太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

魏毅立， 馬利斌

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

魏毅立， 馬利斌

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

開發(fā)了一套與科研教學(xué)相結(jié)合的太陽能熱泵供暖平臺(tái)。平臺(tái)由太陽能平板集熱器、變頻器、壓縮機(jī)、水箱、電子膨脹閥、檢測(cè)系統(tǒng)以及DSP控制系統(tǒng)構(gòu)成。太陽能作為平臺(tái)的低溫?zé)嵩矗ㄟ^熱泵轉(zhuǎn)化成高溫?zé)嵩?，在此過程中檢測(cè)工質(zhì)和環(huán)境溫度，流量、壓力以及太陽能輻照強(qiáng)度，依據(jù)檢測(cè)量通過DSP控制過熱度與壓縮機(jī)功率。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，為學(xué)生提供熱力系數(shù)測(cè)定與控制理論實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，既夯實(shí)了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，又提高了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

太陽能平板集熱器； 熱泵； 太陽能熱泵供暖； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引 言

太陽能與熱泵的結(jié)合更為高效地利用了太陽能，是有效的節(jié)能方式，對(duì)太陽能的利用有著重要的意義。本文利用太陽能與熱泵設(shè)計(jì)了一套太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)際背景下，平臺(tái)一方面滿足居民的供暖需求；另一方面提供熱能動(dòng)力工程和自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。使學(xué)生在實(shí)踐基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生專業(yè)知識(shí)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，有利于專業(yè)知識(shí)的學(xué)以致用以及增加工程經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由太陽能集熱器、熱泵、蓄熱裝置、檢測(cè)裝置以及控制裝置組成。平臺(tái)以位于包頭市和平村，復(fù)式兩層結(jié)構(gòu)，單層面積為80 m2的房屋為設(shè)計(jì)對(duì)象。在屋頂建立太陽能熱泵供暖房，房屋呈倒扣腳型，長(zhǎng)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?jī)?nèi)裝設(shè)熱泵，控制系統(tǒng)，水箱等其他硬件設(shè)施，其房屋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 房屋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖建造太陽能熱泵供暖房，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 太陽能熱泵供暖房實(shí)物圖

1.1 平板集熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)房屋實(shí)際面積設(shè)計(jì)平板集熱器尺寸，寬7.46 m，長(zhǎng)6.21 m，設(shè)計(jì)集熱面積46 m2。根據(jù)GBT6424-2007[1]平板型太陽能集熱器的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)平板集熱器，因?yàn)槠桨寮療崞髅娣e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(jù)王補(bǔ)宣等[2]對(duì)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(guó)標(biāo)GBT3880-2012[3]，選用牌號(hào)1080A的鋁合金板材，厚度為5 mm，長(zhǎng)為5.92 m，寬為1.8 m。管材選擇GBT6424-2007推薦的外徑φ25，內(nèi)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(shè)計(jì)規(guī)范JBT11249-2012[4]，根據(jù)方鐸榮[5]對(duì)平板集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，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(duì)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(dá)90%。由于蓋板由12部分組合拼接而成，故每部分玻璃蓋板長(zhǎng)為2 m，寬為1.9 m，厚度為1 cm。根據(jù)魏生賢等[7]對(duì)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(cè)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(jù)包頭地區(qū)緯度設(shè)計(jì)為45°，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖建造太陽能平板集熱器，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 平板集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖4 太陽能平板集熱器實(shí)物圖

1.2 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用直膨式熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包括過濾器、壓縮機(jī)、油分器、水箱、儲(chǔ)液罐和電子膨脹閥等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期平板集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度4 ℃，出口溫度30 ℃，壓縮機(jī)出口工質(zhì)溫度60 ℃，因此,選擇工質(zhì)應(yīng)滿足蒸發(fā)溫度大于4 ℃，制熱溫度在70 ℃，對(duì)環(huán)境影響小的工質(zhì)。對(duì)比多種工質(zhì)，最終選擇R134a為系統(tǒng)使用的工質(zhì)。為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，平板集熱器和管道內(nèi)的壓力應(yīng)保持0.35 MPa，此時(shí)R134a的蒸發(fā)溫度為5 ℃。采用液相容積法[8]計(jì)算工質(zhì)R134a的充注量，根據(jù)下式計(jì)算出工質(zhì)R134a在壓力0.35 MPa時(shí)的充注量為9.5 kg,即

(1)

式中:ρL為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的平均值下工質(zhì)的飽和液密度(kg/m3);VPL為熱泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冷凝器出口到節(jié)流閥出口之間的液相管路、部件的總?cè)莘e(L)；VE為蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)的容積(L)；VC為冷凝器工質(zhì)側(cè)的容積(L)。

由于水分和雜質(zhì)的存在會(huì)對(duì)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(duì)平板集熱器出口的工質(zhì)過濾干燥，主要過濾平板集熱器中的灰塵及雜質(zhì),儲(chǔ)液罐之后同樣要接過濾器，由于是儲(chǔ)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(jī)是熱泵的心臟，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕和可靠性高，為防止工質(zhì)的泄露，選擇封閉渦旋式的壓縮機(jī)。熱泵供暖熱負(fù)荷為供暖負(fù)荷，根據(jù)國(guó)家規(guī)定的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范CJJ 34-2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中對(duì)住宅熱負(fù)荷的計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際供暖面積可得到供暖熱負(fù)荷：

(2)

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

則可得到系統(tǒng)需提供的熱負(fù)荷為30 kW，陰天時(shí)，供暖負(fù)荷主要由熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，可得熱泵所要求的最大制熱量為30 kW。根據(jù)熱泵最大制熱量30 kW，進(jìn)口溫度30 ℃，出口溫度60 ℃，選擇丹佛斯SZ090S4VC壓縮機(jī)作為熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)，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(tǒng)壓縮機(jī)的制熱量=制冷量+壓縮機(jī)功率為32 kW，滿足該熱泵要求[10]。

通過壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫氣體攜帶有潤(rùn)滑油，需要通過油分離器將潤(rùn)滑油分離出來，選擇與壓縮機(jī)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(zhì)，工質(zhì)與水通過蓄熱水箱換熱，蓄熱水箱選擇盤管式，材質(zhì)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(jì)算:

(3)

式中:Q1為水箱儲(chǔ)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(chǔ)存的熱量(J)。

選擇冬季午時(shí)2 h作為計(jì)算水箱容積的基準(zhǔn)，冬季午時(shí)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(shè)計(jì)供暖水溫為55 ℃，回水溫度為35 ℃，溫度差ΔT為20 ℃，根據(jù)式(3)可計(jì)算出蓄熱水箱容積為3.6 m3，設(shè)計(jì)蓄熱水箱為圓柱型，底面直徑為1.6 m，高為1.8 m[12]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 蓄熱水箱設(shè)計(jì)圖

儲(chǔ)液器安裝在蓄熱水箱之后，用來儲(chǔ)存工質(zhì)液體，以適應(yīng)工況變化和減少工質(zhì)的補(bǔ)充次數(shù)，系統(tǒng)中工質(zhì)選擇R134a，5 ℃時(shí)R134a體積質(zhì)量為0.782 2×10-3m3/kg，工質(zhì)充注量為9.5 kg，因此,工質(zhì)充注量為7.430 9 L，據(jù)此選擇ZOER的ZRS-8L的儲(chǔ)液罐。

管道選擇內(nèi)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(jù)管道尺寸選擇合適的閥門，為保證實(shí)驗(yàn)安全，均選擇手動(dòng)閥門，系統(tǒng)調(diào)試成功后改換電動(dòng)閥。

為了保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，防止液擊現(xiàn)象，應(yīng)具有一定的過熱度，電子膨脹閥可以更靈敏地調(diào)節(jié)過熱度，選擇DPF14電子膨脹閥[14]。

通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機(jī)容量，變頻器根據(jù)壓縮機(jī)的功率選擇，壓縮機(jī)功率為7.63 kW，因此選擇SOB-V600功率為11 kW變頻器。

根據(jù)平板集熱器與熱泵系統(tǒng)的選型，參照各選型參數(shù)，設(shè)計(jì)太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效果如圖7所示。

圖7 太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效果圖

1.3 測(cè)量與控制系統(tǒng)

平臺(tái)需要測(cè)量環(huán)境與工質(zhì)的溫度，環(huán)境溫度采用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，測(cè)量范圍為-20～80 ℃。工質(zhì)溫度采用1/10B級(jí)PT100鉑電阻溫度傳感器，測(cè)量范圍為-30～200 ℃。測(cè)量工質(zhì)壓力傳感器選用HM20壓力傳感器，測(cè)量范圍為0～20 MPa。熱水循環(huán)流量測(cè)量選用REXLUG20系類渦輪流量傳感器，測(cè)量范圍為0.8～10 m3/h。太陽能輻射強(qiáng)度由JIBQ-2型太陽能總輻射表測(cè)量[15]。

測(cè)量的數(shù)據(jù)送入控制器中，控制器選擇DSP28335，調(diào)節(jié)變頻器控制壓縮機(jī)功率，控制電子膨脹閥控制過熱度[16]。

按照上述選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖建造熱泵平臺(tái)，平臺(tái)實(shí)物如圖8所示。

圖8 熱泵平臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能

(1) 掌握太陽能與熱泵結(jié)合技術(shù)，太陽能熱泵運(yùn)行的基本原理，掌握實(shí)踐中常用的熱工測(cè)量?jī)x表的使用與安裝。

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

(3) 太陽能熱泵供暖平臺(tái)的綜合性能研究，研究電子膨脹閥不同開度下與壓縮機(jī)不同功率下對(duì)太陽能熱泵系統(tǒng)的影響。分析外部參數(shù)包括環(huán)境溫度、太陽能輻照強(qiáng)度等與內(nèi)部參數(shù)蒸發(fā)溫度、過熱度等對(duì)太陽能熱泵系統(tǒng)的影響。

(4) 建成實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)學(xué)生掌握控制器DSP28335的編程和實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用。

(5) 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究不同的控制策略對(duì)太陽能熱泵系統(tǒng)的影響，有利于學(xué)生加深對(duì)控制理論的理解，掌握控制理論的程序?qū)崿F(xiàn)與應(yīng)用。

3 結(jié) 語

太陽能熱泵供暖平臺(tái)有機(jī)的結(jié)合了太陽能與熱泵技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽能熱泵系統(tǒng)的溫度、壓力和流量等，通過DSP實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作更為簡(jiǎn)單，更為智能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是面向熱能動(dòng)力工程和自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生實(shí)踐教學(xué)使用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，增強(qiáng)理論學(xué)習(xí)的深度，有助于增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力和工程經(jīng)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)應(yīng)用型學(xué)生，同時(shí)平臺(tái)也可用在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及相關(guān)科研工作。

[1] GB/T 6424-2007，平板型太陽能集熱器[S].

[2] 王補(bǔ)宣,石德惠.平板集熱器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)與經(jīng)濟(jì)性能的分析[J].太陽能學(xué)報(bào),1981(3):229-235.

[3] GB/T 3880-2012，一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材[S].

[4] JB/T 11249-2012，翅片管式換熱設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 方鐸榮,李元哲.平板集熱器鐵管板式集熱板的最佳化[J].太陽能學(xué)報(bào),1983(3):301-307.

[6] 孟凡基,王顯龍,卜憲標(biāo).太陽能集熱器用玻璃的光學(xué)性能分析和改善[J].玻璃與搪瓷,2013(4):36-40.

[7] 魏生賢,李 明,劉江濤.高效平板集熱器件吸熱面與透明蓋板間距優(yōu)化[J].太陽能學(xué)報(bào),2011(9):1413-1418.

[8] 陳 東. 熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:12.

[9] CJJ 34-2002，城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] 金 旭.雙級(jí)壓縮空氣源熱泵采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

[11] 劉艷峰,王登甲. 太陽能地面采暖系統(tǒng)蓄熱水箱容積分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2009(12):1636-1639.

[12] 江輝民,王 洋.蓄熱水箱的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2006(2):74-78.

[13] 吳士玉,李紅才.供暖與空調(diào)水系統(tǒng)金屬管道的選擇[J].暖通空調(diào),2011(6):76-77,39.

[14] 張樂平,張?jiān)缧?電子膨脹閥流量特性及選型的分析[J].流體機(jī)械,2000(12):51-53,28-4.

[15] 徐艷聰.熱工測(cè)量方法分析與改進(jìn)[J].無線互聯(lián)科技,2013(12):74.

[16] 陳慶杰.太陽能熱泵制熱量預(yù)測(cè)模型及控制策略研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),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(nèi)蒙古包頭人，博士，教授，現(xiàn)主要研究太陽能熱泵供暖，太陽能熱發(fā)電、電力電子及電機(jī)傳動(dòng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電。Tel.:13019552088; E-mail:weiyili2088@126.com

TK 323；G 482

A

1006-7167(2017)03-0066-04