太陽能熱泵供熱系統的實驗研究

文/高冉、王志鵬、張學謙 濟南熱力集團有限公司 山東濟南 250000

1、前言

開發新能源和節能是尋求能源出路的兩大重要途徑，太陽能熱泵供熱系統以其顯著的節能性和環保性具有廣闊的發展前景。由于地理位置及氣候條件的差異以及經濟技術條件的限制，我國只能根據本國國情對國外的研究成果加以借鑒，同時應大力開展國內SAHP系統的研發工作，以推動太陽能熱泵技術在我國的推廣及應用。

2、太陽能熱泵供熱系統實驗臺簡介

本實驗臺是在青島建筑工程學院熱泵實驗室的原有設備及管路系統的基礎上，增加太陽能集熱器和蓄熱器等設備，并對部分管路進行改造而建成的。

活塞壓縮式水—水熱泵，美國Copland公司生產，壓縮機額定功率為2.2kW，制冷劑為R22;2)12WG-8型管道泵，電機功率為90W，最大揚程為10m，最大流量為20L/min;3)LZB-25型玻璃轉子式流量計，d25mm;4)MCE08-787型累積式流量計，d24mm，瑞典產;5)聯箱;6)FP-5立式明裝風機盤管，風機功率為50W;7)容積式保溫水箱，外形尺寸2000×1300×820，內置銅管換熱器;8)自行設計的平板型太陽能集熱器，單層玻璃蓋板，吸熱體表面涂無光黑漆，鋼制殼體，單臺尺寸為1340×1640，共五臺，總有效集熱面積為10.988m2，集熱器朝向正南，傾角可隨季節調節(采暖季為52°，非采暖季為38°);9)自行設計的蓄熱水箱，外形尺寸1700×1700×1700，凈容積為2.106m3，內置低壓聚乙烯塑料圓管d32mm×2.5mm，總管長108.8m，散熱面積10.94m2。箱體內裝有3只U型管狀水用電加熱器，電熱管材為d12mm紫銅管，電功率分別為1kW、1.5kW、2kW，可單獨或并聯使用;10)WMS1i2513020型小口徑熱能表，Y20mm，公稱流量為2.5m3/h，鉑電阻溫度傳感器，德國產;11)WNG-11型金屬套管式玻璃水銀溫度計，尾長120mm，量程分別為0～100℃、0～50℃、-30～50℃;12)ZILMET00201型閉式膨脹水箱(附安全閥及壓力表)，意大利產;13)S324型冷暖風機，風機功率為0.12kW。

下面以典型工況——太陽能熱泵供熱—蓄熱工況及蓄熱器放熱—熱泵供熱工況為例，來說明系統供熱過程:冬季晴朗白天，載熱介質在集熱器中獲取太陽輻射能后，流入蓄熱水箱，通過箱內的換熱盤管將部分熱量傳遞給蓄熱介質，然后進入蒸發器與制冷劑換熱，并通過熱泵循環進行供熱，降溫后的集熱介質在管道泵的作用下又流回集熱器，由此完成一次循環。夜間(或陰雨天)，從蒸發器流出的載熱介質不流經太陽能集熱器，而是通過一根旁通管直接流入蓄熱水箱，從蓄熱介質中吸取熱量后流回蒸發器，再通過熱泵循環進行供熱。如果蓄熱量不足，不能以滿足供熱需要，則利用輔助電加熱器加以補充。熱泵冷凝器側有三個并聯的終端:1)風機盤管，2)容積式保溫水箱，3)暖風機，可同時向房間供暖和提供生活熱水。

根據太陽輻射強度及熱負荷的大小，利用一些閥門的啟閉可實現太陽能直接供熱、太陽能熱泵供熱及蓄熱器蓄熱—放熱等多種運行工況的轉換。目前各閥門的啟閉還僅靠人工操作，但在經濟允許的情況下，只需增加部分自控裝置就可實現閥門的自動控制。

本太陽能熱泵供熱系統實驗臺具有以下幾個方面的特點:

1)采用自行設計的平板型太陽能集熱器(單層玻璃、涂普通黑漆)，吸熱體由工廠可批量生產的鋼制板式散熱器改造制成，從而大大箱降低了集熱器造價(僅為500$/m2);

2)采用自行設計的單槽式蓄熱水箱，箱內采用聚乙烯塑料盤管作為換熱器，不僅減少了防凍溶液的充灌量而且節省了一個循環水泵;

3)在非采暖季，太陽能集熱器可與容積式保溫水箱組成閉式強制循環式熱水系統，能夠保證24h的熱水供應，既實現了節能又提高了設備的全年利用率;

4)因有蓄熱裝置，夏季可利用夜間電力進行蓄冷運行，不僅運行費便宜，且有助于電力錯峰。

3、實驗結果的推廣應用

已知熱泵的供熱性能系數，根據熱泵理論及有關實驗數據可得出單位冷凝器供熱量所需的集熱面積、換熱盤管長度及其換熱面積、蓄熱水箱容積，可直接應用于實際工程設計及校核計算。同時可以看出，熱泵機組的供熱系數COP越高，系統各主要設備的初投資也越大，但系統運行費用越少，所以在實際工程設計中需要將系統性能與投資回收結合起來進行綜合考慮。

應當指出，對于本實驗所設計開發的太陽能熱泵供熱系統形式，蒸發溫度的高低直接影響太陽能集熱器及蓄熱水箱的工作性能，同時熱泵機組的熱力參數與系統整體供熱性能及節能效果密切相關。因此，在參考上述實驗結論進行SAHP供熱系統設計時，應注意本熱泵機組(壓縮機為活塞式，制冷劑為R22)熱力參數的變化范圍:蒸發溫度為-11.46～-6.68℃，冷凝溫度為45.46～57.40℃，蒸發器對數傳熱溫差為1.20～4.53℃，冷凝器對數傳熱溫差為13.28～17.78℃，冷水進出口溫差為3.78～5.50℃，熱水進出口溫差為6.55～8.77℃。上述數據可作為選擇熱泵機組和冷、熱水流量的參考數據。

結論:

通過對所設計、開發的太陽能熱泵供熱系統的冬季供暖工況的測試及研究，可以得到以下結論:

(1)在青島地區最冷月的氣候條件下，所設計、開發的太陽能熱泵供熱系統不僅能夠滿足設計方案24h連續供暖的要求，而且能夠實現連續5d供暖(其中可以有連續的兩個陰雨天)。

(2)在整個供暖測試期內，室外平均溫度為-1.56℃，平均太陽輻射強度為327.8W/m2，熱泵機組平均供熱系數為2.55，整個系統平均供熱系數為2.19。系統并未使用輔助熱源。

(3)本實驗設計開發的平板型太陽能集熱器具有良好的集熱性能，平均集熱效率高達67.2%，并得出了平板型太陽能集熱器在冬季供暖工況下的日間效率方程。

(4)在冬季供暖工況下蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用，保證了系統的連續穩定供熱。

(5)分析表明，在太陽能熱泵供熱系統中采用低溫末端裝置可顯著提高系統供熱性能。

(6)在青島地區的氣候條件下，該系統冬季晴天可提供約1100L/d(溫升為40℃)的熱水，夏季晴天可提供約800L/d(溫升為30℃)的熱水。