太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

0大陸地區(qū)太陽能熱泵供熱系統(tǒng)研究的必要性中國是一個(gè)沒有富裕能源的國家，有廣闊的供暖地區(qū)。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高,用于采暖和空調(diào)方面的能耗占能源總用量的比例越來越大,因此,采暖和空調(diào)的節(jié)能問題十分重要。我國地處北半球亞歐大陸的東部,幅員遼闊,年日照時(shí)間大于2000h的地區(qū)約占全國面積的三分之二,處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi),只要具有一定的技術(shù)水平和必要的資金投入就可以自由利用。因此,研究新型的干凈、節(jié)能的供熱系統(tǒng)——太陽能熱泵供熱系統(tǒng)(SAHP),并不斷提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性以便在不久的將來逐步實(shí)現(xiàn)太陽能供熱裝置的實(shí)用化和商品化,這對于尋求我國能源和環(huán)境兩大社會問題的出路具有極其深遠(yuǎn)的意義。由于地理位置及氣候條件的差異以及經(jīng)濟(jì)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(shí)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。為此,我們將在這一方面做一些必要的探索和嘗試。1系統(tǒng)供熱過程本實(shí)驗(yàn)臺是在青島建筑工程學(xué)院熱泵實(shí)驗(yàn)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(jìn)行改造而建成的。太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的組成及設(shè)備連接情況如圖1和圖2所示。圖1和2中:1)活塞壓縮式水—水熱泵,美國Copland公司生產(chǎn),壓縮機(jī)額定功率為2.2kW,制冷劑為R22;2)12WG-8型管道泵,電機(jī)功率為90W,最大揚(yáng)程為10m,最大流量為20L/min;3)LZB-25型玻璃轉(zhuǎn)子式流量計(jì),d25mm;4)MCE08-787型累積式流量計(jì),d24mm,瑞典產(chǎn);5)聯(lián)箱;6)FP-5立式明裝風(fēng)機(jī)盤管,風(fēng)機(jī)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(jì)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(jì)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(dú)或并聯(lián)使用;10)WMS1i2513020型小口徑熱能表,Φ20mm,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(jì),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(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)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(jìn)入蒸發(fā)器與制冷劑換熱,并通過熱泵循環(huán)進(jìn)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(jìn)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(bǔ)充。熱泵冷凝器側(cè)有三個(gè)并聯(lián)的終端:1)風(fēng)機(jī)盤管,2)容積式保溫水箱,3)暖風(fēng)機(jī),可同時(shí)向房間供暖和提供生活熱水。根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度及熱負(fù)荷的大小,利用一些閥門的啟閉可實(shí)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(yùn)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(jì)允許的情況下,只需增加部分自控裝置就可實(shí)現(xiàn)閥門的自動控制。本太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):1)采用自行設(shè)計(jì)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(jià)(僅為500￥/m2);2)采用自行設(shè)計(jì)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(gè)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(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng),能夠保證24h的熱水供應(yīng),既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能又提高了設(shè)備的全年利用率;4)若采用特殊流體,不僅可在管路中全年循環(huán)使用,而且可實(shí)現(xiàn)防凍、防腐蝕和防止結(jié)垢,延長系統(tǒng)的使用壽命;5)可利用其它低品位熱源(空氣、土壤、水等)進(jìn)行聯(lián)合工作,實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的“一機(jī)兩用”:在冬季,其它低品位熱源可彌補(bǔ)太陽能的不足,并充分發(fā)揮土壤或水的自然蓄熱能力,減少蓄熱器的投資;而在夏季同一臺熱泵又可作為制冷機(jī)用,進(jìn)行與太陽能無關(guān)的制冷,可大幅度地提高熱泵機(jī)組的全年利用率和改善機(jī)組的工作性能;6)因有蓄熱裝置,夏季可利用夜間電力進(jìn)行蓄冷運(yùn)行,不僅運(yùn)行費(fèi)便宜,且有助于電力錯(cuò)峰。2測量測試方法本實(shí)驗(yàn)臺不僅可對溫度及太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行24h自動循環(huán)掃描測試以及實(shí)時(shí)的顯示和分析,而且能夠精確地測量各環(huán)路流量、熱流量(二者均包括瞬時(shí)量和累積量)以及各種設(shè)備的耗電量等參數(shù),既具有較高的測量精度,又節(jié)省人力。1)溫度測試系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元(HP34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元)、插入式模塊(HP34901A20通道銜鐵繼電器多路轉(zhuǎn)換器)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)組成。溫度傳感器采用經(jīng)過標(biāo)定的18個(gè)銅-康銅熱電偶,并可對測量值加以自動修正,從而提高了溫度測量的精度。測溫點(diǎn)的布置詳見表1,T1～T18代表18個(gè)熱電偶的測溫端。2)投射到集熱面上的太陽總輻射強(qiáng)度(光譜范圍為0.3～3μm)由TBQ-2總輻射表測定,并利用HP34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元即可實(shí)現(xiàn)對太陽輻射強(qiáng)度的自動掃描測試。3)室內(nèi)、外循環(huán)管路中流體的累積流量由瑞典產(chǎn)的MCE08-787型累積式流量計(jì)測定,瞬時(shí)流量由國產(chǎn)的LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測定。4)為了較準(zhǔn)確、直觀地測定集熱器的集熱量,在集熱器進(jìn)、出口管路上安裝了德國產(chǎn)WMS1i2513020型熱能表,可方便地讀取集熱器進(jìn)出口水溫度及溫差、熱流量及循環(huán)流量的累積值和瞬時(shí)值以及運(yùn)行時(shí)間;5)本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有用電設(shè)備(包括熱泵壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)盤管、電加熱器、照明設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及測試儀器等14路設(shè)備)的耗電量均由DF型集中式電能表進(jìn)行不間斷的循環(huán)檢測,可即時(shí)讀取。其中壓縮機(jī)的耗電量還可由瑞典產(chǎn)C14GIY型累積功率表測定;6)在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器上分別帶有S-925BC型和S-923BC型美制壓力表,可直接讀取蒸發(fā)壓力和冷凝壓力(均為表壓值)。為了減少測量誤差,提高測量數(shù)據(jù)的精度和可靠性,對測溫?zé)犭娕?、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、累積流量計(jì)等均進(jìn)行了標(biāo)定,并對熱泵供熱系數(shù)、集熱器集熱效率等基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)具有較高的精度,完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。3供熱條件及密度我們選擇在青島地區(qū)的最冷月(2000年12月20日～2001年1月31日)對太陽能熱泵進(jìn)行供暖工況的實(shí)驗(yàn)。以太陽能熱泵供熱—蓄熱工況為基本運(yùn)行方式,對熱泵實(shí)驗(yàn)室(建筑面積為41.13m2)進(jìn)行晝夜24h的供暖。本實(shí)驗(yàn)采用酒精—水溶液(體積比1∶2)作為防凍溶液,其凝固點(diǎn)溫度可達(dá)到-14.2℃。整個(gè)測試期間的平均室外溫度為-1.56℃,最低日平均值達(dá)到了-9.25℃。測試期間,每半小時(shí)讀取一次數(shù)據(jù)。3.1供熱功率及耗功率由圖3可見,在整個(gè)供暖測試期間,室外溫度在-10～4℃之間變化(平均為-1.56℃),而室內(nèi)溫度在16～22℃之間變化(平均為19.32℃),符合冬季供暖的要求,說明本太陽能熱泵供熱系統(tǒng)完全滿足房間冬季供暖需求。系統(tǒng)供熱功率即為熱泵機(jī)組的供熱功率Qk。系統(tǒng)耗功率即為系統(tǒng)中所有耗功設(shè)備的功率之和。本實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)耗功率包括壓縮機(jī)功率Whp、循環(huán)水泵功率Wp及風(fēng)機(jī)盤管功率Wf。系統(tǒng)供熱系εsys數(shù)由式(1)計(jì)算得到。在圖4中,系統(tǒng)供熱功率的平均值為4.99kW,耗功率的平均值為2.29kW,平均供熱系數(shù)為2.19。εsys=Qk/(Whp+Wp+Wf)(1)εsys=Qk/(Whp+Wp+Wf)(1)3.2太陽能集熱器引起的熱輻射集熱器是太陽能供熱系統(tǒng)中最重要的組成部分,其性能和成本對整個(gè)系統(tǒng)的成敗起著決定性作用。本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)、工廠裝配的低溫平板型集熱器,每平方米造價(jià)僅為真空管式集熱器市場現(xiàn)價(jià)的1/3～1/4。平板型太陽能集熱器的日間集熱效率由式(2)計(jì)算得到。通過回歸分析得出設(shè)計(jì)開發(fā)的平板型太陽能集熱器的日間集熱效率方程(3),適用于采用酒精—水溶液(體積比為1∶2)作為載熱介質(zhì)的情況。本實(shí)驗(yàn)中載熱介質(zhì)的平均瞬時(shí)流量為703L/h,按每平方米集熱面積計(jì)算為0.018L/(s·m2集熱面積)。ηˉc=Qu/Hz=Qu/[Ac∫21Ic(t)dt]=Qu/[AcIˉc(t2?t1)](2)ηˉc=0.6362?3.2583(tˉc,i?tˉa)/Iˉc(3)ηˉc=Qu/Ηz=Qu/[Ac∫12Ιc(t)dt]=Qu/[AcΙˉc(t2-t1)](2)ηˉc=0.6362-3.2583(tˉc,i-tˉa)/Ιˉc(3)式中,Qu——太陽能集熱器日間8小時(shí)(8∶00～16∶00)集熱量,kJ;Hz——日間太陽輻射總量,kJ;也按8小時(shí)(8∶00～16∶00)計(jì)算;Ac——太陽能集熱器的集熱面積,m2;Ic——太陽輻射強(qiáng)度,kW/m2;IˉcΙˉc——積分時(shí)間(8小時(shí))內(nèi)的平均值;t1,t2——分別為積分初、終時(shí)間值,s。由圖5可見:1)太陽能集熱器的日間集熱量隨著日總太陽輻射量的變化而變化,且波動較大。說明若采用太陽能直接供暖,不僅供熱量極不穩(wěn)定,而且供熱量與熱負(fù)荷之間的平衡性也較差。2)日總太陽輻射量與日間集熱量的差值反映太陽能集熱器的集熱效率,二者差值越小,說明太陽能集熱器的集熱效率越高。3)在整個(gè)供暖測試期間,日間8h太陽輻射總量的平均值為31.67kWh,日間集熱量的平均值為21.29kWh,平均集熱效率高達(dá)67.2%(集熱面傾角為52°)。由于在本實(shí)驗(yàn)工況下,集熱器與熱泵蒸發(fā)器串聯(lián)工作,集熱器的工作溫度大部分時(shí)間低于室外溫度,從而大大減少了集熱器熱損失,甚至可從空氣中吸收一小部分熱量,因此集熱器的集熱性能明顯改善,并且太陽輻射越弱,效果越明顯。由此可知,實(shí)際測得的集熱效率不是單純反映集熱器吸收太陽輻射能的性能,而是反映了集熱器從周圍環(huán)境中獲取熱量的性能。3.3蓄熱系統(tǒng)與集熱器的串聯(lián)對集熱功率的影響對于太陽能供熱系統(tǒng)而言,為了彌補(bǔ)太陽能的不穩(wěn)定性和間斷性,蓄熱往往是必要的條件,即把太陽能集熱器在晴朗白天吸收的部分太陽輻射能儲存起來,以備夜間或陰雨天使用。本實(shí)驗(yàn)采用單槽式低溫蓄熱器,內(nèi)置聚乙烯塑料換熱盤管。盤管進(jìn)口與集熱器出口連接,出口與蒸發(fā)器進(jìn)口連接,使來自集熱器的載熱介質(zhì)通過換熱盤管把一部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì),然后流入蒸發(fā)器與制冷劑進(jìn)行換熱。這種太陽能集熱器、蓄熱器與熱泵蒸發(fā)器相串聯(lián)的系統(tǒng)形式,不僅有利于減小集熱器和蓄熱器的散熱損失,提高其工作性能,而且節(jié)省集熱器與蓄熱器之間的循環(huán)水泵,簡化了系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)中換熱盤管內(nèi)的平均流速約為0.2m/s。由圖6可見:蓄熱水箱的日平均放熱功率與太陽能集熱器的日平均集熱功率的變化趨勢相反,二者聯(lián)合工作的結(jié)果是使得集熱—蓄熱子系統(tǒng)的日平均放熱功率的變化趨于平緩,從而保證了蒸發(fā)器日平均吸熱功率比較穩(wěn)定,說明蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用。如果系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)從水箱內(nèi)取熱,則水箱內(nèi)的水溫會不斷降低,甚至使得換熱盤管外表面結(jié)冰。結(jié)冰增大了管外的換熱熱阻,但同時(shí)也增大了水箱的蓄放熱能力,其對系統(tǒng)性能的影響還有待于進(jìn)一步分析和研究。3.4供熱系數(shù)分析在供暖測試期內(nèi),本熱泵機(jī)組的平均吸熱功率為3.01kW,平均供熱功率為4.99kW,壓縮機(jī)平均耗功率為1.96kW,與此同時(shí)室外平均溫度為-1.56℃,供暖房間平均溫度為19.32℃。說明本熱泵機(jī)組供熱量完全能夠滿足熱泵實(shí)驗(yàn)室工作間冬季供暖需求。在圖7中,本熱泵機(jī)組的平均蒸發(fā)溫度為-9.10℃,平均冷凝溫度為54.54℃,機(jī)組平均供熱系數(shù)為2.55。分析本機(jī)組供熱系數(shù)偏小的原因,主要有以下兩點(diǎn):1)影響熱泵供熱系數(shù)的主要因素是冷凝蒸發(fā)溫度差。由圖8可見,在本實(shí)驗(yàn)工況下蒸發(fā)溫度比較穩(wěn)定,供熱系數(shù)受冷凝溫度的影響較大,其隨冷凝溫度的降低有明顯的提高。因此,若適當(dāng)增大熱負(fù)荷,降低冷凝溫度,可使供熱系數(shù)進(jìn)一步提高。例如采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳绞?不僅能夠提高室內(nèi)舒適度,而且能夠大幅度提高熱泵及系統(tǒng)的供熱系數(shù),充分發(fā)揮太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的優(yōu)越性。2)壓縮機(jī)類型及工作性能也是影響熱泵供熱系數(shù)的重要因素之一。本熱泵機(jī)組為老式活塞式,且整個(gè)熱泵機(jī)組已使用多年,因而限制了機(jī)組性能系數(shù)的進(jìn)一步提高。3.5sahp供熱系統(tǒng)典型方案設(shè)計(jì)已知熱泵的供熱性能系數(shù),根據(jù)熱泵理論及有關(guān)實(shí)驗(yàn)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(見表2),可直接應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)及校核計(jì)算。從表2可以看出,熱泵機(jī)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(yùn)行費(fèi)用越少,所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中需要將系統(tǒng)性能與投資回收結(jié)合起來進(jìn)行綜合考慮。應(yīng)當(dāng)指出,對于本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)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(shí)熱泵機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行SAHP供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意本熱泵機(jī)組(壓縮機(jī)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.