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太阳能辅助地源热泵联合供暖(制冷)运行模式分析点击：1910 日期：[ 2014-04-26 21:39:28 ] |
| 太阳能辅助地源热泵联合供暖(制冷)运行模式分析 李朝佳 孙友宏 吴晓寒 (吉林大学建设工程学院,吉林长春130026) 摘要：太阳能和地源热泵联合供暖系统以其良好的节能和环保特性,近年来得到国内外众多学者和研究机构的广泛关注。总结了国内外地源热泵和太阳能集热器联合供暖(制冷)技术的发展现状和最新研究动态,介绍了太阳能辅助地源热泵联合供暖(制冷)的技术和特点,指出太阳能辅助地源热泵供暖(制冷)技术具有较好的发展前景。 关键词：地源热泵;太阳能;联合运行模式 中图分类号：TU833. 3 文献标识码：A 文章编号：1004-3950(2008)06-0061-04 0 引 言 随着全球性能源危机的加剧和环境的恶化,节能和环保已经成为世界各国发展的主题,可再生能源的开发利用与节能减排受到了广泛的重视。 太阳能—地源热泵联合供暖(制冷)系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。太阳能与地源热泵联合供暖可以互相取长补短,发挥各自的优势,弥补单一热源热泵的不足,提高热泵系统的COP值[1]。一方面由于土壤具有蓄能、稳定性及延迟性的特点,可以作为太阳能的蓄热装置,储存热量以供太阳能不足时使用。另一方面,由于太阳能的辅助供热作用,使得地热换热器可以间歇运行,土壤温度场能够得到及时恢复,热泵的蒸发温度及冷凝温度波动不大,从而保证热泵的稳定运行。 开展多种能源的联合使用,进行优势互补,是能源利用方式的发展趋势,利用太阳能—地源热泵联合供暖(制冷)系统是节能减排的有效手段。 1·国内外发展现状 地源热泵技术最早出现于1912年,最近10年在欧美工业发达国家取得了迅速的发展。但对于地下换热器性能的研究真正开始于1946年,美国进行了12个地下盘管的研究项目, 1953年美国电力协会的结论认为,这些实验还是没有提供可供使用的设计方案。20世纪50年代初,英国的Sumnert和Von Cube安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1950年以后,国外对地源热泵系统进行了大量的试验研究和数值分析,提出了许多地源热泵的基础理论,为地源热泵及太阳能集热器联合或交替使用的联合供暖系统的发展提供了良好的基础。把太阳能集热器和埋入土壤中的换热器相结合以把太阳热能储存在土壤中的设想是由美国的Penrod于1965年首次提出的, 1969年Penrod又给出了系统的设计过程,包括太阳能集热器与埋管换热器的设计方法。随后,用于计算系统联合运行时太阳能集热器与埋管换热器的结构参数的复杂理论也应运而生。1978~1981年,美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven Na-tionalLaboratory)对带圆柱型地下储能罐的串联太阳能热泵系统进行了试验与模拟研究,研究结果表明:在冬季采暖运行工况下,地下储能罐可以使太阳能热泵工作性能更稳定,而且可以减小辅助热源装置的容量。2003年,美国的Andrew DChiasson与CenkYavuzturk用TRNSYS作为平台,对带有太阳能集热器的地源热泵系统进行了模拟研究,采用了包括芝加哥、盐湖城和丹佛在内的具有不同气候特点的6个美国城市的气候参数进行了为期20 a的模拟,证明了联合系统的节能效果[2]。同年,土耳其的OnderOzgener和ArifHep-basli对配备了50m U型埋管换热器的联合系统进行了实验研究和经济技术分析[3]。土耳其的M·Inalli应用复数有限傅立叶变换CFFT(Com-plexFinite FourierTransform)和有限差分方法,模拟分析了带地下圆柱形储能罐的太阳能供热系统的地下温度场分布,并就集热器面积、储能容器容积及其埋设深度等因素,对地下温度场分布的影响进行了比较分析[4]。 我国利用低温地能的研究起步于20世纪50年代,自80年代以后,利用低温地能的热泵技术才日益受到重视。采用地下耦合热泵系统的上海闵行经济技术开发区办公楼,开创了中国应用地源热泵技术的先河。到1999年底,全国大约有开式地源热泵系统100套,但至今采用闭式循环系统运行的工程实例并不多,仅在重庆大学、山东建工学院和河北建筑科技大学、吉林大学等建有封闭循环系统的示范工程。2001年,哈尔滨工业大学在Kelvin线源理论的基础上,对地源热泵间歇运行时土壤温度变化情况进行了模拟分析,从而确定了哈尔滨地区太阳能和地源热泵联合供暖系统最佳的运行时间分配比例[5]。2003年,哈尔滨工业大学又针对北方寒冷地区地源热泵长期运行出现的问题,对太阳能深层土壤蓄热进行了实验研究,验证了跨季度利用太阳能的可行性[6]。2005年,东南大学对太阳能—土壤源热泵系统的交替运行性能进行了数值模拟,确定了青岛地区联合供暖系统的运行时间分配比例[7]。 纵观国内外研究现状,地源热泵及太阳能集热器联合供暖技术在中国目前还只处在初步开发阶段,没有形成整套完整的理论。同时,结合实际工程的研究还不够,没有充足的基础数据,不能为其应用及推广提供坚实的理论依据。但是已有的研究已经证明,联合供暖系统对于以冬季采暖为主的寒冷地区具有明显的节能与环保效果。 2·太阳能辅助加热的地源热泵系统 2. 1 系统组成 太阳能—地源热泵系统由太阳能集热器、地热换热器、热泵机组及其他附属设备组成,末端采用地板辐射空调系统,系统原理见图1(虚线框内为辅助加热部分)[8]。 2. 2 系统优点 地源热泵及太阳能集热器联合供暖系统是以太阳能和低温土壤热能为复合热源的热泵系统,属于太阳能和土壤热能综合利用的一种形式。太阳能与土壤热的结合具有很好的互补性,太阳能可以提升地源热泵系统循环流体温度,提高运行效率;土壤热可以补偿太阳能的间歇性和不稳定性,弥补单一太阳能热泵系统不能在阴雨天及夜晚时间运行的缺点;同时,地下埋管换热器还可以将日间或夏季富余的太阳能储存在换热器周围的土壤中,不仅能起到恢复土壤温度的作用,而且可以减小其他辅助热源或蓄热装置的容量。 地源热泵及太阳能集热器联合供暖系统的研究对提高能源的利用效率、加大可再生能源利用程度、减低氯氟烃(CFC)对大气臭氧层的破坏和节能减排都将起到积极的作用,为解决建筑空调领域的能源与环境的和谐发展问题奠定基础。 3·联合供暖的运行模式 联合供暖系统的运行模式是指在不同的环境、气候和供暖、制冷负荷条件下,地源热泵系统和太阳能集热器系统不同的运行状态和组合方式。 3. 1 串联运行模式 在串联运行模式中,循环水流经埋管换热器和太阳能集热器顺序的不同会导致系统各组件不同的进出水温度,进而影响系统的整体运行特点,因此可以根据不同情况,通过改变循环介质流经太阳能集热器和地下埋管换热器的顺序来实现不同的系统功能[9]。 第一种串联模式是循环介质先流经埋管换热器,再进入太阳能集热器。这种情况下,太阳能集热器可以将被埋管换热器加热过的循环介质再次加热,然后直接将高温介质输送到风机盘管系统进行供暖,实现热泵不开机直供供暖的目的(见图2)。 第二种串联运行模式和第一种相反,循环介质先流经太阳能集热器,再进入埋管换热器。在日照充足、太阳能集热器的供热能力大于建筑的热负荷时,选用这种运行模式可以将富余的太阳热能输送到地下土壤中,提高土壤温度的恢复速度(见图3)。 3. 2 并联运行模式 在并联运行模式中,热泵机组地源侧循环水通过分水器分流后,同时进入埋管换热器和太阳能集热器,然后再汇合在一起进入热泵机组。(见图4)。 介质的分流比例可以通过分流装置智能调节,如果日照条件较好,则可增大太阳能集热器管路的流量,从而减轻地下土壤的供热负荷,保证系统在长时间运行工况下有较好的运行效率;如果光照较弱,则可以减少甚至完全关闭太阳能集热器管路的流量,增大埋管换热器的取热量,以保证建筑热负荷的需要。 3. 3 交替运行模式 冬季建筑物热负荷较大,而此时太阳辐射强度低,集热器的集热量和集热效率降低,使得太阳能热泵所能提供的热量不能满足建筑物的热负荷要求,因此单独采用太阳能热泵进行供暖存在着热量供需不平衡的现象。针对这种情况,采用地源热泵与其联合运行,利用土壤的蓄热性能、温度的延迟性及稳定性等特点,来保证热量的供需平衡。白天采用太阳能集热器给热泵系统提供热源,夜间或阴天改用地源热泵供暖。在这种交替运行模式下,地源热泵系统的连续运行时间大幅度减少,土壤温度场在白天使用太阳能供暖时能够得到一定程度的恢复,从而保证地源热泵的运行效率能够维持在一个较高的水平上。同时,地源热泵系统中的埋管换热器能实现土壤蓄热的功能,可以省去储热水箱或减小其容量。 4·夏季制冷工况下运行模式 在夏季制冷运行工况下,由于太阳能集热器只能作为热源使用,无法实现制冷运行,因此系统的运行模式和冬季供暖工况完全不同。在制冷循环中包含两套循环系统: (1)载冷剂循环,地热换热器中的载冷剂将热泵冷凝器释放出的热量排入土壤中,载冷剂温度降低后回到热泵冷凝器中;(2)制冷剂循环,热泵中的制冷剂将蒸发器中的热量转移到冷凝器中。经过两套循环系统,达到制冷的目的[1]。此时,太阳能集热器的主要功能是将整个夏季富余的太阳热能通过埋管换热器储存在地下土壤中,以供冬季使用。为了不影响地源热泵的制冷效率,必须实现地源热泵和太阳能集热器的交错运行。这是因为当连续制冷时,土壤温度场得不到及时恢复,使得地温不断升高,导致热泵制冷(制热)系数不断下降。把一定数量的埋管换热器分配给太阳能集热器,专门用来给土壤蓄热,其余的埋管换热器配合热泵系统的制冷运行。这种运行模式的优点在于不用给太阳能集热器配备蓄热水箱,可降低系统成本,并减少水箱蓄热过程中的热量损失。 5·结 论 (1)针对不同季节的工况特点和需要实现的功能,可通过自动控制系统并配合手动调节的方式来切换联合供暖系统不同的运行模式。 (2)由于太阳能的辅助供热作用,可以实现系统向地下排热与取热的平衡,从而使得地下温度场保持稳定的变化,机组运行工况稳定。 (3)采用太阳能集热器辅助热源供热时,机组的蒸发温度提高,使得热泵压缩机的耗电量减少,可节省运行费用。太阳能辅助地源热泵联合供暖(制冷)系统是一种性能良好、经济可行且无污染的技术,将成为今后发展的方向。 参考文献 [1]胡松涛,张 莉,王 刚.太阳能—地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨[ J].暖通空调,2005(3): 41-44. [2]CHIASSONAD, YAVUZTURK C. Assessmentof the vi-ability of hybrid geothermalheatpump systemswith solarthermal collectors[C]// Kansas, United States: AmerSocHeating, Air-ConditoningEng Inc,2003:487-500. [3]OZGENER O, HEPBASLI A. Experimental perform-ance analysis of a solar assisted ground-source heatpump greenhouse heating system [J]. Energy andBuildings, 2005, 37(1): 101-110. [4]INALLIM. Design parameters for a solar heating sys-tem with an underground cylindrical tank[J]. Energy,1998, 23(12): 1015-1027. [5]余延顺,廉乐明.寒区太阳能—土壤源热泵系统太阳能保证率的确定[J].热能动力工程, 2002(4):393-396. [6]林 媛.太阳能深层土壤蓄热的数值模拟与实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2003. [7]杨卫波,施明恒,董 华.太阳能———土壤源热泵系统(SESHPS)交替运行性能的数值模拟[J].热科学与技术, 2005, 4(3): 228-232. [8]王侃宏,董呈娟,李保玉.太阳能辅助地源热泵供热的可行性研究[J].节能, 2006(3): 33-36. [9]吴晓寒.地源热泵与太阳能集热器联合供暖系统研究及仿真分析[D].长春:吉林大学, 2008. |
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