太阳能热泵系统的节能环保性

太阳能热泵系统的节能环保性

1太阳能热泵供热简介太阳能不仅是人类能量的主要来源，也是一个没有污染和丰富的自然能源。在能源和环境问题已成为人类面临的两大社会问题的今天,太阳能的利用得到了越来越广泛的重视。利用热泵与太阳能设备、蓄热机构相连接,向建筑物提供热水,不仅可以节约高位能,而且减少了环境污染。目前,我国对太阳能热泵供热水系统的研究基本上处于实验研究阶段,在这种背景下,课题组建立了太阳能热泵多功能实验台,可以完成冬季启动热泵供暖和春、夏、秋季太阳能直接供热水实验。本文着重介绍了实验台的设计,并对实验台测试数据进行了误差分析,为太阳能热泵供热水系统的设计提供理论指导。2太阳能热泵供热系统太阳能热泵供热实验台是在青岛建筑工程学院热泵实验室原有设备及管路系统的基础上,增加了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和设备连接情况如图1所示。该系统采用非直膨胀式串联系统,可根据太阳辐射强度和房间热负荷的变化进行多工况的调节,实现太阳能热泵的常规运行(即白天蓄热供热运行),夜间运行(即夜间或阴雨天取热供热运行)及太阳能直接供热运行,以满足房间的冬季采暖和供应热水的需求。该系统的主要优点是:(1)采用了自行研制的低温平板集热器,集热效率高达60%～80%;(2)热泵通过利用低位能可在输入1份高位能的情况下输出3份左右的热能,节能效果明显;(3)在过渡季,利用集热器直接供应生活热水,不仅节能,而且提高设备利用率和系统全年供热系数;(4)太阳能可以利用集热器获得,不需要挖掘和运输,对环境也无污染。3太阳能热泵供热系统设计太阳能热泵供热系统在我国研究较少,至今还没有一套完整的太阳能热泵供热系统的设计方法。该系统的供热对象是多功能热泵实验室,总建筑面积为61m2,其中工作间为41.13m2。3.1太阳能热泵供热集热器是太阳能供热系统中重要的部分,其性能和成本对整个供热系统成本起主要作用。太阳能热泵供热系统最大优点是采用价格便宜,构造简单、成本低的低温平板集热器。课题组研制了适合青岛地区气候条件、集热效率高、在太阳能热泵供热系统中性能稳定的低温平板集热器。3.1.1层压板、透明盖层集热器结构如图2所示,集热器的安装如图3所示。集热器吸热体采用钢板式散热器作为太阳能集热板,并对其表面进行除锈、喷涂无光黑漆(吸收率α=0.9～0.98),单片集热板尺寸1600mm×650mm,透明盖层采用单层浮法玻璃,玻璃盖板尺寸1640mm×1340mm,厚度为5mm,太阳能透过率τ=0.88～0.91。集热板背部岩棉厚度为100mm,侧面岩棉厚度为50mm。集热器采用1.5mm的普通热轧薄钢板作为壳体材料。3.1.2太阳能热泵供热供热简介集热面积是太阳能热泵低温地板辐射供暖系统设计的主要参数。目前尚未有一套成熟的符合国情的设计方法。课题组在研究开发太阳能热泵供热系统的基础上,确定集热面积可以根据房间热负荷、热泵性能系数和青岛地区气象参数,并对集热器性能做适当假设来确定。在此基础上,设计单台集热器结构尺寸和集热器数量。根据青岛地区某节能建筑的热工测试结果,此建筑冬季最冷月平均24小时供暖热负荷Qk=195327kJ/d。为满足房间昼夜供暖需要,热泵供热系数取2.5计算,则由集热器提供的理论集热量为Qu=117223kJ/d。如果遇到阴雨天,则需启动辅助热源。青岛地区正南朝向γ=0°,倾斜角β=52°(青岛地区纬度加15°)的单位面积1月份平均总太阳辐射量Ic=16803kJ/(m2·d)。根据前文所述,太阳能热泵供热系统低温平板集热器集热效率高达50%～70%,取集热效率70%,则由等式:Qu=(AcIc)ηc可求集热面积:Ac=Qu/(Icηc)=9.97m2式中Qu——最冷月理论集热量,kJ/d;Ac——集热面积,m2;Ic——单位面积最冷月份平均总太阳辐射量,kJ/(m2.d);ηc——最冷月平均日集热效率。考虑到玻璃盖板和钢板规格,单台集热器尺寸为2100mm×1100mm,系统需要5台集热器。3.1.3集热介质集热器在冬季夜间不使用,当室外气温长时间处于0℃以下,集热器及其连接的管路中存水将结冰,导致集热器或管件损坏,此外由于蒸发器的工作温度较低,为防止水在蒸发器内冻结,也必须采用防冻液替代水作为集热介质。在集热环路可以采用工业酒精和水的混合物作为防冻液(体积比1:2,凝固点可达-14.2℃)。3.2太阳能集热器的间断性太阳能热泵供热系统中蓄热目的主要为了弥补太阳能的不稳定性和间断性,即把太阳能集热器在晴朗白天吸收的部分太阳能储存起来,以备夜间和阴雨天使用。实际使用的蓄热介质中,水的传热性能和流体性能较好,体积比热大,在低温条件下常选用水为蓄热介质。3.2.1采暖工况设计蓄热容积的大小与集热量、换热效率以及热负荷的变化等因素有关。此外,还需考虑蓄热成本对系统经济性的影响。由于在太阳能供热系统中集热量随太阳辐射强度变化,所以对蓄热水箱进行周密计算,其意义不大。本文采用估算方法进行计算。蓄热容积可采用下式计算:V=Qu−Qy(ρc)wΔt(1−ηx)V=Qu-Qy(ρc)wΔt(1-ηx)式中V——蓄热容积,m3;Qu——集热器有效集热量,kJ/d;Qy——日照期间用热量,kJ/d;(ρc)w——蓄热介质体积比热,kJ/m3.℃;Δt——蓄热介质利用温差,℃;ηx——蓄热介质热损失率。根据冬季日平均日照数,假定一天中1/3时间有阳光,日照期间得热量为Qy=1/3×117223=39074kJ/d,水的体积比热为4200kJ/m3.℃,供暖工况下蓄热介质的利用温差Δt一般为10～15℃,设计采用12℃。安装在室外的蓄热水箱,即使采用厚100mm的隔热材料,冬季热损失系数也高达20%～40%,设计蓄热水箱采用200mm岩棉保温,且工作温度较低,取热损失率为20%,则蓄热容积为1.93m3。3.2.2导热系数w系统可采用聚乙烯塑料管作为蓄热水箱的换热盘管。塑料管外径为32mm,壁厚2.5mm,导热系数0.373W/m。由于蓄热水箱内换热过程复杂,本设计采用参考文献提供单位供热量所需换热盘管长度24.1m/kW,则换热盘管长度l=24.1×195327/(24×3600)=54.5m。3.2.3蓄热水泵设计蓄热水箱的形状一般有矩形和圆筒形。矩形水箱易于加工且成本较低,但散热面积大,需要较多保温材料,承压能力低。系统可采用矩形水箱,对箱体的结构和保温都做了处理,以克服其承压能力差、保温困难的缺点。蓄热水箱的常用材料有混凝土、钢板、不锈钢和玻璃钢。考虑蓄热水箱经济性和耐久性,蓄热水箱采用厚3mm钢板焊制水箱主体结构,用厚1.2mm钢板焊制水箱外壳,并在箱体四周及底面用角钢进行加固。蓄热水箱内容积尺寸为1250mm×1250mm×1250mm,净容积为1.95m3。蓄热器的基本结构如图4所示。4实时扫描测试通过对原有测试系统的改进,本实验台不仅可以对大量温度测点及太阳辐射强度进行24小时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积累量)以及各种设备的耗电量等参数,既提高了测试的精度,又节省了人力。4.1温度测量测量板设计温度测试系统由温度传感器、数据采集/开关单元、插入式模块、计算机、打印机组成。为研究系统的供热性能以及系统各设备的工作性能,本实验需要设置大量的温度测点。根据测温范围、热电偶的灵敏度以及测量误差的要求,选择铜-康铜(T型)热电偶作为温度传感器。本实验利用直流电弧焊装置自制了18个铜-康铜热电偶,然后对其进行了标定,得出了各个热电偶的温度修正系数,并利用HP34970A数据采集/开关单元的定标功能对测量值加以修正,从而提高了温度测量的精度。HP34970A数据采集/开关单元具有精确的测量能力、方便的数据记录特性及灵活的数据采集/开关特性。仪器后部内置有三个模块插槽,适用于任何数据采集或开关模块的组合。可利用热电偶、电阻温度检测器及热敏电阻来测量温度,也可直接测量直流/交流电压、电流、频率和周期,并可存储多达50000个带有时间标记的间隔扫描读数。通过标准的HP-IB(IEEE-488)或RS-232接口可将仪器与计算机连接,然后在Windows下运行HPBenchLinkDataLogger程序就可方便地进行测试设置、采集和归档数据以及对输入的测试数据执行实时显示和分析。插入式模块为20通道HP34901A20衔铁继电器多路转换器。该模板具有T/C补偿功能,内置式绝热块(热电偶参考结),可在测量热电偶时最大限度地减少因热梯度而产生的误差,测温误差<0.03℃。20个通道均切换HI和LO输入,因此可为内部数字万用表提供完全隔离的输入,开关速度高达每秒60个通道。4.2热电势测量系统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总辐射表按热电效应原理测定。感应元件为表面涂有高吸收率黑色涂层的绕线电镀式多接点热电堆。热结点在感应面上,冷结点位于机体内,通过测量冷热结点产生的温差电势即可换算得出太阳辐射强度。为减小温度的影响,表内配有温度补偿线路;为减小室外环境的影响,表面采用双层石英玻璃罩。该表的灵敏度为7.464μV/W·m-2,感应时间≤30s,稳定性和非线性均达到±2%,在线性范围内其输入信号与太阳辐射强度成正比。辐射表的安装角度与集热器倾角相同。根据辐射表的热电势测量原理,将辐射表的正负接线分别连接到HP34901A20模块内第19通道的测量螺旋端子HI(+)、LO(-)上,通过前面板或远程接口操作进行直流电压测量设置,并利用HP34970A数据采集/开关单元的定标功能将测得的温差电势值转换成太阳辐射强度值。由此,太阳辐射强度的测量同温度测量一样实现了完全的自动化。4.3基于wmsli520型热量表室内、外循环管路中流体的积累流量由瑞典产的MCE08-787型积累式流量计测定,瞬时流量由国产的LZB型玻璃转子流量计测定。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WMSli2513020型热能表,该表将multidataS1热计量仪与DN20口径的ETHI-XL流量计配套使用,采用铂电阻Pt100作为温度传感器,测量灵敏度<0.01。轻触菜单功能键INFO,即可方便地读取累积热流量及流量、供回水温度及温差、瞬时热流量及流量以及运行时间。4.4回收式电能表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。5试验平台误差分析5.1研究间接测量的误差本实验利用各种仪表测的温度、流量、电功率等基本参数,再根据一定的函数关系式计算得到集热器、蓄热器的热工特性、热泵机组的供热性能等基本实验数据。在直接测量中,测量误差就是被测量的误差;但在间接测量中,测量误差是各个直接测量值误差的函数。因此,研究间接测量的误差也就是研究函数误差。根据间接测量的误差传递原理,函数误差的基本公式如下:设有函数:y=f(x1,x2,…xn)令Δx1,Δx2,…Δxn分别表示直接测量值x1,x2,…xn的绝对误差,Δy为由Δx1,Δx2,…Δxn引起的y的绝对误差,则有:Δy=∂f∂x1Δx1+∂f∂x2Δx2+⋯+∂f∂xnΔxn=Σi=1n∂f∂xiΔxiΔy=∂f∂x1Δx1+∂f∂x2Δx2+⋯+∂f∂xnΔxn=Σi=1n∂f∂xiΔxiy的相对误差为:Δyy=1y(∂f∂x1Δx1+∂f∂x2Δx2+⋯+∂f∂xnΔxn)=Σi=1n1y∂f∂xiΔxiΔyy=1y(∂f∂x1Δx1+∂f∂x2Δx2+⋯+∂f∂xnΔxn)=Σi=1n1y∂f∂xiΔxi5.2集热流体的密度下面以集热器集热效率的误差分析为例,说明实验数据的误差分析方法。瞬时集热效率:ηc=quIcAc=ρlclVl(tc‚or−tc‚i)3600IcAcηc=quΙcAc=ρlclVl(tc‚or-tc‚i)3600ΙcAc式中qu——集热器有效集热量,W;Ic——太阳辐射强度,W/m2;Ac——集热器集热面积,m2;ρl——集热流体平均密度,kg/L;cl——集热流体平均比热,kJ/kg.℃;Vl——集热流体的瞬时流量,L/h;tc,i,tc,o——集热器的供、回水温度,℃。瞬时集热效率ηc的绝对误差Δηc为Δηc=∂ηc∂VlΔVl+∂ηc∂tc‚oΔtc‚o+∂ηh∂tc‚iΔtc‚i+∂ηc∂IcΔIc=ρlcl3600[tc‚o−tc‚iIcΔVl+VlIcΔtc‚o−VlIcΔtc‚i−Vl(tc‚o−tc‚i)I2cΔIc]Δηc=∂ηc∂VlΔVl+∂ηc∂tc‚oΔtc‚o+∂ηh∂tc‚iΔtc‚i+∂ηc∂ΙcΔΙc=ρlcl3600[tc‚o-tc‚iΙcΔVl+VlΙcΔtc‚o-VlΙcΔtc‚i-Vl(tc‚o-tc‚i)Ιc2ΔΙc]瞬时集热效率ηc的最大相对误差为∣∣Δηcηc∣∣=∣∣ΔVlVl∣∣+∣∣Δtc‚otc‚o−tc‚i∣∣+∣∣Δtc‚itc‚o−tc‚i∣∣+∣∣ΔIcIc∣∣|Δηcηc|=|ΔVlVl|+|Δtc‚otc‚o-tc‚i|+|Δtc‚itc‚o-tc‚i|+|ΔΙcΙc|(1)修正值误差的近似集热介质瞬时流量采用LZB-25型玻璃转子流量计来测量,并乘以由标定得到的修正系数,因此,修正值的误差可近似认为与标定的误差相同。流量计是采用重量法进行标定的,通过对重量法测得流量进行分析,得到其最大相对误差为1.33%,即:∣∣ΔVlVl∣∣=1.33%|ΔVlVl|=1.33%(2)温度测量切换误差集热器供、回水温度是以热电偶作为温度传感器,通过自动测试系统进行测量和修正的。经过标定的热电偶可近似地认为与标定所用的标准水银温度计具有同样的精度(0.2级)。水银温度计的最小刻度为0.1℃,满量程为50℃,则热电偶的测量误差为±(0.2%×50)=±0.1℃。在-100～400℃量程内,自动测试系统一年的温度测量切换误差和传感器转换误差仅为1.0℃,在此可忽略不计。测试中集热器供、回水平均温差为6.7℃,故:∣∣Δtc‚otc‚o−tc‚i∣∣=∣∣Δtc‚itc‚