太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉小溪，張昌建，胡文全，羅景輝

(河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，邯鄲056000)

0 引言

太陽能供暖系統(tǒng)是一種利用太陽能集熱器收集太陽輻射并轉(zhuǎn)化為熱能用于供暖的系統(tǒng)，其以太陽能為熱源，供給建筑物采暖用熱。目前，太陽能供暖系統(tǒng)主要存在以下6個(gè)方面問題：1)冬季太陽輻射的能量密度低；2)太陽輻射受晝夜、季節(jié)、緯度、天氣和海拔高度等自然條件的限制，存在間歇性和不穩(wěn)定性；3)末端采暖所需要的低溫?zé)崴疁囟葹?5～45 ℃，導(dǎo)致太陽能集熱器的有效工作時(shí)長較短；4)真空管太陽能集熱器回水管路易結(jié)冰；5)晝夜熱量不平衡；6)初裝成本較高。以上問題導(dǎo)致太陽能供暖系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用受限[1-2]。

本文針對(duì)太陽能供暖系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種太陽能供暖系統(tǒng)與直蒸式水源熱泵相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，即太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：采用直蒸式水源熱泵，可超低溫(-10 ℃)吸收水或冰中的熱能；利用蓄熱水箱儲(chǔ)存熱量，削峰填谷；采用不易結(jié)冰的平板型太陽能集熱器；通過自動(dòng)控制系統(tǒng)按需供應(yīng)末端負(fù)荷；運(yùn)行費(fèi)用較低。

搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行特性進(jìn)行研究與分析，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，以期為河北省南部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)住宅采暖提供技術(shù)可靠、供暖穩(wěn)定、初裝成本較低的新型供暖系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。07:00時(shí)，太陽能側(cè)的循環(huán)水泵及其相關(guān)閥門由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制開啟，太陽能被平板型太陽能集熱器銅管中的介質(zhì)乙二醇吸收，高溫介質(zhì)流經(jīng)保溫管道到達(dá)蓄熱水箱，經(jīng)過蓄熱水箱下部的盤管換熱器后將熱能釋放到水箱中，釋放完熱能后的低溫介質(zhì)在循環(huán)水泵的作用下回到平板型太陽能集熱器，繼續(xù)吸收太陽能，完成1個(gè)太陽能側(cè)循環(huán)，具體如圖1中的環(huán)路1所示。

圖1 本系統(tǒng)的工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of system in this paper

蓄熱水箱上部的盤管換熱器中的介質(zhì)吸收水中的熱能，并將熱能傳給直蒸式水源熱泵，然后介質(zhì)再回到蓄熱水箱上部的盤管換熱器，完成1個(gè)直蒸式水源熱泵側(cè)循環(huán)，具體如圖1中的環(huán)路2所示。

18:00時(shí)，太陽能不可利用，此時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉太陽能側(cè)的循環(huán)水泵，打開直蒸式水源熱泵的閥門。這是因?yàn)橹闭羰剿礋岜每梢栽?10℃超低溫工況下(本次設(shè)計(jì)最低溫度為-5 ℃)吸收水或冰中的熱能，故蓄熱水箱下部的盤管換熱器可通過水-冰相變釋放出的相變潛熱給直蒸式水源熱泵供熱，便于次日通過太陽能側(cè)循環(huán)水泵快速融冰，具體如圖1中的環(huán)路3所示。

在陰天或雪天時(shí)，無可利用的太陽能，由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制閥門開關(guān)，蓄熱水箱上部和下部的盤管換熱器同時(shí)向直蒸式水源熱泵供熱，以增加換熱面積，減緩管外冰層結(jié)冰速度，可充分利用水相變釋放的潛熱，具體如圖1中的環(huán)路4所示。

在壓縮機(jī)的作用下，直蒸式水源熱泵中的蒸發(fā)器吸收的熱能將蒸發(fā)器的低溫?zé)崮茏兂筛邷責(zé)崮?，通過末端冷凝器，給用戶供暖。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)晝夜供熱量不平衡。對(duì)于冬季供暖，大多數(shù)供暖系統(tǒng)采用面積熱指標(biāo)[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不考慮熱負(fù)荷隨時(shí)間的周期性變化。本次實(shí)驗(yàn)考慮到白天有太陽輻射，室內(nèi)溫度較高，白天所需熱量少于夜晚所需熱量的情況，因此，當(dāng)供暖面積為60 m2、白天面積熱指標(biāo)q取25 W/m2時(shí)，白天所需熱量為12×60×25×3600/1000=64800 kJ；夜晚面積熱指標(biāo)q取35 W/m2時(shí)，夜晚所需熱量為12×60×35×3600/1000=90720 kJ；全天所需熱量為155520 kJ。

2)太陽能利用度較高。傳統(tǒng)的太陽能供暖系統(tǒng)的熱源溫度普遍在35 ℃以上，蓄熱水箱體積小，太陽能利用時(shí)間較短。本系統(tǒng)的水-冰相變過程放熱能力穩(wěn)定，太陽能側(cè)的循環(huán)水泵進(jìn)口溫度高于0 ℃蓄熱水箱就可以蓄熱，太陽能的利用溫度區(qū)間和時(shí)間變長。

3)水-冰相變蓄熱密度較高。傳統(tǒng)的太陽能供暖系統(tǒng)在陰雨天或雪天等太陽能不充足情況下，無法滿足供暖需求，而本系統(tǒng)利用蓄熱水箱進(jìn)行水-冰相變蓄熱，即使沒有太陽能的情況下，也可以堅(jiān)持供暖一段時(shí)間，改善了太陽能存在較大的間歇性和不穩(wěn)定性的問題。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由5部分組成：1)平板型太陽能集熱器；2)內(nèi)有與平板型太陽能集熱器連接的放熱盤管換熱器、與直蒸式水源熱泵連接的取熱盤管換熱器的蓄熱水箱；3)直蒸式水源熱泵；4)循環(huán)水泵及管道；5)控制系統(tǒng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各組成部分Fig. 2 Components of experimental platform

2.2 測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)過程中所需測(cè)試儀器如表1所示。

表1 測(cè)試儀器類別Table 1 Test instrument category

3 系統(tǒng)的設(shè)備選型與設(shè)計(jì)

3.1 直蒸式水源熱泵

本系統(tǒng)中直蒸式水源熱泵直接將冷凝器置于室內(nèi)，作為末端設(shè)備，其比常規(guī)的水源熱泵供暖方式減少了一個(gè)環(huán)節(jié)，提高了水源熱泵系統(tǒng)能效比(COP)。本系統(tǒng)中直蒸式水源熱泵的輸入功率為0.735 kW，采用R410A作為冷媒，運(yùn)行溫度為-5～15 ℃，制熱能效比隨直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 制熱能效比隨直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度變化曲線Fig. 3 Variation curve of heating COP with inlet temperature of direct steaming water source heat pump

從圖3可以看出：隨直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度升高，制熱能效比也隨之增大。當(dāng)直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度為15 ℃時(shí)，制熱能效比為4.5，制熱量為3.34 kW；當(dāng)直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度為0 ℃時(shí)，制熱能效比為2.9，制熱量為2.13 kW，-5～15 ℃的平均制熱能效比為3.5。本實(shí)驗(yàn)主要用于測(cè)試低溫相變?nèi)峁┡闆r，低溫工況下直蒸式水源熱泵進(jìn)口溫度約為0 ℃，故制熱能效比取值為2.9。

3.2 平板型太陽能集熱器

平板型太陽能集熱器的作用是將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能。傳統(tǒng)的太陽能供熱系統(tǒng)介質(zhì)在35～45℃循環(huán)采暖，可利用日照時(shí)間約有4 h(11:00～15:00)，采用太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)，直蒸式水源熱泵內(nèi)的低溫介質(zhì)在-5～15 ℃循環(huán)，可利用的日照時(shí)間增至7 h(07:00～11:00，15:00～18:00)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)人員在邯鄲實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)測(cè)得出，太陽能日照輻射得熱量日平均值為21016 kJ/m2，平板型太陽能集熱器的集熱效率[4]為58%，太陽能集熱面積為12.76 m2；經(jīng)計(jì)算[5]，采用2.4 m×0.7 m的平板太陽能集熱器8塊，平板型太陽能集熱器與地面傾斜角為45°[6]。采用平板型太陽能集熱器，可以解決真空管太陽能集熱器回水管路結(jié)冰的問題。

3.3 蓄熱水箱

蓄熱水箱尺寸設(shè)計(jì)為1.0 m×1.0 m×1.1 m，有效容積為1 m3，外部進(jìn)行保溫處理。

蓄熱水箱內(nèi)有與平板型太陽能集熱器連接的放熱盤管換熱器，位于蓄熱水箱下方，放熱盤管換熱器材料選擇聚乙烯(PE)，管徑DN20，管長200 m，平均每米管長的換熱量為7.5 W/m·℃，在平均溫差為3 ℃時(shí)，換熱能力為4.5 kW。白天釋放的熱量用以供暖和儲(chǔ)存。直蒸式水源熱泵連接的取熱盤管換熱器位于蓄熱水箱上方，熱水密度低，向上流動(dòng)，便于取熱，取熱盤管換熱器材料選擇鋁塑管，管徑DN15，管長110 m，平均每米管長的換熱量為5.5 W/m·℃，平均溫差為3.5 ℃時(shí)，換熱能力為2.31 kW。

3.4 循環(huán)水泵

太陽能側(cè)的循環(huán)水泵采用閉式水泵，流量為1.45 m3/h，揚(yáng)程為15 m，功率為0.55 kW；直蒸式水源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵采用閉式水泵，流量為1 m3/h，揚(yáng)程為12 m，功率為0.5 kW；管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)采用20%乙二醇水溶液，冰點(diǎn)為-10 ℃。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

4.1 太陽能充足情況下

07:00～18:00，環(huán)路1和環(huán)路2開始運(yùn)行。此時(shí)太陽能側(cè)的循環(huán)水泵平均流量為1.42 m3/h，直蒸式水源熱泵側(cè)平均流量為0.568 m3/h。太陽能充足時(shí)07:00～18:00期間循環(huán)水泵進(jìn)、出口溫度如圖4所示。

圖4 07:00～18:00平板型太陽能集熱器的進(jìn)、出口溫度Fig. 4 Inlet and outlet temperature of flat panel solar collectors during 07:00 to 18:00

從圖4可以看出：07:00開啟太陽能側(cè)的循環(huán)水泵，環(huán)路轉(zhuǎn)變，進(jìn)、出口溫度均有所變化。從約08:30開始，進(jìn)出口溫差逐漸增大，穩(wěn)定融冰供暖；約11:30后，溫差逐漸穩(wěn)定，意味著融冰完成，開始儲(chǔ)熱；14:00～15:00，進(jìn)、出口溫度均達(dá)到峰值，表明此時(shí)太陽能得熱量達(dá)到最高。15:00后，太陽輻射減弱，太陽能得熱量逐漸減小；18:00關(guān)閉太陽能側(cè)的循環(huán)水泵。

18:00～次日07:00，環(huán)路3運(yùn)行。此時(shí)直蒸式水源熱泵的平均流量為0.625 m3/h。直蒸式水源熱泵的進(jìn)、出口溫度如圖5所示。

從圖5可以看出：07:00～18:00，直蒸式水源熱泵進(jìn)出口溫差大，對(duì)應(yīng)的流量較小；19:00～次日06:00的溫差比07:00～18:00的溫差小一些，對(duì)應(yīng)的流量較大，這樣直蒸式水源熱泵整體供暖穩(wěn)定，可以滿足室內(nèi)供暖要求。

4.2 太陽能不充足情況下

陰雨天或雪天等太陽能供應(yīng)不足情況下，為充分利用水-冰的相變潛熱，運(yùn)行環(huán)路4，放熱盤管換熱器、取熱盤管換熱器同時(shí)變成取熱盤管換熱器，與蓄熱水箱中的水進(jìn)行熱交換，乙二醇水溶液通過直蒸式水源熱泵來為室內(nèi)供暖。

圖5 直蒸式水源熱泵的進(jìn)、出口溫度變化曲線Fig. 5 Temperature change curve of inlet and outlet of direct steaming water source heat pump

利用蓄熱水箱的水相變潛熱供暖，其最大程度上可以將70%以上的水凍結(jié)成冰。利用蓄熱水箱進(jìn)行相變蓄熱，1 m3的0 ℃水變成0 ℃冰最大可釋放的熱量為336000×0.7=235200 kJ，理想情況下可滿足2天1夜的供暖。由于換熱面積增加，流量增大，溫差減少，結(jié)冰厚度也相對(duì)減少，針對(duì)結(jié)冰厚度對(duì)換熱效果的影響，此處不再敘述。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在24 h無太陽能供熱的情況下，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的實(shí)際運(yùn)行效果，具體如圖6所示。

圖6 雙換熱器同時(shí)取熱時(shí)水源熱泵的進(jìn)、出口溫度Fig. 6 Inlet and outlet temperature of water source heat pump when double heat exchanger takes heat at the same time

在無太陽能可利用時(shí)，直蒸式水源熱泵可持續(xù)穩(wěn)定供暖，通過蓄熱水箱的水相變釋放出的潛熱可以滿足24 h供暖需求，維持室內(nèi)溫度正常。

考慮到融冰需求，如需維持后續(xù)正常供暖，可增加平板型太陽能集熱器面積。按面積熱指標(biāo)為35 W/m2，24 h所需負(fù)荷為181440 kJ，所需平板型太陽能集熱器面積約為15 m2。因此，可增設(shè)1～2塊平板型太陽能集熱器。

5 控制系統(tǒng)

太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)形成后，在不改變主要設(shè)備的前提下，采用PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)天氣變化情況，及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行情況，包括各開關(guān)及閥門啟停，收集流量、溫度、濕度、風(fēng)速和電功率等數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

白天保證室內(nèi)溫度在約20 ℃的方式有2種，一種是自動(dòng)控制末端風(fēng)量大小，另一種是控制系統(tǒng)用戶側(cè)循環(huán)水泵的流量，目的是防止熱能流失，讓蓄熱水箱多儲(chǔ)藏高品位的熱能，供晚上使用。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

目前，河北省南部地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)住宅主要采用燃?xì)獗趻鞝t采暖，運(yùn)行費(fèi)用高昂。2種供暖方式的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 2種供暖方式的運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比Table 2 Comparison of operating costs of two heating methods

本系統(tǒng)中的設(shè)備雖造價(jià)較高，但運(yùn)行費(fèi)用較低，預(yù)計(jì)3.38 年可收回成本，且有較高的環(huán)保效益。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)供熱量可滿足河北省南部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)60 m2住宅的供暖要求，在陰雨天或雪天時(shí)也能滿足供暖要求，直蒸式水源熱泵的平均能效比為3.5，基本實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效利用。

2)太陽能/直蒸式水源熱泵耦合供暖系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性，為太陽能采暖系統(tǒng)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)住宅中的應(yīng)用提供了新的方案。該系統(tǒng)解決了冬季太陽輻照量密度低、間歇性、不穩(wěn)定和晝夜熱量不平衡問題。系統(tǒng)投資成本在可接受范圍內(nèi)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行費(fèi)用低。