技术，通过太阳能循环组件将太阳能热利用装置和热泵装置和燃气加热装置三种系统组合起来，通过系统控制器控制组合系统，可分别启动太阳能热利用装置、热泵装置或燃气加热单元，或将其中两种单元、三种单元同时启动，合理运用太阳能和环境热源和燃气能，实现节能、环保、健康、可持续供应热水，在各种居住环境下使用都能得到稳定的热水。 　　为了获得较好的技术经济性，用于卫生热水的三热源系统，太阳能集热器的容量通常按系统总负荷的1/4～1/2配置，空气源热泵的容量按系统总负荷的1/2～3/4配置，燃气加热装置的容量通常按系统总负荷的1/2～1配置。一般系统总负荷是全年最大负荷，而在实际运行条件下，全部运行时间中通常超过80%的时数小于2/3负荷，所以，燃气加热装置只是在热需求高峰期短时间运行，或其他热带源发生故障时作为后备热源运行。如果简化为双热源系统，推荐太阳能集热装置与燃气加热装置集成，或空气源热泵装置与燃气加热装置集成。 　　如果采用太阳能集热装置与空气源热泵装置集成的方案，为了使得空气源热泵在极限环境温度下仍然保证满足100%的热负荷需求，空气源热泵的造价需要较大幅度增加，因为在全年的运行时间，空气源热泵的可能有80%的时数小于2/3负荷，而为了获得其余1/3的制热能力，热泵造价的增加幅度通常大大超过原先造价的1/3。 　　而用于采暖和卫生热水的系统中，利用热泵获得采暖热水在过渡季节（环境温度≥-7℃）优势十分突出，不过需要注意，利用热泵采暖的最有利运行参数是低温地板供热或类似的辐射供热方式，因此，热泵装置的冷凝温度对热泵运行经济性关系密切。图2所示为热泵运行条件与性能系数（COP）的关系，COP定义为单位电力消耗的制热量，是最重要的运行经济性指标，显较高的COP值就意味热泵较省电。此外，具有夏季空调制冷功能的热泵在进行制冷运行时，利用热泵排出的余热加热卫生热水，从这个角度来看，在这时获得的热水是无需付出能源代价的。这种产品在上世纪80年代中期在日本批量进入市场之后，一直是热泵热水器类产品的主流，目前在日本市场的年销售量约50万台，市场占有率约50%。显然，燃气采暖锅炉的供热性能几乎不受气象条件的影响，而且出水温度可以高达80℃，但是，如果与空气源热泵集成运行，也应尽可能以低出水温度的运行状态运行。 　　太阳能集热器在这类系统的应用方式一般有两种，一是仅用于加热卫生热水，二是用于采暖。前一种应用方式用于冬冷夏凉地区，系统构建和运行管理比较简单，冬季太阳能集热装置供热量不够就用辅助热源补充加热；夏季就关闭其他热源装置，太阳能集热装置独立运行。后一种应用方式是利用白天的太阳对房间进行保温，因为燃气采暖炉在采暖季节所消耗的燃气中约1/3是用于白天房间无人时维持室内必要的温度，所以，合理的太阳能采暖装置可以显著减少用户的燃气消耗。而且，如果末端的采暖方式使用低温地板供热或类似的辐射供热，35℃的供热温度已经可以满足要求，在冬季获得这样水平的温度对太阳能集热器的要求不高。 　　2混合动力热水系统运行模式 　　在运行管理方面，合理的运行模式是混合动力热水系统开发的重要内容。以用于采暖和卫生热水的系统为例。在冬季采暖时，燃气采暖锅炉的工作时间长，一般分以下几种模式： 　　1.外出模式，即住宅内无人活动，仅需要保持最低的房间温度（10℃）； 　　2.室内模式，即用户一直在住宅内活动，此时房间温度需求较高（18℃）； 　　3.休息模式，即用户处于休息睡眠状态，房间温度保证在一个舒适的温度（15℃）。在外出模式下，因住宅内无人活动，为了减少燃气消耗，一些用户会采取停止燃气采暖锅炉运行的措施，此时整个供暖系统处于停止工作状态，供暖系统的水温较低，当人们回到住宅后有采暖需求时，开启燃气采暖锅炉进行采暖，因初始温度较低，要达到房间设置温度，所需的热量较大，而且加热时间长，从舒适方便性以及节能方面都不是个理想的结果。利用混合动力热水系统中的太阳能以及空气能热泵加热，在外出模式时，维持住宅基本的房间温度，当人们回到住宅内，再次启动燃气采暖锅炉将可以缩短加热时间，更快达到用户的采暖需求和节能的目的。 　　在采暖末端模式上，有地板辐射采暖、散热器采暖、风机盘管采暖。其中地板辐射采暖以及风机盘管采暖属于低温采暖，采暖供/回水温度较低。散热片采暖时，燃气采暖锅炉处于高负荷高效率运行状态，供回水温度一般是80℃和60℃。 　　根据用户房间采暖系统的设计，对于低温采暖，为了保证混合动力热水系统生活热水优先，回水管路不流经蓄热水箱。用户可以根据生活习惯通过系统控制器设定，自定义夜间（例如，00:00~06:00）低温采暖回水通过电子三通阀间歇性进入蓄热水箱，低温回水进入蓄热水箱后，水温升高，即初始温度升高，燃气采暖锅炉的能耗将降低。因为从00:00~06:00，用户对生活热水的需求几乎为零，水箱的温度可以通过热泵装置加热保持一个温度。若在水箱温度低的时候出现用户对热水的需求，生活热水的补充可以直接流经燃气采暖锅炉，加热后流向用户用水点。        对于高温散热片采暖，回水温度一直保持在一个较高的温度，水箱温度因时间的推移将有缓慢下降的趋势。系统控制器通过切换电子三通阀，采暖回水流进蓄热水箱，对水箱起加热保温作用，直到蓄热水箱温度与采暖回水温度一致，电子三通阀再次切换，回到采暖系统中。对于多种采暖末端系统并存的住宅，根据总回路的水温确定电子三通的动作时间以及方式，此类控制的变化，可以通过系统控制器的内部程序实现。 　　3结束语 　　混合动力热水系统运用能源梯级利用原理，通过太阳能热利用装置和热泵装置和燃气加热装置3种热源集成为热源系统，实现合理利用太阳能和环境热源和燃气能，实现节能、环保、健康、可持续供应热水。(责任编辑：郭娜娜) 　　参考资料 　　1.供暖及制冷系统中的空气和杂质，能源-21世纪的挑战.卡莱菲,专业技术信息期刊,2009 　　2.黄逊青，住宅集成能源系统概念与发展.2011年中国家用电器技术大会论文集 　　3.GB/T18430.2-2008,蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第2部分.户用及类似用途的冷水（热泵）机组 　　4.清洁能源供热系统，广东万和新电气股份有限公司企业标准