太陽能水源熱泵系統(tǒng)供暖應(yīng)用分析

張龍 張子平 龔凱

摘 要：文章介紹了青海某小區(qū)太陽能水源熱泵供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、水源熱泵、儲熱水箱、控制系統(tǒng)、末端設(shè)備等幾部分組成。介紹了系統(tǒng)的3種運(yùn)行工況。通過對集熱系統(tǒng)監(jiān)測，得出了太陽能集熱系統(tǒng)效率，太陽能保證率；通過太陽能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行分析，得出該系統(tǒng)具有較高的COP。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱泵；集熱器

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)設(shè)計目的是為滿足青海省樂都市某小區(qū)冬季供暖的需求，系統(tǒng)主要由真空管太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、儲熱水箱、自動控制系統(tǒng)等幾大部分組成。

2 系統(tǒng)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(tǒng)中吸收太陽輻射并將所產(chǎn)生的熱能傳遞給傳熱介質(zhì)的裝置，根據(jù)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(dú)吸熱時的平均效率，m為集熱器加熱水的質(zhì)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(tǒng)設(shè)置了玻璃鋼儲熱水箱。集熱器與水箱之間無換熱器。水箱內(nèi)水的焓增量等于集熱器傳給水箱的熱量減去水箱傳給負(fù)荷的熱量熱損失，寫成數(shù)學(xué)形式為：

當(dāng)系統(tǒng)無負(fù)荷運(yùn)行時： （2）

當(dāng)系統(tǒng)有負(fù)荷運(yùn)行時： （3）

式中，m水箱的水量；Q蓄熱水箱提供的供暖負(fù)荷；U水箱的熱損失系數(shù)；AS水箱的表面積；ts水箱溫度；Ta環(huán)境溫度。

2.3 太陽能水源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)能夠全天候的工作，輔助系統(tǒng)是必不可少的。本系統(tǒng)采用了一臺水源熱泵機(jī)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(tǒng)COP為：

（4）

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

3 工程實(shí)例分析

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)安裝在青海省某小區(qū)，建筑物為一棟居民樓，系統(tǒng)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(tǒng)，循環(huán)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(jīng)計算，選取了功率40KW，制熱量為160KW的水源熱泵機(jī)組；集熱器面積為400m2；玻璃鋼儲熱水箱體積為40m3。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

該太陽能水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行原理為集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，被循環(huán)系統(tǒng)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(huán)采用溫差控制。集熱器和儲熱水箱中安裝感溫探頭，當(dāng)集熱器中水溫比水箱水溫高出15℃時，循環(huán)泵開始循環(huán)，當(dāng)溫差下降到10℃時關(guān)閉循環(huán)泵。

3.3 集熱系統(tǒng)效率檢測方法及數(shù)據(jù)處理

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

（5）

式中：？濁-集熱系統(tǒng)效率，%；QC-測試期內(nèi)太陽能集熱系統(tǒng)的有用得熱量，MJ；A-太陽能集熱器采光面積，m2；H-測試期內(nèi)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(tǒng)中由太陽能集熱系統(tǒng)提供的熱量QC與系統(tǒng)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(jié)果

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

表1 太陽能部分?jǐn)?shù)據(jù)檢測結(jié)果

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，每個月選取有代表性的8天進(jìn)行性能測試，冬季共測試了40組數(shù)據(jù)，從圖2可以看出，熱泵系統(tǒng)的冬季供暖cop可以達(dá)4.98左右。

圖2 系統(tǒng)供暖時的性能系數(shù)

4結(jié)束語

（1）太陽能熱泵系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)?shù)厝照諚l件強(qiáng)弱和建筑物采暖負(fù)荷變化采用不同運(yùn)行模式，即可提高熱泵運(yùn)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(yīng)用。（2）通過對集熱系統(tǒng)的監(jiān)測及數(shù)據(jù)計算，得出了該系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出了該系統(tǒng)運(yùn)行具有較高的cop值，節(jié)能效果顯著。（3）青海地區(qū)的氣候和水源地質(zhì)條件是決定太陽能熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，通過后期跟蹤監(jiān)測，該系統(tǒng)在青海地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]何梓年.太陽能熱利用[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[2]曲世琳，馬飛，吉玉寶，等.基于太陽能熱泵技術(shù)的嚴(yán)寒地區(qū)供暖系統(tǒng)改造設(shè)計與實(shí)測分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2010.

[3]李哉洪，白寧，馬偉斌，等.大型太陽能空調(diào)/熱泵系統(tǒng)[J].太陽能學(xué)報，2006.

作者簡介：張龍（1988，1-），男，江西樂平人，碩士研究生。