文摘
太阳能的应用提供了一种替代的方式代替能源的主要来源,尤其是对于大型装置。热泵技术也是一个有效的方法来减少化石燃料的消耗。介绍了一个实际案例研究相结合的混合PV / T太阳能辅助热泵(SAHP)体育中心热水生产系统。首次提出了最初的设计过程。整个系统被建模与TRNSYS 16计算环境和能效评估是基于仿真结果。结果表明,系统警察可以达到4.1的亚热带气候下香港,相比传统的供热系统,节能高分数因子可以获得67%。的能量性能相同的系统在不同的气候条件下,包括法国,其它三个城市进行了分析和比较。经济影响也被认为是在这项研究中。
1。介绍
有中等加热太阳能的各种应用程序,包括水加热,空间加热,蒸馏等。利用太阳能热水生产是一个最流行的应用程序。然而,大型屋顶或其他空间建筑需要安装足够的太阳能集热器阵列来满足大规模的全面服务的需求和/或multiple-demand病例。从这个角度来看,结合太阳能辅助热泵出现一个合适的选择,这不仅可以节省建筑空间,也减少了对公用事业电力供应的依赖。合并后的系统就能够更有效地工作。
与传统太阳能热收藏家,混合光伏/热(PV / T)收藏家可能更高的能源输出单位表面积因为吸收的太阳辐射转换成电能,同时可用的热量。关于这个主题的研究是在1970年代开始,此后许多创新的系统介绍了。最近的一些技术评论(1- - - - - -3)封面PV / T收集器设计的最新进展及其性能的电/热输出以及应用潜力。增加在这个领域关注和研究成果表明,混合PV / T技术存在许多有吸引力的特性广泛应用和工业化大规模生产的机会。专门研究领域的热水热电联产,一系列的实验和数值研究一直在进行独立和建筑光伏/加热水(光伏/ W)温暖的气候系统应用程序(4- - - - - -6]。全年热和电池转换效率分别为37.5%和9.4%的情况下被发现BiPV在香港/ W应用程序。整体传热通过PVW墙减少到38%的正常的建筑立面。Santbergen et al。7)详细分析了太阳能生活热水系统的能量输出与盘管套片式PV / T收藏家。所有损失机制的详细定量分析固有的PV / T收藏家进行上面的相关光伏模块和传统热收集器。一年一度的电效率的PV / T系统调查发现低于普通光伏系统(14%相对)和年度热效率也低于传统的热收集器系统(19%相对)。目的是提高整个系统的性能,许多参数研究(8- - - - - -11]。Charalambous et al。8)进行了优化研究基于“节水”概念,包括改进系统性能的优势,小泵,减少油管的大小和厚度和绝缘,减少建设工作和时间最优吸收器配置,因此也节省费用。头和立管的流量优化确定蛇形PV / T收藏家,分别利用ee代码。类似的研究被Cristofari et al。9在共聚物PV / T收藏家。
改善全球混合动力系统效率大规模安装PV / T技术,结合使用与其他高效能源系统(如热泵系统)可以有前途的。
大量的研究调查进行设计、建模和太阳能辅助热泵系统的测试。Ozgener和Hepbasli12,13)回顾了报道SAHP系统能量和火用分析。布里奇曼和哈里森14)进行了初步实验评估间接SAHP家用热水系统应用程序;测试是用一系列蒸发器进行供应温度和结果表明,警察可以跨越从2.8到3.3,根据蒸发器和冷凝器的温度。Dikici et al。15]执行energy-exergy分析空间加热的太阳能辅助热泵系统在测试房间60米2。3.08系统警察被确定为,太阳能集热器的(火用)损失被发现1.92千瓦。作者得出的结论是,警察增加当蒸发器的(火用)损失降低。通过系统仿真李、杨16]研究了并行SAHP系统假设的居住建筑提供热水;作者的结论是,太阳能集热器面积显著影响最佳流量。王等人。17)开发了一种新颖的间接式膨胀太阳能辅助多功能热泵(IX-SAMHP)。该系统不仅适用于操作模式包括两家用电器,但也有四个新节能空间冷却操作模式,空间加热,加热水。实验结果表明,IX-SAMHP阴天可以产生热水,相当大的减少电力消耗太阳能热水器,在寒冷的冬天可以在更高的警察比国内热泵(3.5 - -4.2)。英镑和柯林斯(18)进行了可行性分析的间接SAHP系统为国内热水相比:(i)传统的太阳能生活热水系统和(2)电动家用热水系统。发现电力消费和运营成本与间接SAHP系统是最有利的。
从我们的文献综述,我们发现混合SAHP系统的实验和理论分析大型热水应用程序是非常有限的。在这项研究中,一个间接混合PV / T太阳能辅助热泵系统已经从最初的设计阶段进行详细分析的年度业绩通过数值模拟。提出了系统上的投资成本也估计。
2。系统描述
一个假设的体育中心是作为参考案例。的角度视图如图1。体育中心的建筑面积是3200米2,对应于80 (L) 40米(W),规定包括一个室内游泳池,一个general-games运动大厅,几个将军迷你游戏房间,一个健身房,和相关的服务空间像更衣室、餐厅,大厅,办公室。中央机房位于地面水平。在这个案例研究中,设计了能源系统是用于热水生产满足沐浴在更衣室和洗手。
的简化示意图提出PVT-SAHP系统呈现在图2。的太阳能热源水预热。一个间接的太阳能热水模式被选在这种情况下。太阳能预热系统主要由一个数组混合PV / T收藏家,板式换热器,太阳能储罐。在热端换热器的热收集器的流体之间的温差循环根据收集器出口和底部的储罐,由一个开关监控微分控制器。上部和下部死乐队设定在10°C和2°C,分别。在冷端换热器的冷水来自底部的坦克和交付给热交换器连接到太阳能收集器,收益并返回到油箱在更高的温度。水的循环是由开关控制微分控制器根据换热器的入口之间的tem微分热和水箱的底部。死乐队的值是一样的。给水流分为两个部分。部分从太阳能水箱的底部进入,另一部分是与水混合热泵系统退出。由温控控制液体流量分流比例根据设计负载水温。由太阳能集热器系统预热后,小柜备用电加热器,然后通过热泵加热水温度还没有达到所需的水温。太阳能水箱内部加热器是激活只在冬季。所需的外部辅助加热器运行保持池水温度,设置点的温度应高于所需的输送温度以覆盖管道分配系统热量损失。
3所示。太阳能水预热系统的设计
3.1。计算每日体育中心的供热需求
根据实际设计指导体育中心热水加热,水负载可以根据确定:(i)每日人均消费热水或(ii)每小时用水量/淋浴水龙头,洗手盆。
在我们的研究中,热水负荷计算采用每日水负荷,这取决于淋浴水龙头和洗手盆的规定,因此 在哪里是淋浴水龙头的每小时用水量和洗手盆,kg / h;是淋浴水龙头和洗手盆,的数量b同时使用淋浴的因素方面,洗手盆在一小时内,通常作为体育中心病例的100%。
热水需求然后计算: 在哪里是热水混合因素。这是根据设计确定热水温度热泵系统的出口和排气温度,如图所示(3): 在哪里交付水温混合后,在°C;热水温度在水箱的出口,°C;给水温度,°C。
然后所需热负荷计算的基础上:
3.2。估计所需的太阳能集热器面积
所需的热收集器面积取决于几个因素,包括日常热水负荷的体育中心,收集器的特点,和气候条件。太阳能集热器的面积是由以下关系直接加热模式: 在哪里是收藏家总面积使用间接加热模式时,在米2;日平均太阳辐射水平,kJ / m2·d;液压管路系统的热损失系数,通常在0.2和0.3之间的绝缘良好;收集器效率取决于实际的测试,一般来说这个值在0.25和0.5之间变化。
间接加热方式,在这项研究中,确定所需的集电极区域上考虑到换热器的特点,所示(6): 在哪里收集器总面积是使用直接加热模式时,在吗;换热器表面区域,在吗;f一般太阳能分数根据不同的气候带;δ收集器热损失系数,W / ();换热器的传热系数,在W / ()。
在这个案例研究中,随意和。
3.3。热泵系统的建模
在热泵机组,冷凝器的加热能力可以通过计算 在哪里质量流率的制冷剂R410A,公斤/ s;和R410A的比焓是在进口和出口处标冷凝器,焦每千克。
水的传热是由以下关系: 在哪里质量流率的热水,公斤/ s;和进口和出口热水温度,°C。
热泵的能耗单元的总能量消耗的压缩机、水泵、千瓦时和控制器。 在哪里,,表示压缩机的力量、控制器和水泵,分别在千瓦。
整个供热系统的性能系数可以被定义为
4所示。系统仿真
整个系统仿真进行了基于TRNSYS瞬态模拟环境下的初始设计参数(19]。这个电脑程序是国际科学界普遍使用的能量和热能工程领域。它是基于互连基本模块称为类型,它是研究系统的组件,如储罐或特定功能,如天气数据阅读器允许连接选择区域的天气系统数据库。
每个组件的数学模型用于本研究中可用现有的图书馆或开发新组件。混合PV / T收集器模型是基于原型开发的弗劳恩霍夫研究所的合作研究的太阳能系统(弗劳恩霍夫伊势)和国家应用科学研究所里昂,法国里昂(早期)和法国电力公司研发的支持。在这个原型,身体吸收器的配置,包括水通道和太阳能电池,在图所示3。四根弦的八个pseudosquare sc-Si光伏电池连接在系列和叠层密封剂和聚合物薄膜在平坦的表面Rollbond(20.)铝热交换器与电绝缘涂层。尽管热性能略低于铜,铝价格的降低使更高的金属板厚度是0.2毫米(1毫米)为了提供一个更好的刚度的太阳能电池在没有玻璃(21,22]。吸收器是插入到收集器框架。收集器封面是一个4毫米AR玻璃传输在0.93以上,玻璃罩和吸收器之间的距离是20毫米。保温材料被应用于吸收器的背面。此原型的主要设计数据表1。
(一)
(b)
仿真模型是基于节点的方法最初是由Fraisse et al。24,25),后来修改Dupeyrat et al。26根据实际的物理安排)。12个温度节点被认为是不同的接口从封面到收集器的背后,包括收集器流体温度。节点温度然后由解的方程可以获得来自每个界面的能量平衡。这种“类型”不同于其他型号的太阳能热收集器TRNSYS因为它考虑几个重要的动态属性,如:(我)长波辐射在封面和环境之间交换(地面和天空是分开的)之间的交流,(2)收集器的热物理的特性(而不是从实验中获得的经验相关性)。
评估PV之间的对流交换在希悦通道细胞层和盖,空气属性确定空气温度的函数(而不是使用常量值)。从实验结果获得相关的系数。(我)能量平衡的封面 : 和封面的温度在每个时间步的开始和结束,K;公斤/米,覆盖密度吗3;是盖的厚度,m;的比热是封面,kJ /(公斤·K);是吸收器之间的对流传热系数和封面,W / ();是吸收器之间的辐射传热系数和封面,W / ();是封面和环境之间的对流传热系数,W / ();之间的辐射传热系数和天空,W / ()。(2)吸收的能量平衡 : 吸收器的加热能力包括管可以写成 在那里,和吸收器的温度在开始和结束的时间步,分别K;B是光学吸收的因素;是吸收密度,公斤/米3;吸收器的厚度,米;吸收器的比热,kJ /(公斤·K);是管密度,公斤/米3;管的厚度,米;管的比热,kJ /(公斤·K);管的直径,米;管的长度,米;管子的数量;eins绝缘的厚度,米;绝缘材料的热导率,W / (m·K);收集器背面温度,°C;是液体的对流传热系数,W / (m2·K)。(3)流体的能量平衡 在那里, 和是流体的温度在开始和结束的时间步骤,K;是流体密度,公斤/米;的比热是封面,kJ /公斤·K);是流体质量流率,公斤/ s。
电效率决定如下: 在哪里γ是光伏电池包装因素,的透光率是封面,参考电池效率在参考操作温度酒精含量K;光伏电池表面温度,K;温度系数,% / K。
在每一个时间步,交换系数是计算通过使用节点的初始温度。三个微分方程,即(11),(13)和(16定义),它根据每个节点的能量平衡,解决了数值。
储罐(60)类型建模为一个组件的垂直分层圆筒形储罐包括内部热交换器。热分层可以建模假设坦克组成()充分混合体积相等的部分。分层的程度是由价值决定的N。如果N= 1,储罐被建模为一个完全混合槽和分层影响是不可能的。
5。结果与讨论
系统能量和火用性能测定。全年仿真结果使用的典型气象年香港(TMY)每小时天气数据。仿真时间步长是12分钟。
5.1。能源评估标准
有用的热能产生的速率从PV / T收集器可以评为: 生成千瓦时的电能是由: 年度热当量产生的电能可以通过评估: 0.38的效率是任意使用的热能转化为电能的火力发电厂。
整个年度热输出可以评估: 集热器热效率,有用的能量增益的比值吸收的太阳能收集器,可以评估使用(23),在 节能是另一个的分数评价标准来估计系统性能比传统的系统使用的主要能源来源。它可以由: 在那里,是辅助消耗的总和,包括能源消耗的辅助加热器,组件(压缩机、泵和等)在热泵系统:
5.2。能源评估标准
(火用)输出定义真正的性能至关重要的PV / T系统[25- - - - - -27]。这可以从给定的表达式计算Fraisse et al。28),如下: 在哪里是凯文的环境温度,太阳的温度(5777 K)。
的电气输出光伏/ W收集器(火用)的一种形式,每年总(火用)输出的收集器可以获得的 太阳辐射的(火用)可以给出的: 的(火用)效率收集器可以计算 然后给出整个系统的(火用)效率为:
5.3。每日和每月在香港系统能量和火用性能
数据4- - - - - -5显示收集器进口和出口水温的变化(热端换热器)、冷侧入口,和出口温度的热交换器连接到水箱,交付水温,和室外空气温度的两个典型的阳光明媚的日子,一个冬天(2月中旬),另一个在夏天香港(8月中旬)。太阳能的质量流率循环和热exchanger-tank循环2400 l / h和2000 l / h,分别。双方的流体循环是由对应的温差控制器。在系统运行期间,进口和出口之间的温差的太阳能收集器可以接近10°C时水流的太阳能循环。正如所料,水的温度负载可以保持在40°C,轻微高于预期的池水温度对考虑管道的热损失分布。收集器找到温度在夏季高于冬季的太阳辐射水平。
每月的能源获得的混合收藏家如图6。代表了有用的收藏家的热输出。代表了发电的收藏家。它可以观察到的变化太阳能集热器的吸热同意入射太阳辐射。热火今年第一季度获得很低的太阳能辐射水平也相对较低。最高的有用得热量千瓦小时的发电7月获得千瓦时。如图7,收集器热效率随年度变化在0.37和0.57之间。但光伏电效率相对稳定(波动在10.1%至10.7%之间)。全年热、电效率分别为49.3%和10.3%,分别。合并后的能源效率是76.3%,0.38转换因子。
图8展示了太阳能交付给坦克和辅助系统的能源消耗的总能量(辅助加热器,热泵组件)。它可以观察到,把太阳能通过热交换器略低于有用热能收集器的收集。这是因为热损失引起的热交换器。整个辅助能源消耗为冬季更重要。这是当小内部辅助加热器被激活之前保持所需的水温加热热泵系统。与传统的电加热系统相比,节能约65%的月度分数在冬季期间。在温暖的季节,这个分数成为高90%左右。
每月热泵系列的热力性能和系统警察在图9。代表了传热热水;是压缩机的能量消耗的总和和热泵系统的控制器。热泵系统的能源消耗是更重要的冬季水温时退出储罐相对较低。需要更多的再热能量来逼近期望的排气温度。系统的警察在温暖的季节相对较低。这是特别是在最后三个夏季当热源的温度变高,这影响热泵性能。
5.4。年度能源和(火用)的比较不同气候条件下的性能
年度能源和(火用)设计系统的性能评估在不同气候下,也就是说,在香港在法国的亚热带气候和其他三个城市。法国有三个气候区,即海洋、大陆和地中海。这三个城市巴黎、里昂和不错,每个代表的典型气候条件区,在地图上显示在图10。所选择的四个城市也能代表世界最相似地区的气候。年度业绩进行的数值计算的基础上每小时TMY个别城市的天气数据。所有的城市被假定拥有相同的负载概要文件在香港,从而创建一个通用的比较基础。给水温度是决定根据淡水温度和回载水的温度,如图11。
表5列出年度能源和(火用)的估计性能的四个城市。关于总入射太阳辐射,漂亮的最高水平的太阳辐射,收益率也最高的输出(有用的热能千瓦时和电千瓦时)。巴黎最收益的太阳能辐射水平和环境温度区相对较低。因此,更多的辅助能源消耗在巴黎。系统热输出的淡水温度的影响,香港最低的热输出,Wh。关于(火用)输出,香港和巴黎是定位在相同的低水平,而里昂有最好的(火用)的性能千瓦时。
年度系统效率给出了表6。这些四个城市略有不同的电效率在10.29%和10.75%之间。集热器热效率和巴黎和里昂的总体效率相对较低,约5%低于香港收藏家整体效率最高的城市。关于热泵系列的性能,系统COP仍然几乎相同的城市,以及节能的分数都是78%左右。总体来说,系统执行不可取的(火用)效率,为所有气候条件在10%左右。
6。经济分析
投资组合太阳能辅助热泵系统包括材料和劳动力成本的太阳能收集器,热储罐,热泵系列,配件(如换热器、泵、控制器、阀门,等)和相关的系统测试和运输。通过参考其他类似SAHP系统的费用在香港和在法国,整个系统的成本进行评估,见表7。最重要的投资项目在于太阳能收集器。在法国,根据低碳促销政策,每个安装光伏系统可能获益11%税收抵免(29日根据系统总投资。此外,存在一些当地的补助金根据地区和有关部门。在这个案例研究中,我们获得了平均2%的总投资津贴的总和。平均每千瓦时的电力成本是1港元在香港,这是€0.1074(相当于1.1港元)(30.在法国)。成本回收期当时估计为每一个城市。表中列出的结果7。香港最长的回收期10.52年虽然材料是便宜的成本相比其他法国城市。迄今为止,在香港,没有补助金制定太阳能热或电气装置。投资回收期为法国城市到处都是9年。漂亮的城市拥有最富有的年度太阳辐射,这可以缩短8.4年。然而,法国政府逐年降低光伏系统的减税(25%,2010年22%,2011年为11%,2012年)。投资回收期将可能长在未来,如果不考虑技术进步。
7所示。结论
本研究旨在探讨潜在应用的混合PV / T太阳能辅助热泵系统为室内体育中心水加热的亚热带气候条件下香港,以及多个气候在法国。初始设计过程首先提出,能效评估通过使用TRNSYS瞬态仿真工具。数值结果表明,所设计的系统可以满足系统的能源需求。热水供应温度可以加热到40°C在操作期间。SAHP系统的平均加热警察发现是4.3。PV / T收藏家的总体效率可以达到76%在香港。全球部分节能因素可以达到最高75%的好。投资回收期10.52年香港相对比较长。进一步研究这个话题的股份应该在系统火用效率的改进优化系统配置和参数研究。系统生命周期评价也应在评估环境影响的地方。
命名法
| : | 区域的混合PV / T收集器在间接加热模式() |
| : | 区域的混合PV / T收集器直接加热模式() |
| : | 是光学因素的吸收体(-) |
| : | 水的比热(kJ /公斤·K) |
| : | 厚度(m) |
| : | 产生的电能收集器(千瓦时) |
| Eff热: | 热效率的收集器(-) |
| Eff光伏: | 电效率的收集器(-) |
| : | 换热器面积() |
| : | 总入射太阳辐射(千瓦时) |
| : | 换热器的传热系数(W /·K) |
| : | (kJ /日平均太阳辐射水平·天) |
| : | 封面和环境之间的对流传热系数(W /·K) |
| : | 流体的对流传热系数,(W /) |
| : | 辐射传热系数和吸收器之间的覆盖(W /·K) |
| : | 封面和天空之间的辐射传热系数(W /·K) |
| : | 热水混合因素 |
| : | 收集器流体速度质量(公斤/ s) |
| : | 热水从坦克质量(公斤/小时) |
| : | 负载率水质量(公斤/小时) |
| : | 段的槽(-) |
| : | 辅助能源消费总量(千瓦时) |
| : | 每年电能的热当量(千瓦时) |
| : | 所需热负荷(kJ /小时) |
| : | 年度的有用热能收集器(千瓦时) |
| : | 即时有用热能的太阳能集热器(kJ /小时) |
| : | 室外空气温度 |
| : | 收集器罩温度在每个时间步(K) |
| : | 收集器罩温度的每个时间步(K) |
| : | 负载水温 |
| : | 收集器流体温度在每个时间步(K) |
| : | 收集器流体温度在每个时间步(K) |
| : | 给水温度 |
| : | 热水温度 |
| : | 光伏电池表面温度 |
| : | PV参考操作温度 |
| : | 太阳的温度(K) |
| : | 流体的传热能力段(kJ / h·K) |
| Δ: | 段之间的距离(米) |
| Δ: | 系统仿真时间步(min)。 |
| β: | 收集器的斜率 |
| : | 太阳能光伏电池温度系数(% / K) |
| γ: | 光伏电池覆盖因子(−) |
| δ: | 收藏家热损失系数(W /·K) |
| λ: | 流体导热系数(W / m·K) |
| : | 透光率的封面 |
| ρ: | 密度(公斤/) |
| : | 集电极效率取决于实际测试(−) |
| : | 液压管路系统的热损失系数(−)。 |
承认
本文中描述的研究工作是完全支持的研究资助委员会的资助香港特别行政区,中国(项目号。城市U 112009年和112508年)。