太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的研究与展望

1、第25卷,总第146期2007年11月,第6期5节能技术6Nov.2007,No.6太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的研究与展望刘立平1,阙炎振2(1.上海水产大学制冷空调系,上海 200090;2.上海复旦规划建筑设计研究院,上海 200433)摘 要:太阳能热泵低温地板辐射采暖系统是以太阳能热泵为热源,以地板辐射采暖系统为末端装置的新型供暖系统。本文综述了太阳能热泵在国内外的研究与应用,并阐述了太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的工作原理及在国内的研究现状。分析了该系统的特点,结果表明该系统是一种舒适、经济和节能的理想供热系统。本文还探讨了该系统在当前的应用中尚待解决的问题。关键词:太阳能热泵;

2、低温;地板辐射供暖;中图分类号:TK513 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2007)06-0550-04StudyandProspectsofSolarAssistedHeatPumpSourceLow-temperatureRadiantFloorHeatingSystemLIULi-ping1,QUEYan-zhen2(1.FacultyofRefrigerationandair-conditionengineering,ShanghaifisheriesUniversity,Shanghai200090,China;Keywords:solarassistedheatpu

3、mp;low-temperature;radiantfloorheatingsystem1 前 言地板辐射供暖是指利用建筑物内部的地面作为辐射面来进行采暖,地面除了以对流换热方式加热周围的空气以外,还与四周的围护结构进行辐射换热,其换热量通常占总换热量的50%以上。目前,供暖的热源有发热电缆和低温热水两种,由于各地电力状况及能源利用率等方面的原因,现在多采用低温热水作为热源。为保证人体舒适感,冬季供暖时,地板辐射供暖系统的地面温度以2428e为宜,在常用的管径、管间距前提下,实际所需热水温度往往低于60e112。由于热媒水温较低,为采用太阳能作为热源创造了条件122。但是,太阳能具有昼夜的间断

4、性,同时还受天气等随机因素的强烈影响,是一种不稳定的能源,难以满足全天候供热的需要。要解决这一问题,一是要在系统中设置储热装置(通常采用储热水箱);二是必须设置辅助热源。辅助热源可以是燃气锅炉、电加热及热泵等。燃气锅炉在运行过程中产生的排放物必然会对环境产生污染;收稿日期 2007-10-25 修订稿日期 2007-10-28作者简介:刘立平(1974),女,博士,讲师。#550#电加热直接供暖是对高品位能源电能的一种极大的浪费,运行费用高且增加城市高峰用电时的电网负荷;而热泵供暖是利用少量的高品位电能为驱动,从低温热源吸取低品位热量并将其输送到高温热源。以上海地区为例,各种常见热源供暖经济性

5、比较见表1 各种常见热源供暖经济性的比较热源种类单价单位标准热值转化效率单位低热值的价值(元/MJ)人工煤气0.90元/m313.4MJ/Nm3表1。从该表可以看出,采用电加热直接供暖的运行费用是最高的,而采用热泵供暖的费用是最低的。从环保和经济节能的角度考虑,将太阳能与热泵相结合作为低温地板辐射供暖的热源是最理想的方式。液化石油气11元/m33天然气2.10元/m334.75MJ/Nm电加热0.61元/kWh3热泵0.61元/kWh3.6MJ/kWh100.78MJ/Nm3.6MJ/kWh2 太阳能热泵系统以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等2.1 概述根据太阳能集热器与热泵蒸

6、发器的组合形式,太阳能热泵分为直膨式和非直膨式。直膨式太阳能热泵中太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一,即制冷剂直接在太阳能集热器中吸收太阳能而得到蒸发。其结构简单,性能良好,考虑到制冷剂的充注量和泄漏问题,一般适用于小型供热。非直膨式太阳能热泵中,太阳能集热器和蒸发器分立,集热介质(一般为水、空气及防冻液等)在集热器中吸收太阳能,并通过换热器将热量传给蒸发器中的制冷剂或直接传给需要加热的空气或水。根据太阳能集热器和热泵循环的连接方式非直膨式太阳能热泵又可分为串联、并联和混联(双热源)等方式,三种太阳能热泵中,热泵的热源分别为太阳能,环境空气、太阳能和环境空气兼而有之。其具有形式多样,布置灵活等优

7、点,适用于集中供热、空调和供热水系统,易与建筑一体化。其中,串联式太阳能热泵中,太阳能集热器和热泵蒸发器之间通过储热水箱相联。其优点是:由于热泵不断从中获取热量使集热器工作温度较低,从而具有较高的集热效率;另一方面,由于吸收太阳能使热泵的蒸发温度升高,从而提高了热泵性能。为此,串联式太阳能热泵是目前太阳能热泵地板辐射供暖系统常用的一种太阳能热泵方式。2.2 国内外研究与应用太阳能与热泵联合运行的思想,最早是由Jor2dan和Threlkeld在20世纪50年代的研究中提出的132。随后,在日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行了深入的研究和开发,在各地实

8、施了多项太阳能热泵示范工程,例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆等,取得了一定的经济效益和良好的社会效益1462。近年来,土耳其、印度尼西亚、墨西哥等发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究17,82。在产业化发展方面,美国的SolarKing系列太阳能热泵供热设备就是比较典型的产品范例。我国对太阳能热泵的研究起步较晚,有关文献和报道在十几年内。自上世纪90年代后期,太阳能热泵供暖开始被一些高校关注。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行了试验研究和理论分析,结果表明,该系统可以一年四季可靠运行,向用户提供50e的热水。COP达到2.642.85(冬季),2.613.5(夏季)192。天津大学

9、还研究了以R134a作为工质的直接膨胀式太阳能热泵的性能,热泵系统性能系数可达到4.06.5,其太阳能集热器的集热效率在70%78%范围内1102。青岛理工大学热泵实验室建立了太阳能热泵实验台,并对太阳能热泵系统冬季启动热泵供暖进行实际测试。实验台主要由热泵机组、集热器、蓄热器、测量控制系统和实验房间组成。其实验结果表明热泵机组的供热系数平均值达到2.71,具有明显的节能效果1112。哈尔滨工业大学对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究,得出动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高23.1%和22.7%的结论1122。上海交通大学建立了直膨式太阳能热泵供热水系统实验台,

10、结果表明该系统在各种天气情况下均能够可靠地生产50e的生活热水,说明其热性能较为稳定,且具有明显的节能效果。做出的直膨式太阳能热泵热水器实验样机,在室内模拟光源01000W/m2下,可得出热水平均加热功率为1.04kW,热泵平均COP为4.181132。上海水产大学采用层次分析法对不同类型的太阳能热泵进行了综合评价,确定了评价指标,并建立了太阳能热泵综合评价的层次结构模型,对太阳能热泵系统设计时系统形式的选择和系统运行效果综合评价均具有一定借鉴意义1142。近期还有其他学者进行了对太阳能热泵的研究工作115,162。3 太阳能热泵低温地板辐射供暖系统太阳能热泵低温地板辐射供暖系统以太阳能热#5

11、51#泵为热源,以地板辐射采暖系统为末端装置,即以地板为散热面,主要以辐射方式向房间散热。主要是由太阳能热泵系统和低温地板辐射采暖系统两部分构成。3.1 太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的工作原理其工作原理如图1所示。由于地板层具有较强的蓄热能力,系统采取如下所述的间歇运行方式。冬季晴朗的白天,一级热媒在集热器中吸收太阳辐射能后,流入储热水箱,将热量传递给箱内换热管中的二级热媒;二级热媒进入热泵机组中的蒸发器与制冷剂交换热量,并通过热泵循环将热量传递给三级热媒,温升后的三级热媒水由冷却循环水泵送入了太阳能地板供暖系统具有环保和节能特点,应用同一地板辐射供暖使用热泵对某些地区进行冬季供暖是可行的1

12、172。2002年12月,青岛理工大学周恩泽等人进行了太阳能-热泵地板辐射采暖系统间歇运行模式的数值研究。探讨了以太阳能热泵为热源的地板辐射采暖系统的组成和运行方式,建立了系统间歇运行方式下采暖房间热力过程的数学模型,研究了系统在间歇运行方式下采暖房间的热力过程,即给出了日间和夜间不同时刻室内外空气温度及地板表面平均温度。数值计算结果表明,以太阳能-热泵为热源的地板辐射采暖系统采用间歇运行方式是可行的。1182地板辐射供暖系统的加热盘管,向房间供热,保证室内空气温度和地板表面平均温度等热舒适性指标在合理范围内波动。当室内空气温度和地板表面平均温度等超过热舒适性要求时,热泵机组停止运行;低于热舒

13、适性要求时,机组重新启动。夜间,集热器和热泵机组停止运行,依靠地板内蓄热量来维持室内空气温度和地板表面平均温度,直到温度低于设定值,再将热泵机组投入运行。这样,可以尽量推迟热泵机组在夜间的启动时间,以利用峰谷电价的差别,同时可以缩短其运行时间。图1 太阳能热泵低温地板辐射供暖系统工作原理示意图当夜间或阴雨天热泵机组运行,而储热水箱储热量不足,不能满足供暖需要时,则利用水箱内的辅助电加热器加以补充。地板辐射供暖系统可分为多个并联支路,以实现房间的分室温度调节。室温调节采用开/关控制方案,即在每一支路的回水管出口处均设置热电阀,由房间温度控制器控制。当室内空气温度超过设定的温度值时,房间温度控制器

14、使热电阀关闭;反之,则使热电阀开启,以实现室内的温度控制。3.2 太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的国内研究现状 国内对太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的研究主要集中在青岛、上海等地的高校。1999年王子介教授在分析了地板供暖节能性和舒适性的基础上,对太阳能地板辐射供暖系统和用于夏季地板供冷系统的可行性进行了分析,指出#552#2004年,青岛建筑工程学院张喜明等人,介绍了太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的工作原理和构成,并以青岛地区为例,设计了太阳集热器、蓄热器、地板换热盘管等设备,探讨了系统的设计方法1192。2005年,周恩泽等人设计建立了以热管式真空管太阳能热水器和水源热泵机组为热源,以地板

15、辐射采暖系统为末端装置的太阳能热泵地板辐射供暖系统实验台。通过对实验台冬季供暖工况的实验研究,考察了采暖房间的热力过程以及太阳能集热器、热泵机组等主要设备的工作性能。实验结果表明,实验台设计方案可行,主要设备的工作性能达到了设计要求1202。同年,青岛理工大学李春娥等人对太阳能热泵地板辐射供暖系统的连续运行和间歇运行进行了实验研究,结果表明,间歇性运行可以充分利用地板的蓄热特性,可尽量推迟热泵机组在夜间的启动时间,以利用峰谷电价的差别,提高了系统的COP值以达到节能的效果1212。3.3 太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的特点太阳能热泵低温地板辐射供暖主要通过地下辐射换热盘管,利用地面自身的蓄热

16、辐射将热量向地面空间散发,维持该空间具有较稳定的舒适状态。低温地板辐射供暖系统给人以脚暖头凉的舒适感觉,符合人体生理调节特点,提高了室内环境的舒适度。设计时供暖房间的空气温度可比传统的对流采暖方式低23e,减少了热负荷,可节能约为20%30%。太阳能热泵低温地板辐射供暖系统可以利用低温平板集热器,不仅降低了集热成本,而且集热效率较高。由于是从较低的给水温度开始,因此尽管使用简易的集热器,甚至在日照较短的条件下,也能高效地集热,即使是单层玻璃,涂黑板漆的普通集热器的平均集热效率也可高达30%70%。太阳能热泵低温地板辐射供暖系统利用太阳能,可以减少对常规能源的消耗,为开发利用新能源提供了新的途径

17、。与单纯采用电加热器或燃气热水器作为辅助热源相比,热泵作为太阳能利用的辅助热源具有独特的优势,不仅能够有效地克服太阳能稀薄性和间歇性的弱点,还可以节省高品位的电能,减少石化类能源的消耗,减少环境污染。而且,根据地板辐射供暖系统的要求,热泵冷凝器侧的热水供热温度一定,此时,热泵的制热系数随着蒸发器侧的低温热源即储热水箱内热水温度的升高而升高。如果太阳能集热器面积和储热水箱的容积设计合理,那么就可将储热水箱内热水的温度控制在合理的范围内,有利于提高热泵的制热系数,使得在相同的供参考文献112李永安,尚丰伟,等1低温热水地板辐射采暖系统设计1J21建筑热能通风空调,2002,(1):62-65112

18、2宋秋,孙波1太阳能热水地板辐射热供暖系统的研究1J21能源工程,2002,(1):19-211132RCJORDAN,JLTHRELKELD1DesignandEconomicsofSolarEnergyHeatPumpSystems1J21ASMEJournalSection1Heating,Piping,andAirCondi1,1954,(26):122-1301142KaygusuzK1Experimentalandtheoreticalinvestigationofasolarheatingsystemwithheatpump1J21RenewableEnergy,2000,21:

19、79-1021152KaygusuzK,AyhanT1Experimentalandtheoreticalinvesti2gationofcombinedsolarheatpumpsystemforresidentialheating热负荷情况下,可以进一步节约电能。3.4 应用中尚需解决的问题我国太阳能热泵低温地板辐射供暖应用和发展还存在着以下一些问题:(1)提高各种类型的太阳能热泵性能,对太阳能热泵低温地板辐射供暖系统进行优化设计和研究,在满足室内环境热舒适的前提下,动态模拟建筑供热量与建筑热负荷之间的关系,找出集热面积、储热水箱容积、建筑面积及热泵容量之间的最佳匹配关系。同时将系统设计与

20、建筑设计结合起来,既要考虑系统性能又要考虑建筑美观,以实现太阳能建筑一体化。(2)设计合理、灵活的自控系统,使太阳能集热系统的运行与热泵供暖的自动转换系统等实现自动控制,并按实际设定的参数进行智能控制,提高太阳能集热器的集热效率和太阳能热泵性能,进而提高太阳能的利用效率,降低建筑的供暖能耗,以达运行最佳效益。(3)进行地域分析,根据不同地区的太阳能照度情况、当地能源状况、负荷特性及建筑的功能等,合理配置太阳能及其辅助热源(即热泵等)的容量。4 结束语太阳能热泵低温地板辐射供暖系统具有节能、清洁与环保、热舒适性好、便于分户热计量等优点,是一种绿色的供暖方式。目前由于系统的初投资较大等原因,太阳能

21、热泵技术的利用还没有普及,研究和开发新型的太阳能热泵低温地板辐射供暖系统,不断提高其可靠性和经济性,同时进行示范工程应用,逐步实现太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的实用化和商品化,对于解决能源和环保问题具有极其深远的意义。此外,随着人们对生活质量要求的提高及节能意识的增强,太阳能热泵低温地板辐射供暖系统必将得到越来越广泛的应用。1J21EnergyConversion&Management,1999,140(13):1377-13961162BaekNC,ShinUC,YoonJH1Astudyonthedesignandanalysisofaheatpumpheatingsystemusingweastwaterasaheatsource1J21SolarEnergy,2005,78:427-4401172CervantesJG,TorresRE1Experimentsonasolar-assist2edheatpumpandanexergyanalysisofthesystem1AppliedThermalEngineering,2002,22:1289-12971182AyeL,ChartersWW,ChaichanaC1Solarheatpumpsys2temsfordomestichotwater1J21SolarEne