太阳能综合利用教学、实训装置的研发（vi）——太阳能空气双源热泵热水系统

1、太阳能综合利用教学、实训装置的研发VI太阳能-空气双源热泵热水系统2021年第1期深圳职业技术学院JournalofShenzhenPolytechnicNo.1,2021太阳能综合利用教学,实训装置的研发(VI)太阳能一空气双源热泵热水系统侯志坚,范维浩,文励洪,廖申雪(深圳职业技术学院机电工程学院,广东深圳518055)摘要:作者研究发的太阳能一空气双源热泵热水系统,将太阳能热泵与水蓄热结合,根据用户的需要和室外气象条件的变化,具有单独太阳能制热水,单独空气源制热水,制热水兼制冷,单独制冷,供暖等多种功能,可以节约能源,减少环境污染,是绿色建筑值得推广的一项技术.该系统运行稳定,能效比高,

2、不但可以作为一项新技术在实际工程上推广,而且能够进行科研实验,又可供学生进行系统的测试,调试,作为教学仪器使用.关键词:太阳能;热泵;热水;多功能中图分类号:TK01文献标识码:A文章编号:16720318(2021)01001704太阳能作为一种可持续利用的清洁能源,被认为是21世纪以后人类可期待的,最有希望的能源,得到了国际社会的普遍重视.各类建筑是利用太阳能等可再生能源的良好载体,结合建筑充分利用太阳能等可再生能源是实现建筑能源结构可持续开展的重要内容.其中,太阳能热水系统用于提供生活热水,可大大节省燃料费用,是目前结合建筑低本钱,规模化利用太阳能的主要技术手段之一.我国现阶段,太阳能热

3、水器在太阳能热利用中居主导地位,并以民用为主.太阳能虽然到达地球外表的太阳辐射的总量很大,但太阳能的能流密度很低,要得到一定量的太阳辐射,需要的集热器的面积较大,设备的本钱较高,并且受季节和天气影响较大,导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制.随着生活水平的提高,热用户对于供热的要求也越来越高,太阳能利用的一些局限性日益显现出来.为使太阳能成为一种连续稳定的自然能源,不受昼夜,季节,纬度,海拔等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响,必须解决太阳能的储存及辅助热源的问题,要把晴天太阳辐射能收集并储存起来,供夜间及阴雨天使用.空气源热泵是以空气为热源,通过输入少量高品位能源

4、(电能)来实现低品位热能向高品位热能转移的一种热泵空调系统.另外,在我国华中,华南的大局部地区,冬季温暖湿润,家用空调大多数只用才夏季用来制冷,冬季很少使用空调取暖,其他季节空调大多闲置不用.与此同时,人们的生活热水却要使用电热水器,燃气热水器等来制取,文献1说明了该系统的一些不合理之处.如果把家用空调器和热水器的热泵系统结合,只使用一套热泵系统的主要部件,就可使初投资大大降低,且增加了空调的多功能性,更为可取的是,在空调制冷工况下,可以与热水器协调运行,利用空调冷凝热制取热水,一方面提高空调的制冷系数,另一方面可制取大量免费热水,还可以减少空调对周围环境的热污染.在春秋季利用原本闲置的空调系

5、统制取热水,提高了设备的利用率.这种系统就是多功能热泵系统.我国在20世纪50年代开始对热泵进行研究,但进展缓慢,而对太阳能热利用研究根本处于初级阶段,20世纪90年代才有进入相关的研究阶段.太阳能热泵观点虽很早就被提出过,在我国也有应收稿日期:2021-1022工程来源:深圳职业技术学院科研基金重点资助工程(06KJX017)作者简介:侯志坚(1975),男,湖南人,工学博士,讲师,主要从事空调系统节能与优化控制方面的研究.l8深圳职业技术学院第8卷用的案例,但整体来说还是一个新兴的系统,需对整个系统设备的选择进行优化,对系统运行进行大量的实验研究,从而得出良好的运行参数,并对系统的经济性进

6、行正确的评价,使太阳能热泵系统能够尽快的投入生产使用L2J.为了更好的推广相应的技术,深圳职业技术学院在已有研究的根底之上,开发出既能够进行科研实验,又可供学生进行系统的测试,调试,并可使学生对太阳能一空气双源热泵系统的构成监控管理过程,以及各子系统的功能原理能全面认知的平台.1太阳能一空气双源热泵及热水系统在实际工程中,太阳能能集热器安装在屋顶,空调室外机安装在屋顶或悬挂在外墙上.而实际2自来教学中,学生要求能够了解设备的内部结构,并采集设备运行的众多参数进行分析,因此为了更好的满足教学要求,所开发的太阳能一空气双源热泵热水系统所有的设备都安装在室内,以便学生能够更好的掌握太阳能一空气双源热

7、泵热水系统的原理和功能.太阳能一空气双源热泵及热水系统的示意图如图1所示.1.1太阳能集热系统太阳能集热系统,由太阳能全集热器,太阳能热水箱,微电脑测控仪,模拟光源,排气阀,温控探头组成.考虑到学生实训时间的限制,太阳能热水箱容积要尽量比拟小,以便使学生能直观的感受水温的变化,太阳能集热器实物如图2所示,采用全玻璃真空管.由于整个系统安装在室内,所采用模拟光源由6个灯组成,每个灯的功率为1kW,如图3所示.l一太阳能热水箱;2一排气阀:3一液位计:4一温控探头;5l#温度变送器;62#温度变送器:7一放水阀;8循环水泵流量计:1电磁阀;I1一上水阀;12水阀;l3冷凝水排水阀;l4_室外机;1

8、5一空调风柜;图1太阳能一空气双源热泵热水系统示意图图2太阳能集热实物图图3太阳能模拟光源第1期侯志坚,等:太阳能综合利用教学,实训装置的研发(VI)19太阳能集热系统的控制应用单片机技术开发而成,采用模糊控制理论,实现全智能上水,水温水位数码彩屏显示,还可以调节水箱的水位,其实物如图4所示.图4太阳集热系统控制器1.2热泵系统热泵系统由热泵室外机,空调风柜,循环水泵,流量计,温度传变送器以及各种阀门组成.空调风柜与室外机通过铜管连接.另外,为了测量整个系统能效比,设置了功率传感器,以便学生掌握热泵不同工况下的参数变化规律以及其优化措施.考虑到学生可能分组进行实训练,设置了排水阀门,并可以通过

9、放水阀把热水排至水盆中,一方面可以加深学生的认识,另一方面可以到达热水利用,节约用水的目的.其室外机如图5所示.图5热泵室外机2系统的主要功能太阳能一空气双热源式热泵及热水系统总体实现冬季供暖,常年提供生活热水.热泵装置优先用于提供热水.根据气候条件的变化可以实现多种功能.2.1热水模式1)多彩屏显示水箱温度.2)遥控器或柜机控制面板模式按键转换到自动运行模式时将此功能改为热水器模式,遥控器或控制面板温度调节3O一55.3)运转模式确认后,水温未到达设定值时,压缩机,外风机,水泵通电.室内机,风机停止转动.当水温到达设定值时,压缩机,外风机,水泵断电.水温下降4C时,系统恢复运行.2.2热水冷

10、气模式1)多彩屏显示水箱温度.2)遥控器或柜机控制面板模式按键转换到冷气模式时将此功能改为热水冷气模式,遥控器或控制面板温度调节18-30C.压缩机开启的条件为室温大于设置温度1;关闭条件为室温小于设置温度1.3)运转模式确认后,如水温未到达设定值时,压缩机,水泵,室内机,风机通电.外风机,停止断电.当水温到达设定值时,压缩机,外风机,水泵,室内机,风机通电.2.3冷气模式1)多彩屏显示水箱温度.2)遥控器或柜机控制面板模式按键转换到冷气模式时将此功能改为冷气模式,遥控器或控制面板温度调节1830C.压缩机开启的条件为室温大于设置温度1;关闭条件为室温小于设置温度1.3)运转模式确认后,满足如

11、下条件:水温要大于35,水温高于设定值时,压缩机,外风机,室内机,风机通电,水泵断电.2.4制热模式1)在制热模式下,设置温度范围为1830和连续.2)在制热时,压缩机启动后,5分钟内不能关闭.只有修改设置温度,改变运行模式和关机指令时才能使压缩机关闭.3)根据设置温度值,压缩机的开机温度为小于或等于设置温度,停机温度为大于或等于设置温度+2C.当设置连续时,压缩机强制启动且连续工作.20深圳职业技术学院第8卷2.5系统主要训练内容和特点本系统主要实训内容包括:热泵设备的性能测试;太阳能热水系统测试;太阳能一空气双源热泵控制模式切换;不同太阳辐射强度下,单独太阳能供暖,供热水性能测试;不同气候

12、条件下,单独空气源热泵供暖,供热水性能测试;不同太阳辐射强度下,不同气候条件下,太阳能一空气双源热泵供暖,供热水性能测试;空调制冷量测试;抽真空,制冷剂冲注,等.该实训装置的主要特点有:环保,真正表达绿色建筑的能源高效利用;外形美观实用;操作方便;集演示,实训于一体,可完成学生认知,调试,检修等多项技能实训练;可同时实现供暖和供热水,充分利用可再生能源等.该太阳能一空气双源热泵热水系统可以实现多种运行模式,节约能源,是绿色建筑非常值得推广的一项技术.可满足实际工程示范,教学和科研的需求.参考文献:1阳季春.间接膨胀式太阳能多功能热泵系统的研究D.中国科学技术大学,2007.2杨家兴.太阳能热泵

13、热水系统优化设计与经济性分析D.南昌大学,2007.DevelopmentofTeachingandTrainingDeviceforComprehensiveUtilizationofSolarEnergy(VI):TheHotWaterSystemwithHybridHeatPumpPoweredbySolarEnergyandAirHOUZhijian,FANWeihao,WENLihong,LIAOShenxue(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShenzhenPolytechnic,Shenzhen,Guangdong518055

14、,China)Abstract:Hotwatersystembasedonahybridheatpumppoweredbysolarenergyandair(HWSSEA)isdeveloped.HWSSEAisanintegrationofsolarheatpumpandwaterthermalstorage.AccordingtotheuserSneedsandweathervariation,thesystemischaracterizedbythreepatternsincludingsupplyinghotwaterwithsolarorairenergyrespectively,hotwaterandairconditioningsimultaneously,andheatingandcoolingseparately.HWSSEACansavehighqualityenergyandreduceenvironmentpollution,andholdsoutgreatapplicationprospectsingreenbuildings.Withitsstableandreliable