太陽能水源熱泵系統供暖應用分析

張龍 張子平 龔凱

摘 要：文章介紹了青海某小區太陽能水源熱泵供暖系統。該系統由太陽能集熱器、水源熱泵、儲熱水箱、控制系統、末端設備等幾部分組成。介紹了系統的3種運行工況。通過對集熱系統監測，得出了太陽能集熱系統效率，太陽能保證率；通過太陽能熱泵系統運行分析，得出該系統具有較高的COP。

關鍵詞：太陽能；熱泵；集熱器

1 系統構成

本系統設計目的是為滿足青海省樂都市某小區冬季供暖的需求，系統主要由真空管太陽能集熱器、熱泵機組、儲熱水箱、自動控制系統等幾大部分組成。

2 系統分析

2.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器是太陽能供熱采暖系統中吸收太陽輻射并將所產生的熱能傳遞給傳熱介質的裝置，根據集熱器的防凍、承壓、減少換熱損失、初投資等要求，選用玻璃真空管集熱器。其集熱器效率為：

（1）

式中集熱器單獨吸熱時的平均效率，m為集熱器加熱水的質量，kg；cw為水的平均比熱容，kj/kg℃；ΔT為集熱器溫升，℃；AC為太陽能集熱器的有效采光面積，m2；Ieff（t）為太陽輻照度。

2.2 儲熱水箱傳熱計算分析

系統設置了玻璃鋼儲熱水箱。集熱器與水箱之間無換熱器。水箱內水的焓增量等于集熱器傳給水箱的熱量減去水箱傳給負荷的熱量熱損失，寫成數學形式為：

當系統無負荷運行時： （2）

當系統有負荷運行時： （3）

式中，m水箱的水量；Q蓄熱水箱提供的供暖負荷；U水箱的熱損失系數；AS水箱的表面積；ts水箱溫度；Ta環境溫度。

2.3 太陽能水源熱泵系統性能計算

由于太陽能本身能量密度低，受時間、天氣等條件限制，要使系統能夠全天候的工作，輔助系統是必不可少的。本系統采用了一臺水源熱泵機組作為輔助。在太陽能完全不能利用的極端情況下，熱泵能完全滿足供暖需求。系統COP為：

（4）

式中COPh為熱泵綜合性能系數；Qc（t）為熱泵冷凝器側的放熱功率，KW；W（t）為熱泵壓縮機功率，kw。

3 工程實例分析

3.1 系統方案設計

本系統安裝在青海省某小區，建筑物為一棟居民樓，系統用于24戶居民共計3200m2冬季供暖。供暖末端采用地板輻射系統，循環水溫要求在35～45℃之間，能夠滿足冬季房屋不低于18℃的要求。經計算，選取了功率40KW，制熱量為160KW的水源熱泵機組；集熱器面積為400m2；玻璃鋼儲熱水箱體積為40m3。

3.2 系統運行方案

該太陽能水源熱泵系統的運行原理為集熱器將太陽輻射能轉化為熱能，被循環系統中的水吸收，直接將熱量交換并儲存在儲熱水箱。太陽能部分的換熱循環采用溫差控制。集熱器和儲熱水箱中安裝感溫探頭，當集熱器中水溫比水箱水溫高出15℃時，循環泵開始循環，當溫差下降到10℃時關閉循環泵。

3.3 集熱系統效率檢測方法及數據處理

集熱系統效率：在測試期間內太陽能集熱系統有用得熱量與同一測試期內投射在太陽能集熱器上的太陽輻照量之比。集熱系統效率用下式計算：

（5）

式中：？濁-集熱系統效率，%；QC-測試期內太陽能集熱系統的有用得熱量，MJ；A-太陽能集熱器采光面積，m2；H-測試期內每平米太陽能集熱器采光面上的太陽輻照量，MJ/m2。

3.4 日太陽輻照量H檢測方法

在屋頂無任何遮擋處，與集熱器相同傾角安裝一個用以記錄太陽輻照量的總輻射表?？傒椛浔碜詣佑涗浢刻斓奶栞椪樟?，此值再乘以集熱器采光面積即為有效測試期間投射到集熱器采光面積上的太陽輻照量H。

3.5 采暖季太陽能保證率計算

采暖季太陽能保證率：太陽能采暖系統中由太陽能集熱系統提供的熱量QC與系統采暖耗熱量QW之比。采暖季工況太陽能保證率用下式計算：

（6）

3.6檢測結果

采暖季測試期間集熱系統得熱量、集熱系統效率、采暖耗能量、太陽能保證率檢測結果如表1。

表1 太陽能部分數據檢測結果

在系統運行期間，每個月選取有代表性的8天進行性能測試，冬季共測試了40組數據，從圖2可以看出，熱泵系統的冬季供暖cop可以達4.98左右。

圖2 系統供暖時的性能系數

4結束語

（1）太陽能熱泵系統根據當地日照條件強弱和建筑物采暖負荷變化采用不同運行模式，即可提高熱泵運行效率，又能提高太陽能利用率。使得太陽能通過熱泵提升后合理應用。（2）通過對集熱系統的監測及數據計算，得出了該系統在冬季集熱效率在20%以上，太陽能保證率在40%以上。對太陽能熱泵系統的運行數據分析，得出了該系統運行具有較高的cop值，節能效果顯著。（3）青海地區的氣候和水源地質條件是決定太陽能熱泵系統的關鍵因素，通過后期跟蹤監測，該系統在青海地區具有良好的應用前景。

參考文獻

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[2]曲世琳，馬飛，吉玉寶，等.基于太陽能熱泵技術的嚴寒地區供暖系統改造設計與實測分析[J].南京理工大學學報，2010.

[3]李哉洪，白寧，馬偉斌，等.大型太陽能空調/熱泵系統[J].太陽能學報，2006.

作者簡介：張龍（1988，1-），男，江西樂平人，碩士研究生。