太陽能熱泵供暖實驗平臺設計

魏毅立， 馬利斌

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

太陽能熱泵供暖實驗平臺設計

魏毅立， 馬利斌

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

開發了一套與科研教學相結合的太陽能熱泵供暖平臺。平臺由太陽能平板集熱器、變頻器、壓縮機、水箱、電子膨脹閥、檢測系統以及DSP控制系統構成。太陽能作為平臺的低溫熱源，通過熱泵轉化成高溫熱源，在此過程中檢測工質和環境溫度，流量、壓力以及太陽能輻照強度，依據檢測量通過DSP控制過熱度與壓縮機功率。實驗平臺將理論教學與實踐教學相結合，為學生提供熱力系數測定與控制理論實驗的同時，既夯實了學生的理論基礎，又提高了學生的實踐應用能力。

太陽能平板集熱器； 熱泵； 太陽能熱泵供暖； 實驗平臺

0 引 言

太陽能與熱泵的結合更為高效地利用了太陽能，是有效的節能方式，對太陽能的利用有著重要的意義。本文利用太陽能與熱泵設計了一套太陽能熱泵供暖實驗平臺，在實際背景下，平臺一方面滿足居民的供暖需求；另一方面提供熱能動力工程和自動化專業的實驗教學。使學生在實踐基礎上學習，相對于傳統實驗，增加了學生專業知識在實際項目中的應用，有利于專業知識的學以致用以及增加工程經驗。

1 實驗平臺設計

太陽能熱泵供暖實驗平臺主要由太陽能集熱器、熱泵、蓄熱裝置、檢測裝置以及控制裝置組成。平臺以位于包頭市和平村，復式兩層結構，單層面積為80 m2的房屋為設計對象。在屋頂建立太陽能熱泵供暖房，房屋呈倒扣腳型，長為8.8 m(南北)，寬為7.7 m(東西)，房屋正南方向裝有平板集熱器，在供暖房內裝設熱泵，控制系統，水箱等其他硬件設施，其房屋設計結構如圖1所示。

圖1 房屋設計結構圖

根據設計結構圖建造太陽能熱泵供暖房，實物圖如圖2所示。

圖2 太陽能熱泵供暖房實物圖

1.1 平板集熱器設計

根據房屋實際面積設計平板集熱器尺寸，寬7.46 m，長6.21 m，設計集熱面積46 m2。根據GBT6424-2007[1]平板型太陽能集熱器的設計要求設計平板集熱器，因為平板集熱器面積較大，所以將吸熱板分成4部分拼裝，蓋板玻璃分成12部分密封拼裝。集熱器吸熱板采用蛇管式，根據王補宣等[2]對平板集熱器的分析，使用鋁材作為集熱器吸熱板的材料。參考國標GBT3880-2012[3]，選用牌號1080A的鋁合金板材，厚度為5 mm，長為5.92 m，寬為1.8 m。管材選擇GBT6424-2007推薦的外徑φ25，內徑φ21的鋁合金管材，管材可承受1.5 MPa的壓力。參考翅片的設計規范JBT11249-2012[4]，根據方鐸榮[5]對平板集熱器的結構優化參數，確定管與管之間間距為130 mm。吸熱板為配合房屋整體顏色效果，涂有紅色防銹漆。

孟凡基等[6]分析了集熱器的蓋板材料，得出低鐵鋼化玻璃是特別適合用作集熱器的蓋板材料。綜合GBT6424-2007[1]中對蓋板材料的的推薦，選用雙層中空低鐵鋼化玻璃，其透過率可達90%。由于蓋板由12部分組合拼接而成，故每部分玻璃蓋板長為2 m，寬為1.9 m，厚度為1 cm。根據魏生賢等[7]對蓋板與吸熱板間距的分析，確定玻璃蓋板與吸熱板間距為2 cm。

為保證集熱器良好的集熱效果，減少熱損失，在集熱器的兩側裝有6 cm厚的酚醛保溫泡沫，上、 下以及吸熱板的底部裝有5 cm厚的酚醛保溫泡沫，之后通過水泥將集熱器固定在供暖房上。集熱器的傾角根據包頭地區緯度設計為45°，其結構設計圖如圖3所示。

根據結構設計圖建造太陽能平板集熱器，實物圖如圖4所示。

圖3 平板集熱器結構設計圖

圖4 太陽能平板集熱器實物圖

1.2 熱泵系統設計

設計采用直膨式熱泵系統，系統包括過濾器、壓縮機、油分器、水箱、儲液罐和電子膨脹閥等。系統總體設計圖如圖5所示。

圖5 系統總體設計圖

系統設計預期平板集熱器工質進口溫度4 ℃，出口溫度30 ℃，壓縮機出口工質溫度60 ℃，因此,選擇工質應滿足蒸發溫度大于4 ℃，制熱溫度在70 ℃，對環境影響小的工質。對比多種工質，最終選擇R134a為系統使用的工質。為滿足系統設計要求，平板集熱器和管道內的壓力應保持0.35 MPa，此時R134a的蒸發溫度為5 ℃。采用液相容積法[8]計算工質R134a的充注量，根據下式計算出工質R134a在壓力0.35 MPa時的充注量為9.5 kg,即

(1)

式中:ρL為冷凝溫度和蒸發溫度的平均值下工質的飽和液密度(kg/m3);VPL為熱泵穩定運行時冷凝器出口到節流閥出口之間的液相管路、部件的總容積(L)；VE為蒸發器工質側的容積(L)；VC為冷凝器工質側的容積(L)。

由于水分和雜質的存在會對熱泵的性能和壽命帶來不利的影響，故干燥器和過濾器是熱泵必須的裝置。選用艾默生A-TDS-4811的干燥過濾桶，該干燥過濾桶可更換濾芯，通過干燥過濾桶對平板集熱器出口的工質過濾干燥，主要過濾平板集熱器中的灰塵及雜質,儲液罐之后同樣要接過濾器，由于是儲液罐后屬于高壓部分，故選用艾默生EK-084S高壓過濾器。

壓縮機是熱泵的心臟，回轉式壓縮機結構簡單、體積小、質量輕和可靠性高，為防止工質的泄露，選擇封閉渦旋式的壓縮機。熱泵供暖熱負荷為供暖負荷，根據國家規定的行業設計規范CJJ 34-2002《城市熱力網設計規范》[9]中對住宅熱負荷的計算方法，結合實際供暖面積可得到供暖熱負荷：

(2)

式中：Qh為供暖用1 d熱負荷(MJ/d);qh為采暖熱指標(W/m2);A為采暖建筑物的建筑面積(m2)。

則可得到系統需提供的熱負荷為30 kW，陰天時，供暖負荷主要由熱泵系統承擔，可得熱泵所要求的最大制熱量為30 kW。根據熱泵最大制熱量30 kW，進口溫度30 ℃，出口溫度60 ℃，選擇丹佛斯SZ090S4VC壓縮機作為熱泵系統壓縮機，功率為7.63 kW，工作的最高溫度為65 ℃，制冷量為24.4 kW，則熱泵系統壓縮機的制熱量=制冷量+壓縮機功率為32 kW，滿足該熱泵要求[10]。

通過壓縮機產生的高溫氣體攜帶有潤滑油，需要通過油分離器將潤滑油分離出來，選擇與壓縮機配套接口的派爾克PKW型螺旋式油分離器。

選擇水作為供暖介質，工質與水通過蓄熱水箱換熱，蓄熱水箱選擇盤管式，材質選擇鋼材[11]，中間夾有5 cm厚的酚醛保溫材料，水箱的體積通過下式計算:

(3)

式中:Q1為水箱儲存的熱量(J);c為水的比熱容[4.2 kJ/(kg·℃)];ρ為水的密度(103kg/m3);V為水箱容積(m3);ΔT為水箱儲存的熱量(J)。

選擇冬季午時2 h作為計算水箱容積的基準，冬季午時45°下平板集熱器傾斜面輻照量平均為3.6 MJ/(m2·h)，集熱器有效集熱面積為42 m2，設計供暖水溫為55 ℃，回水溫度為35 ℃，溫度差ΔT為20 ℃，根據式(3)可計算出蓄熱水箱容積為3.6 m3，設計蓄熱水箱為圓柱型，底面直徑為1.6 m，高為1.8 m[12]，其結構如圖6所示。

圖6 蓄熱水箱設計圖

儲液器安裝在蓄熱水箱之后，用來儲存工質液體，以適應工況變化和減少工質的補充次數，系統中工質選擇R134a，5 ℃時R134a體積質量為0.782 2×10-3m3/kg，工質充注量為9.5 kg，因此,工質充注量為7.430 9 L，據此選擇ZOER的ZRS-8L的儲液罐。

管道選擇內徑為21 mm，外徑為25 mm的鋼管，最大可承受1.5 MPa的壓力[13]，根據管道尺寸選擇合適的閥門，為保證實驗安全，均選擇手動閥門，系統調試成功后改換電動閥。

為了保證壓縮機的安全運轉，防止液擊現象，應具有一定的過熱度，電子膨脹閥可以更靈敏地調節過熱度，選擇DPF14電子膨脹閥[14]。

通過變頻器調節壓縮機容量，變頻器根據壓縮機的功率選擇，壓縮機功率為7.63 kW，因此選擇SOB-V600功率為11 kW變頻器。

根據平板集熱器與熱泵系統的選型，參照各選型參數，設計太陽能熱泵供暖實驗平臺效果如圖7所示。

圖7 太陽能熱泵供暖實驗平臺效果圖

1.3 測量與控制系統

平臺需要測量環境與工質的溫度，環境溫度采用DHT22數字溫濕度傳感器，測量范圍為-20～80 ℃。工質溫度采用1/10B級PT100鉑電阻溫度傳感器，測量范圍為-30～200 ℃。測量工質壓力傳感器選用HM20壓力傳感器，測量范圍為0～20 MPa。熱水循環流量測量選用REXLUG20系類渦輪流量傳感器，測量范圍為0.8～10 m3/h。太陽能輻射強度由JIBQ-2型太陽能總輻射表測量[15]。

測量的數據送入控制器中，控制器選擇DSP28335，調節變頻器控制壓縮機功率，控制電子膨脹閥控制過熱度[16]。

按照上述選型與結構設計圖建造熱泵平臺，平臺實物如圖8所示。

圖8 熱泵平臺實物圖

2 實驗平臺的主要功能

(1) 掌握太陽能與熱泵結合技術，太陽能熱泵運行的基本原理，掌握實踐中常用的熱工測量儀表的使用與安裝。

(2) 通過測量的溫度、壓力、輻照強度以及流量計算過熱度、平臺能效比以及太陽能平板集熱器效率等熱力性能參數。

(3) 太陽能熱泵供暖平臺的綜合性能研究，研究電子膨脹閥不同開度下與壓縮機不同功率下對太陽能熱泵系統的影響。分析外部參數包括環境溫度、太陽能輻照強度等與內部參數蒸發溫度、過熱度等對太陽能熱泵系統的影響。

(4) 建成實訓實驗室，指導學生掌握控制器DSP28335的編程和實際項目的應用。

(5) 在實驗平臺上研究不同的控制策略對太陽能熱泵系統的影響，有利于學生加深對控制理論的理解，掌握控制理論的程序實現與應用。

3 結 語

太陽能熱泵供暖平臺有機的結合了太陽能與熱泵技術，實時檢測太陽能熱泵系統的溫度、壓力和流量等，通過DSP實現了系統的智能控制，使實驗平臺操作更為簡單，更為智能。實驗平臺主要是面向熱能動力工程和自動化專業的學生實踐教學使用，培養學生的實際操作能力，增強理論學習的深度，有助于增加學生學習興趣、動手能力和工程經驗，有利于培養應用型學生，同時平臺也可用在課程設計、畢業設計以及相關科研工作。

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[2] 王補宣,石德惠.平板集熱器最佳結構參數與經濟性能的分析[J].太陽能學報,1981(3):229-235.

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[4] JB/T 11249-2012，翅片管式換熱設備技術規范[S].

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[16] 陳慶杰.太陽能熱泵制熱量預測模型及控制策略研究[D].長沙：中南大學,2012.

Experimental Platform Design for Solar Energy Heat Pump Heating

WEIYili，MALibin

(College Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Neimenggu, China)

A set of practical solar energy heat pump heating platform which can be applied in science research and teaching is designed and developed. The platform consists of the plate solar collector, inverter, compressor, water tank, electronic expansion valve, detecting system and DSP control system. Solar energy provides low temperature heat source, and it is transferred into high temperature heat source by heat pump. In the process, working medium and temperature, flow, pressure, and solar radiation intensity are measured, based on the measuring results, the DSP controls degree of superheat and compressor power. The experiment platform organically combines theory teaching with practice teaching, and provides students a method of thermal coefficient measurement and an experiment of control theory study. At the same time, the students’ theoretical basis and practical application ability are strengthened.

plate solar collector； heat pump； solar energy heat pump heating； experiment platform

2016-06-30

魏毅立(1962-)，男，內蒙古包頭人，博士，教授，現主要研究太陽能熱泵供暖，太陽能熱發電、電力電子及電機傳動、變頻調速系統、風力發電。Tel.:13019552088; E-mail:weiyili2088@126.com

TK 323；G 482

A

1006-7167(2017)03-0066-04