1、太陽能綜合利用教學、實訓裝置的研發VI太陽能-空氣雙源熱泵熱水系統2021年第1期深圳職業技術學院JournalofShenzhenPolytechnicNo.1,2021太陽能綜合利用教學,實訓裝置的研發(VI)太陽能一空氣雙源熱泵熱水系統侯志堅,范維浩,文勵洪,廖申雪(深圳職業技術學院機電工程學院,廣東深圳518055)摘要:作者研究發的太陽能一空氣雙源熱泵熱水系統,將太陽能熱泵與水蓄熱結合,根據用戶的需要和室外氣象條件的變化,具有單獨太陽能制熱水,單獨空氣源制熱水,制熱水兼制冷,單獨制冷,供暖等多種功能,可以節約能源,減少環境污染,是綠色建筑值得推廣的一項技術.該系統運行穩定,能效比高,

2、不但可以作為一項新技術在實際工程上推廣,而且能夠進行科研實驗,又可供學生進行系統的測試,調試,作為教學儀器使用.關鍵詞:太陽能;熱泵;熱水;多功能中圖分類號:TK01文獻標識碼:A文章編號:16720318(2021)01001704太陽能作為一種可持續利用的清潔能源,被認為是21世紀以后人類可期待的,最有希望的能源,得到了國際社會的普遍重視.各類建筑是利用太陽能等可再生能源的良好載體,結合建筑充分利用太陽能等可再生能源是實現建筑能源結構可持續開展的重要內容.其中,太陽能熱水系統用于提供生活熱水,可大大節省燃料費用,是目前結合建筑低本錢,規模化利用太陽能的主要技術手段之一.我國現階段,太陽能熱

3、水器在太陽能熱利用中居主導地位,并以民用為主.太陽能雖然到達地球外表的太陽輻射的總量很大,但太陽能的能流密度很低,要得到一定量的太陽輻射,需要的集熱器的面積較大,設備的本錢較高,并且受季節和天氣影響較大,導致各種形式的太陽能直接熱利用系統在應用上都受到一定的限制.隨著生活水平的提高,熱用戶對于供熱的要求也越來越高,太陽能利用的一些局限性日益顯現出來.為使太陽能成為一種連續穩定的自然能源,不受晝夜,季節,緯度,海拔等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機因素的影響,必須解決太陽能的儲存及輔助熱源的問題,要把晴天太陽輻射能收集并儲存起來,供夜間及陰雨天使用.空氣源熱泵是以空氣為熱源,通過輸入少量高品位能源

4、(電能)來實現低品位熱能向高品位熱能轉移的一種熱泵空調系統.另外,在我國華中,華南的大局部地區,冬季溫暖濕潤,家用空調大多數只用才夏季用來制冷,冬季很少使用空調取暖,其他季節空調大多閑置不用.與此同時,人們的生活熱水卻要使用電熱水器,燃氣熱水器等來制取,文獻1說明了該系統的一些不合理之處.如果把家用空調器和熱水器的熱泵系統結合,只使用一套熱泵系統的主要部件,就可使初投資大大降低,且增加了空調的多功能性,更為可取的是,在空調制冷工況下,可以與熱水器協調運行,利用空調冷凝熱制取熱水,一方面提高空調的制冷系數,另一方面可制取大量免費熱水,還可以減少空調對周圍環境的熱污染.在春秋季利用原本閑置的空調系

5、統制取熱水,提高了設備的利用率.這種系統就是多功能熱泵系統.我國在20世紀50年代開始對熱泵進行研究,但進展緩慢,而對太陽能熱利用研究根本處于初級階段,20世紀90年代才有進入相關的研究階段.太陽能熱泵觀點雖很早就被提出過,在我國也有應收稿日期:2021-1022工程來源:深圳職業技術學院科研基金重點資助工程(06KJX017)作者簡介:侯志堅(1975),男,湖南人,工學博士,講師,主要從事空調系統節能與優化控制方面的研究.l8深圳職業技術學院第8卷用的案例,但整體來說還是一個新興的系統,需對整個系統設備的選擇進行優化,對系統運行進行大量的實驗研究,從而得出良好的運行參數,并對系統的經濟性進

6、行正確的評價,使太陽能熱泵系統能夠盡快的投入生產使用L2J.為了更好的推廣相應的技術,深圳職業技術學院在已有研究的根底之上,開發出既能夠進行科研實驗,又可供學生進行系統的測試,調試,并可使學生對太陽能一空氣雙源熱泵系統的構成監控管理過程,以及各子系統的功能原理能全面認知的平臺.1太陽能一空氣雙源熱泵及熱水系統在實際工程中,太陽能能集熱器安裝在屋頂,空調室外機安裝在屋頂或懸掛在外墻上.而實際2自來教學中,學生要求能夠了解設備的內部結構,并采集設備運行的眾多參數進行分析,因此為了更好的滿足教學要求,所開發的太陽能一空氣雙源熱泵熱水系統所有的設備都安裝在室內,以便學生能夠更好的掌握太陽能一空氣雙源熱

7、泵熱水系統的原理和功能.太陽能一空氣雙源熱泵及熱水系統的示意圖如圖1所示.1.1太陽能集熱系統太陽能集熱系統,由太陽能全集熱器,太陽能熱水箱,微電腦測控儀,模擬光源,排氣閥,溫控探頭組成.考慮到學生實訓時間的限制,太陽能熱水箱容積要盡量比擬小,以便使學生能直觀的感受水溫的變化,太陽能集熱器實物如圖2所示,采用全玻璃真空管.由于整個系統安裝在室內,所采用模擬光源由6個燈組成,每個燈的功率為1kW,如圖3所示.l一太陽能熱水箱;2一排氣閥:3一液位計:4一溫控探頭;5l#溫度變送器;62#溫度變送器:7一放水閥;8循環水泵流量計:1電磁閥;I1一上水閥;12水閥;l3冷凝水排水閥;l4_室外機;1

8、5一空調風柜;圖1太陽能一空氣雙源熱泵熱水系統示意圖圖2太陽能集熱實物圖圖3太陽能模擬光源第1期侯志堅,等:太陽能綜合利用教學,實訓裝置的研發(VI)19太陽能集熱系統的控制應用單片機技術開發而成,采用模糊控制理論,實現全智能上水,水溫水位數碼彩屏顯示,還可以調節水箱的水位,其實物如圖4所示.圖4太陽集熱系統控制器1.2熱泵系統熱泵系統由熱泵室外機,空調風柜,循環水泵,流量計,溫度傳變送器以及各種閥門組成.空調風柜與室外機通過銅管連接.另外,為了測量整個系統能效比,設置了功率傳感器,以便學生掌握熱泵不同工況下的參數變化規律以及其優化措施.考慮到學生可能分組進行實訓練,設置了排水閥門,并可以通過

9、放水閥把熱水排至水盆中,一方面可以加深學生的認識,另一方面可以到達熱水利用,節約用水的目的.其室外機如圖5所示.圖5熱泵室外機2系統的主要功能太陽能一空氣雙熱源式熱泵及熱水系統總體實現冬季供暖,常年提供生活熱水.熱泵裝置優先用于提供熱水.根據氣候條件的變化可以實現多種功能.2.1熱水模式1)多彩屏顯示水箱溫度.2)遙控器或柜機控制面板模式按鍵轉換到自動運行模式時將此功能改為熱水器模式,遙控器或控制面板溫度調節3O一55.3)運轉模式確認后,水溫未到達設定值時,壓縮機,外風機,水泵通電.室內機,風機停止轉動.當水溫到達設定值時,壓縮機,外風機,水泵斷電.水溫下降4C時,系統恢復運行.2.2熱水冷

10、氣模式1)多彩屏顯示水箱溫度.2)遙控器或柜機控制面板模式按鍵轉換到冷氣模式時將此功能改為熱水冷氣模式,遙控器或控制面板溫度調節18-30C.壓縮機開啟的條件為室溫大于設置溫度1;關閉條件為室溫小于設置溫度1.3)運轉模式確認后,如水溫未到達設定值時,壓縮機,水泵,室內機,風機通電.外風機,停止斷電.當水溫到達設定值時,壓縮機,外風機,水泵,室內機,風機通電.2.3冷氣模式1)多彩屏顯示水箱溫度.2)遙控器或柜機控制面板模式按鍵轉換到冷氣模式時將此功能改為冷氣模式,遙控器或控制面板溫度調節1830C.壓縮機開啟的條件為室溫大于設置溫度1;關閉條件為室溫小于設置溫度1.3)運轉模式確認后,滿足如

11、下條件:水溫要大于35,水溫高于設定值時,壓縮機,外風機,室內機,風機通電,水泵斷電.2.4制熱模式1)在制熱模式下,設置溫度范圍為1830和連續.2)在制熱時,壓縮機啟動后,5分鐘內不能關閉.只有修改設置溫度,改變運行模式和關機指令時才能使壓縮機關閉.3)根據設置溫度值,壓縮機的開機溫度為小于或等于設置溫度,停機溫度為大于或等于設置溫度+2C.當設置連續時,壓縮機強制啟動且連續工作.20深圳職業技術學院第8卷2.5系統主要訓練內容和特點本系統主要實訓內容包括:熱泵設備的性能測試;太陽能熱水系統測試;太陽能一空氣雙源熱泵控制模式切換;不同太陽輻射強度下,單獨太陽能供暖,供熱水性能測試;不同氣候

12、條件下,單獨空氣源熱泵供暖,供熱水性能測試;不同太陽輻射強度下,不同氣候條件下,太陽能一空氣雙源熱泵供暖,供熱水性能測試;空調制冷量測試;抽真空,制冷劑沖注,等.該實訓裝置的主要特點有:環保,真正表達綠色建筑的能源高效利用;外形美觀實用;操作方便;集演示,實訓于一體,可完成學生認知,調試,檢修等多項技能實訓練;可同時實現供暖和供熱水,充分利用可再生能源等.該太陽能一空氣雙源熱泵熱水系統可以實現多種運行模式,節約能源,是綠色建筑非常值得推廣的一項技術.可滿足實際工程示范,教學和科研的需求.參考文獻:1陽季春.間接膨脹式太陽能多功能熱泵系統的研究D.中國科學技術大學,2007.2楊家興.太陽能熱泵

13、熱水系統優化設計與經濟性分析D.南昌大學,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