太阳能热水系统与热泵热水系统的比较分析-secret

太阳能热水系统与热泵热水系统的比较分析

中国建筑科学研究院黄涛袁东立

南京朗诗置业股份有限公司程洪涛

摘要：本文以南京地区某11层楼为研究对象，设计了太阳能热水系统，利用气象数据库的气象资料模拟计算了该系统的全年太阳能保证率，并分别从节能性和运行费用上与热泵热水系统进行了比较和分析。

关键词：太阳能保证率热泵经济性热水系统1 前言

太阳能的优点在于环保、可免费使用；但其缺点恰恰是每天的太阳辐射具有不确定性。另外，随着季节变化，太阳辐射量也有较大的变化。因此，仅靠太阳能来满足全天24小时供应热水是不现实的。通常的做法是采用太阳能与其它辅助能源联合供应热水的方法，优先利用太阳能产生的热水，当太阳不足时，再利用辅助能源补充。

热泵热水系统是热泵技术在生产热水方面的一个应用，它的供热方式与传统的热水系统截然不同，是

以空气、水、土壤等为低温热源，以电能为动力从低温热源吸取热量来加热生活用水，热水通过循环系统直接送入用户。热泵热水系统是一种高效的供能技术，避免了传统燃油、燃气和电热水器能耗大、污染严重、费用高等缺点。

那么对于太阳能热水系统和热泵热水系统，到底哪个更经济，更节能？下文将做进一步分析。本文以11层楼某单元为计算对象，用户数量为22户，每户按3.2人计算，用水定额按50L/cap ·d 计算，最高日用水量为22*3.2*50=3.5吨。 2 太阳能热水系统的性能模拟

设计了一套太阳能热水系统，系统采用真空管集热器，并以南京地区的气象条件为参数，模拟计算太阳能热水系统全年的能量利用情况。 2.1计算模型

（1）集热器效率计算模型

)(

)(T

a

i L R R i I T T U F F --=ταη

式中：R

F ——迁移因子；

Ti ——集热器入口温度，℃； Ta ——环境温度，℃；

τα——有效投射率-吸收率乘积； It ——太阳辐射量，W/m 2。

在本文模拟计算中采用国家太阳能热水器质检中心提供的集热器的瞬时效率：

)(97.26842.0T

a

i

i

I T

T --=η

气象数据库提供的太阳辐射量都是指水平面上接收的太阳辐射。实际使用中，为了保证集热器全年最大量的接收到太阳辐射，一般集热器都是倾斜安放的（β>0），因此要通过修正因子把水平面上的辐射量转换到倾斜面上。

倾斜面和水平面上接收到的太阳辐射量之比，称为修正因子R b 。

δ

ϕωδϕδ

βϕωδβϕsin sin cos cos cos sin )sin(cos cos )cos(+-+-=

b R

ϕ——当地地理纬度

β

——表面倾角 δ

——赤纬角 ω

——时角

（2）水箱温度的计算模型

T

i c

u

I

A Q η= u

p

Q dt

dT mC =

用简单的欧拉法把方程改写成： T

i c p

J J

J

I A C m t T T η∆+='

式中J

m ——集热器中的水容量kg 。

假设集热器中的高温水与蓄热水箱中的水充分混合，则混合后水箱的温度由下式计算：

)/()('J

X

J

J

x

x

X

m m T m T m T ++=

系统供出热水过程中的水箱温度计算模型为：

X

p

dT

m C L dt

=

式中L ——随时间变化的热水负荷kW X

m ——水箱中的水容量kg

2.2动态模拟及分析

表1是根据南京地区气象数据资料，整理的太阳辐射量的数据，从表1上可以得出：南京地区水平辐射量大于200W/m 2

的小时数为2148，200W/m 2

以下辐射量较小对太阳能热水系统来说意义不大。

表1太阳辐射量

水平辐射>100800~1600~400~200~总

考虑到用户使用热水的时间是不确定的，因此在程序模拟的过程中根据用户的生活规律把全天的热水用量按不同的时间段分配，具体分配方式如表2。

表2 全天热水用量分配

经过计算机对系统的全年动态仿真，计算得到全年365天太阳能保证率分布，由图1可知，太阳能保证率大于90%（满足当天制取热水所需能量的90%以上）和在40％－50％之间的天数最多，大约为49天；太阳

量（W/m 2

） 0 000 800 600 400 计 小时数（h ） 10 146

397 703 892 214

8

时间 6:00~12:00 13:00~18:00 19:00~24:00 1:00~5:00 比例

20% 10%

70%

——

能保证率在20％以下的天数最少，大约为29天；太阳能保证率在50％以上的总共为208天。

图1全年365天太阳能保

证率分布

各月太阳能保证率

0.330.33

0.57

0.68

0.82

0.610.70

0.74

0.620.61

0.40

0.31

0.00

0.100.200.300.400.500.600.700.800.90一

月

二

月

三

月

四

月

五

月

六

月

七

月

八

月

九

月

十

月

十

一

月十

二月

图2全年各月的太阳能保

全年保证率

49

35

35

40

45

49

45

38

29

102030405060>0.9

0.8-0.90.7-0.80.6-0.70.5-0.60.4-0.50.3-0.40.2-0.3

<0.2