太阳能热泵供热系统实验研究

太阳能热泵供热系统实验研究

0大陆地区太阳能热泵供热系统研究的必要性中国是一个没有富裕能源的国家，有广阔的供暖地区。随着社会生产的发展和人民生活水平的提高,用于采暖和空调方面的能耗占能源总用量的比例越来越大,因此,采暖和空调的节能问题十分重要。我国地处北半球亚欧大陆的东部,幅员辽阔,年日照时间大于2000h的地区约占全国面积的三分之二,处于利用太阳能较有利的区域内,只要具有一定的技术水平和必要的资金投入就可以自由利用。因此,研究新型的干净、节能的供热系统——太阳能热泵供热系统(SAHP),并不断提高其可靠性和经济性以便在不久的将来逐步实现太阳能供热装置的实用化和商品化,这对于寻求我国能源和环境两大社会问题的出路具有极其深远的意义。由于地理位置及气候条件的差异以及经济技术条件的限制,我国只能根据本国国情对国外的研究成果加以借鉴,同时应大力开展国内SAHP系统的研发工作,以推动太阳能热泵技术在我国的推广及应用。为此,我们将在这一方面做一些必要的探索和尝试。1系统供热过程本实验台是在青岛建筑工程学院热泵实验室的原有设备及管路系统的基础上,增加太阳能集热器和蓄热器等设备,并对部分管路进行改造而建成的。太阳能热泵供热系统的组成及设备连接情况如图1和图2所示。图1和2中:1)活塞压缩式水—水热泵,美国Copland公司生产,压缩机额定功率为2.2kW,制冷剂为R22;2)12WG-8型管道泵,电机功率为90W,最大扬程为10m,最大流量为20L/min;3)LZB-25型玻璃转子式流量计,d25mm;4)MCE08-787型累积式流量计,d24mm,瑞典产;5)联箱;6)FP-5立式明装风机盘管,风机功率为50W;7)容积式保温水箱,外形尺寸2000×1300×820,内置铜管换热器;8)自行设计的平板型太阳能集热器,单层玻璃盖板,吸热体表面涂无光黑漆,钢制壳体,单台尺寸为1340×1640,共五台,总有效集热面积为10.988m2,集热器朝向正南,倾角可随季节调节(采暖季为52°,非采暖季为38°);9)自行设计的蓄热水箱,外形尺寸1700×1700×1700,净容积为2.106m3,内置低压聚乙烯塑料圆管d32mm×2.5mm,总管长108.8m,散热面积10.94m2。箱体内装有3只U型管状水用电加热器,电热管材为d12mm紫铜管,电功率分别为1kW、1.5kW、2kW,可单独或并联使用;10)WMS1i2513020型小口径热能表,Φ20mm,公称流量为2.5m3/h,铂电阻温度传感器,德国产;11)WNG-11型金属套管式玻璃水银温度计,尾长120mm,量程分别为0～100℃、0～50℃、-30～50℃;12)ZILMET00201型闭式膨胀水箱(附安全阀及压力表),意大利产;13)S324型冷暖风机,风机功率为0.12kW。下面以典型工况——太阳能热泵供热—蓄热工况及蓄热器放热—热泵供热工况为例,来说明系统供热过程:冬季晴朗白天,载热介质在集热器中获取太阳辐射能后,流入蓄热水箱,通过箱内的换热盘管将部分热量传递给蓄热介质,然后进入蒸发器与制冷剂换热,并通过热泵循环进行供热,降温后的集热介质在管道泵的作用下又流回集热器,由此完成一次循环。夜间(或阴雨天),从蒸发器流出的载热介质不流经太阳能集热器,而是通过一根旁通管直接流入蓄热水箱,从蓄热介质中吸取热量后流回蒸发器,再通过热泵循环进行供热。如果蓄热量不足,不能以满足供热需要,则利用辅助电加热器加以补充。热泵冷凝器侧有三个并联的终端:1)风机盘管,2)容积式保温水箱,3)暖风机,可同时向房间供暖和提供生活热水。根据太阳辐射强度及热负荷的大小,利用一些阀门的启闭可实现太阳能直接供热、太阳能热泵供热及蓄热器蓄热—放热等多种运行工况的转换。目前各阀门的启闭还仅靠人工操作,但在经济允许的情况下,只需增加部分自控装置就可实现阀门的自动控制。本太阳能热泵供热系统实验台具有以下几个方面的特点:1)采用自行设计的平板型太阳能集热器(单层玻璃、涂普通黑漆),吸热体由工厂可批量生产的钢制板式散热器改造制成,从而大大箱降低了集热器造价(仅为500￥/m2);2)采用自行设计的单槽式蓄热水箱,箱内采用聚乙烯塑料盘管作为换热器,不仅减少了防冻溶液的充灌量而且节省了一个循环水泵;3)在非采暖季,太阳能集热器可与容积式保温水箱组成闭式强制循环式热水系统,能够保证24h的热水供应,既实现了节能又提高了设备的全年利用率;4)若采用特殊流体,不仅可在管路中全年循环使用,而且可实现防冻、防腐蚀和防止结垢,延长系统的使用寿命;5)可利用其它低品位热源(空气、土壤、水等)进行联合工作,实现热泵机组的“一机两用”:在冬季,其它低品位热源可弥补太阳能的不足,并充分发挥土壤或水的自然蓄热能力,减少蓄热器的投资;而在夏季同一台热泵又可作为制冷机用,进行与太阳能无关的制冷,可大幅度地提高热泵机组的全年利用率和改善机组的工作性能;6)因有蓄热装置,夏季可利用夜间电力进行蓄冷运行,不仅运行费便宜,且有助于电力错峰。2测量测试方法本实验台不仅可对温度及太阳辐射强度进行24h自动循环扫描测试以及实时的显示和分析,而且能够精确地测量各环路流量、热流量(二者均包括瞬时量和累积量)以及各种设备的耗电量等参数,既具有较高的测量精度,又节省人力。1)温度测试系统由温度传感器、数据采集/开关单元(HP34970A数据采集/开关单元)、插入式模块(HP34901A20通道衔铁继电器多路转换器)、计算机、打印机组成。温度传感器采用经过标定的18个铜-康铜热电偶,并可对测量值加以自动修正,从而提高了温度测量的精度。测温点的布置详见表1,T1～T18代表18个热电偶的测温端。2)投射到集热面上的太阳总辐射强度(光谱范围为0.3～3μm)由TBQ-2总辐射表测定,并利用HP34970A数据采集/开关单元即可实现对太阳辐射强度的自动扫描测试。3)室内、外循环管路中流体的累积流量由瑞典产的MCE08-787型累积式流量计测定,瞬时流量由国产的LZB型玻璃转子流量计测定。4)为了较准确、直观地测定集热器的集热量,在集热器进、出口管路上安装了德国产WMS1i2513020型热能表,可方便地读取集热器进出口水温度及温差、热流量及循环流量的累积值和瞬时值以及运行时间;5)本实验室内所有用电设备(包括热泵压缩机、循环水泵、风机盘管、电加热器、照明设备、计算机系统及测试仪器等14路设备)的耗电量均由DF型集中式电能表进行不间断的循环检测,可即时读取。其中压缩机的耗电量还可由瑞典产C14GIY型累积功率表测定;6)在热泵机组的蒸发器和冷凝器上分别带有S-925BC型和S-923BC型美制压力表,可直接读取蒸发压力和冷凝压力(均为表压值)。为了减少测量误差,提高测量数据的精度和可靠性,对测温热电偶、转子流量计、累积流量计等均进行了标定,并对热泵供热系数、集热器集热效率等基本实验数据进行误差分析,结果表明本实验台测试系统具有较高的精度,完全能够满足实验要求。3供热条件及密度我们选择在青岛地区的最冷月(2000年12月20日～2001年1月31日)对太阳能热泵进行供暖工况的实验。以太阳能热泵供热—蓄热工况为基本运行方式,对热泵实验室(建筑面积为41.13m2)进行昼夜24h的供暖。本实验采用酒精—水溶液(体积比1∶2)作为防冻溶液,其凝固点温度可达到-14.2℃。整个测试期间的平均室外温度为-1.56℃,最低日平均值达到了-9.25℃。测试期间,每半小时读取一次数据。3.1供热功率及耗功率由图3可见,在整个供暖测试期间,室外温度在-10～4℃之间变化(平均为-1.56℃),而室内温度在16～22℃之间变化(平均为19.32℃),符合冬季供暖的要求,说明本太阳能热泵供热系统完全满足房间冬季供暖需求。系统供热功率即为热泵机组的供热功率Qk。系统耗功率即为系统中所有耗功设备的功率之和。本实验中的系统耗功率包括压缩机功率Whp、循环水泵功率Wp及风机盘管功率Wf。系统供热系εsys数由式(1)计算得到。在图4中,系统供热功率的平均值为4.99kW,耗功率的平均值为2.29kW,平均供热系数为2.19。εsys=Qk/(Whp+Wp+Wf)(1)εsys=Qk/(Whp+Wp+Wf)(1)3.2太阳能集热器引起的热辐射集热器是太阳能供热系统中最重要的组成部分,其性能和成本对整个系统的成败起着决定性作用。本实验采用自行设计、工厂装配的低温平板型集热器,每平方米造价仅为真空管式集热器市场现价的1/3～1/4。平板型太阳能集热器的日间集热效率由式(2)计算得到。通过回归分析得出设计开发的平板型太阳能集热器的日间集热效率方程(3),适用于采用酒精—水溶液(体积比为1∶2)作为载热介质的情况。本实验中载热介质的平均瞬时流量为703L/h,按每平方米集热面积计算为0.018L/(s·m2集热面积)。η¯c=Qu/Hz=Qu/[Ac∫21Ic(t)dt]=Qu/[AcI¯c(t2−t1)](2)η¯c=0.6362−3.2583(t¯c,i−t¯a)/I¯c(3)η¯c=Qu/Ηz=Qu/[Ac∫12Ιc(t)dt]=Qu/[AcΙ¯c(t2-t1)](2)η¯c=0.6362-3.2583(t¯c,i-t¯a)/Ι¯c(3)式中,Qu——太阳能集热器日间8小时(8∶00～16∶00)集热量,kJ;Hz——日间太阳辐射总量,kJ;也按8小时(8∶00～16∶00)计算;Ac——太阳能集热器的集热面积,m2;Ic——太阳辐射强度,kW/m2;I¯cΙ¯c——积分时间(8小时)内的平均值;t1,t2——分别为积分初、终时间值,s。由图5可见:1)太阳能集热器的日间集热量随着日总太阳辐射量的变化而变化,且波动较大。说明若采用太阳能直接供暖,不仅供热量极不稳定,而且供热量与热负荷之间的平衡性也较差。2)日总太阳辐射量与日间集热量的差值反映太阳能集热器的集热效率,二者差值越小,说明太阳能集热器的集热效率越高。3)在整个供暖测试期间,日间8h太阳辐射总量的平均值为31.67kWh,日间集热量的平均值为21.29kWh,平均集热效率高达67.2%(集热面倾角为52°)。由于在本实验工况下,集热器与热泵蒸发器串联工作,集热器的工作温度大部分时间低于室外温度,从而大大减少了集热器热损失,甚至可从空气中吸收一小部分热量,因此集热器的集热性能明显改善,并且太阳辐射越弱,效果越明显。由此可知,实际测得的集热效率不是单纯反映集热器吸收太阳辐射能的性能,而是反映了集热器从周围环境中获取热量的性能。3.3蓄热系统与集热器的串联对集热功率的影响对于太阳能供热系统而言,为了弥补太阳能的不稳定性和间断性,蓄热往往是必要的条件,即把太阳能集热器在晴朗白天吸收的部分太阳辐射能储存起来,以备夜间或阴雨天使用。本实验采用单槽式低温蓄热器,内置聚乙烯塑料换热盘管。盘管进口与集热器出口连接,出口与蒸发器进口连接,使来自集热器的载热介质通过换热盘管把一部分热量传递给蓄热介质,然后流入蒸发器与制冷剂进行换热。这种太阳能集热器、蓄热器与热泵蒸发器相串联的系统形式,不仅有利于减小集热器和蓄热器的散热损失,提高其工作性能,而且节省集热器与蓄热器之间的循环水泵,简化了系统。本实验中换热盘管内的平均流速约为0.2m/s。由图6可见:蓄热水箱的日平均放热功率与太阳能集热器的日平均集热功率的变化趋势相反,二者联合工作的结果是使得集热—蓄热子系统的日平均放热功率的变化趋于平缓,从而保证了蒸发器日平均吸热功率比较稳定,说明蓄热水箱起到了良好的热量平衡作用。如果系统长时间连续从水箱内取热,则水箱内的水温会不断降低,甚至使得换热盘管外表面结冰。结冰增大了管外的换热热阻,但同时也增大了水箱的蓄放热能力,其对系统性能的影响还有待于进一步分析和研究。3.4供热系数分析在供暖测试期内,本热泵机组的平均吸热功率为3.01kW,平均供热功率为4.99kW,压缩机平均耗功率为1.96kW,与此同时室外平均温度为-1.56℃,供暖房间平均温度为19.32℃。说明本热泵机组供热量完全能够满足热泵实验室工作间冬季供暖需求。在图7中,本热泵机组的平均蒸发温度为-9.10℃,平均冷凝温度为54.54℃,机组平均供热系数为2.55。分析本机组供热系数偏小的原因,主要有以下两点:1)影响热泵供热系数的主要因素是冷凝蒸发温度差。由图8可见,在本实验工况下蒸发温度比较稳定,供热系数受冷凝温度的影响较大,其随冷凝温度的降低有明显的提高。因此,若适当增大热负荷,降低冷凝温度,可使供热系数进一步提高。例如采用低温热水地板辐射采暖方式,不仅能够提高室内舒适度,而且能够大幅度提高热泵及系统的供热系数,充分发挥太阳能热泵供热系统的优越性。2)压缩机类型及工作性能也是影响热泵供热系数的重要因素之一。本热泵机组为老式活塞式,且整个热泵机组已使用多年,因而限制了机组性能系数的进一步提高。3.5sahp供热系统典型方案设计已知热泵的供热性能系数,根据热泵理论及有关实验数据可得出单位冷凝器供热量所需的集热面积、换热盘管长度及其换热面积、蓄热水箱容积(见表2),可直接应用于实际工程设计及校核计算。从表2可以看出,热泵机组的供热系数COP越高,系统各主要设备的初投资也越大,但系统运行费用越少,所以在实际工程设计中需要将系统性能与投资回收结合起来进行综合考虑。应当指出,对于本实验所设计开发的太阳能热泵供热系统形式,蒸发温度的高低直接影响太阳能集热器及蓄热水箱的工作性能,同时热泵机组的热力参数与系统整体供热性能及节能效果密切相关。因此,在参考上述实验结论进行SAHP供热系统设计时,应注意本热泵机组(压缩机为活塞式,制冷剂为R22)热力参数的变化范围:蒸发温度为-11.46～-6.68℃,冷凝温度为45.