太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的實驗研究

【摘要】太陽能不僅具有取之不盡、用之不竭的特點，還具有零污染性，因此利用太陽能供熱成為新世紀能源利用的重要方向。另一方面，熱泵這種節(jié)能裝置具有高能量品位的特性，可以將具有間歇性的太陽能更好的轉(zhuǎn)化并投入使用。因此，將熱泵技術(shù)與太陽能利用技術(shù)相結(jié)合，可以很好地解決太陽能本身存在的間斷性、不穩(wěn)定性的問題，而且可以節(jié)約高品位能量并最大限度的減少環(huán)境污染，提高能源利用率?；诖?，本文主要對太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的實驗進行分析探討。

【關(guān)鍵詞】太陽能；熱泵；供熱系統(tǒng)；實驗

1、前言

開發(fā)新能源和節(jié)能是尋求能源出路的兩大重要途徑，太陽能熱泵供熱系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能性和環(huán)保性具有廣闊的發(fā)展前景。由于地理位置及氣候條件的差異以及經(jīng)濟技術(shù)條件的限制，我國只能根據(jù)本國國情對國外的研究成果加以借鑒，同時應(yīng)大力開展國內(nèi)SAHP系統(tǒng)的研發(fā)工作，以推動太陽能熱泵技術(shù)在我國的推廣及應(yīng)用。

2、太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實驗臺簡介

本實驗臺是在青島建筑工程學院熱泵實驗室的原有設(shè)備及管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加太陽能集熱器和蓄熱器等設(shè)備，并對部分管路進行改造而建成的。

活塞壓縮式水—水熱泵，美國Copland公司生產(chǎn)，壓縮機額定功率為2.2kW，制冷劑為R22；2）12WG-8型管道泵，電機功率為90W，最大揚程為10m，最大流量為20L/min；3）LZB-25型玻璃轉(zhuǎn)子式流量計，d25mm；4）MCE08-787型累積式流量計，d24mm，瑞典產(chǎn)；5）聯(lián)箱；6）FP-5立式明裝風機盤管，風機功率為50W；7）容積式保溫水箱，外形尺寸2000×1300×820，內(nèi)置銅管換熱器；8）自行設(shè)計的平板型太陽能集熱器，單層玻璃蓋板，吸熱體表面涂無光黑漆，鋼制殼體，單臺尺寸為1340×1640，共五臺，總有效集熱面積為10.988m2，集熱器朝向正南，傾角可隨季節(jié)調(diào)節(jié)（采暖季為52°，非采暖季為38°）；9）自行設(shè)計的蓄熱水箱，外形尺寸1700×1700×1700，凈容積為2.106m3，內(nèi)置低壓聚乙烯塑料圓管d32mm×2.5mm，總管長108.8m，散熱面積10.94m2。箱體內(nèi)裝有3只U型管狀水用電加熱器，電熱管材為d12mm紫銅管，電功率分別為1kW、1.5kW、2kW，可單獨或并聯(lián)使用；10）WMS1i2513020型小口徑熱能表，Υ20mm，公稱流量為2.5m3/h，鉑電阻溫度傳感器，德國產(chǎn)；11）WNG-11型金屬套管式玻璃水銀溫度計，尾長120mm，量程分別為0～100℃、0～50℃、-30～50℃；12）ZILMET00201型閉式膨脹水箱（附安全閥及壓力表），意大利產(chǎn)；13）S324型冷暖風機，風機功率為0.12kW。

下面以典型工況——太陽能熱泵供熱—蓄熱工況及蓄熱器放熱—熱泵供熱工況為例，來說明系統(tǒng)供熱過程：冬季晴朗白天，載熱介質(zhì)在集熱器中獲取太陽輻射能后，流入蓄熱水箱，通過箱內(nèi)的換熱盤管將部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì)，然后進入蒸發(fā)器與制冷劑換熱，并通過熱泵循環(huán)進行供熱，降溫后的集熱介質(zhì)在管道泵的作用下又流回集熱器，由此完成一次循環(huán)。夜間（或陰雨天），從蒸發(fā)器流出的載熱介質(zhì)不流經(jīng)太陽能集熱器，而是通過一根旁通管直接流入蓄熱水箱，從蓄熱介質(zhì)中吸取熱量后流回蒸發(fā)器，再通過熱泵循環(huán)進行供熱。如果蓄熱量不足，不能以滿足供熱需要，則利用輔助電加熱器加以補充。熱泵冷凝器側(cè)有三個并聯(lián)的終端：1）風機盤管，2）容積式保溫水箱，3）暖風機，可同時向房間供暖和提供生活熱水。

根據(jù)太陽輻射強度及熱負荷的大小，利用一些閥門的啟閉可實現(xiàn)太陽能直接供熱、太陽能熱泵供熱及蓄熱器蓄熱—放熱等多種運行工況的轉(zhuǎn)換。目前各閥門的啟閉還僅靠人工操作，但在經(jīng)濟允許的情況下，只需增加部分自控裝置就可實現(xiàn)閥門的自動控制。

本太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實驗臺具有以下幾個方面的特點：

1）采用自行設(shè)計的平板型太陽能集熱器（單層玻璃、涂普通黑漆），吸熱體由工廠可批量生產(chǎn)的鋼制板式散熱器改造制成，從而大大箱降低了集熱器造價（僅為500$/m2）；

2）采用自行設(shè)計的單槽式蓄熱水箱，箱內(nèi)采用聚乙烯塑料盤管作為換熱器，不僅減少了防凍溶液的充灌量而且節(jié)省了一個循環(huán)水泵；

3）在非采暖季，太陽能集熱器可與容積式保溫水箱組成閉式強制循環(huán)式熱水系統(tǒng)，能夠保證24h的熱水供應(yīng)，既實現(xiàn)了節(jié)能又提高了設(shè)備的全年利用率；

4）因有蓄熱裝置，夏季可利用夜間電力進行蓄冷運行，不僅運行費便宜，且有助于電力錯峰。

3、實驗結(jié)果的推廣應(yīng)用

已知熱泵的供熱性能系數(shù)，根據(jù)熱泵理論及有關(guān)實驗數(shù)據(jù)可得出單位冷凝器供熱量所需的集熱面積、換熱盤管長度及其換熱面積、蓄熱水箱容積，可直接應(yīng)用于實際工程設(shè)計及校核計算。同時可以看出，熱泵機組的供熱系數(shù)COP越高，系統(tǒng)各主要設(shè)備的初投資也越大，但系統(tǒng)運行費用越少，所以在實際工程設(shè)計中需要將系統(tǒng)性能與投資回收結(jié)合起來進行綜合考慮。

應(yīng)當指出，對于本實驗所設(shè)計開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)形式，蒸發(fā)溫度的高低直接影響太陽能集熱器及蓄熱水箱的工作性能，同時熱泵機組的熱力參數(shù)與系統(tǒng)整體供熱性能及節(jié)能效果密切相關(guān)。因此，在參考上述實驗結(jié)論進行SAHP供熱系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意本熱泵機組（壓縮機為活塞式，制冷劑為R22）熱力參數(shù)的變化范圍：蒸發(fā)溫度為-11.46～-6.68℃，冷凝溫度為45.46～57.40℃，蒸發(fā)器對數(shù)傳熱溫差為1.20～4.53℃，冷凝器對數(shù)傳熱溫差為13.28～17.78℃，冷水進出口溫差為3.78～5.50℃，熱水進出口溫差為6.55～8.77℃。上述數(shù)據(jù)可作為選擇熱泵機組和冷、熱水流量的參考數(shù)據(jù)。

結(jié)論：

通過對所設(shè)計、開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的冬季供暖工況的測試及研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）在青島地區(qū)最冷月的氣候條件下，所設(shè)計、開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)不僅能夠滿足設(shè)計方案24h連續(xù)供暖的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)5d供暖（其中可以有連續(xù)的兩個陰雨天）。

（2）在整個供暖測試期內(nèi)，室外平均溫度為-1.56℃，平均太陽輻射強度為327.8W/m2，熱泵機組平均供熱系數(shù)為2.55，整個系統(tǒng)平均供熱系數(shù)為2.19。系統(tǒng)并未使用輔助熱源。

（3）本實驗設(shè)計開發(fā)的平板型太陽能集熱器具有良好的集熱性能，平均集熱效率高達67.2%，并得出了平板型太陽能集熱器在冬季供暖工況下的日間效率方程。

（4）在冬季供暖工況下蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用，保證了系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定供熱。

（5）分析表明，在太陽能熱泵供熱系統(tǒng)中采用低溫末端裝置可顯著提高系統(tǒng)供熱性能。

（6）在青島地區(qū)的氣候條件下，該系統(tǒng)冬季晴天可提供約1100L/d（溫升為40℃）的熱水，夏季晴天可提供約800L/d（溫升為30℃）的熱水。

參考文獻：

[1]張秋瑞.太陽能熱泵供熱技術(shù)探析[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2011（6）.

[2]魏兆凱，劉凱，王曉洲.太陽能熱泵開發(fā)的理論與實踐[J].農(nóng)機化研究，2009（3）.

作者簡介：

高冉，濟南熱力集團有限公司，山東濟南。