太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的研究

太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的研究

近年來(lái)，由于環(huán)境惡化和能源短缺，可支配能源的開(kāi)發(fā)已成為所有國(guó)家制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在建筑供熱空調(diào)等能耗較大的領(lǐng)域,太陽(yáng)能研究逐漸增多,進(jìn)行了很多理論與實(shí)踐研究,取得了一些成就,對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用已經(jīng)成為當(dāng)前很多科技人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。課題組結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng),進(jìn)行了啟動(dòng)熱泵工況運(yùn)行和太陽(yáng)能直接供暖工況運(yùn)行。本文著重考察了太陽(yáng)能直接供暖工況下系統(tǒng)的性能,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,為太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行提供參考依據(jù)。1太陽(yáng)能集熱器白天太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射熱量,向室內(nèi)供熱,并把多于熱量?jī)?chǔ)存到蓄熱水箱中。風(fēng)機(jī)盤(pán)管作為末端裝置向熱泵實(shí)驗(yàn)室供熱。晚上關(guān)閉太陽(yáng)能集熱器,室內(nèi)由蓄熱水箱向風(fēng)機(jī)盤(pán)管供熱。整個(gè)過(guò)程由循環(huán)水泵提供動(dòng)力。為了克服太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和間歇性,系統(tǒng)中必須設(shè)有蓄熱裝置。集熱介質(zhì)在太陽(yáng)能集熱器中得到由集熱板吸收的太陽(yáng)能后,流入蓄熱器中的換熱盤(pán)管,通過(guò)熱交換把部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì),蓄熱介質(zhì)則在良好的保溫條件下將這部分熱量?jī)?chǔ)存起來(lái);當(dāng)需要用熱時(shí),蓄熱介質(zhì)則通過(guò)熱交換將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)。見(jiàn)圖1。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2..1平屋頂布置上的位置本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)、工廠裝配的低溫平板型集熱器,用鋼制板式散熱器作太陽(yáng)能集熱板。集熱器布置在熱泵實(shí)驗(yàn)室前的一平屋頂上朝向正南,傾角為52°。結(jié)合實(shí)際加工尺寸,每臺(tái)集熱器尺寸為1700mm×1400mm,5臺(tái)集熱器總有效面積是10.988m2。為防止冬季管路中集熱流體凍結(jié),本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)酒精與水的混合溶液作為防凍液,其凝固點(diǎn)可達(dá)-14.2℃。2.2蓄熱盤(pán)管安裝為本實(shí)驗(yàn)采用單槽式低溫蓄熱器,內(nèi)置聚乙烯塑料換熱盤(pán)管。盤(pán)管進(jìn)口與集熱器出口連接,出口與蒸發(fā)器進(jìn)口連接。蓄熱容積為2.027m3,換熱盤(pán)管外徑32mm,壁厚2.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.373w/m℃,總長(zhǎng)108.8m,換熱面積10.94m2。蓄熱水箱形狀為矩形,采用δ=3mm鋼板焊制水箱主體結(jié)構(gòu),用δ=1.2mm鋼板焊制水箱外殼,外形尺寸為1700mm×1700mm×1700mm。2.3溫度測(cè)量測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括溫度測(cè)試系統(tǒng)、流量測(cè)試系統(tǒng)、電功率測(cè)試系統(tǒng)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)。(1)溫度測(cè)試系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元(HP34970A數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元)、插入式模塊(HP34901A20)通道銜鐵繼電器多路轉(zhuǎn)換器)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)組成。溫度傳感器采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的銅-康銅熱電偶,并可對(duì)測(cè)量值加以自動(dòng)修正,從而提高了溫度測(cè)量的精度。(2)循環(huán)管路中流體的累積流量由瑞典產(chǎn)的MCE08-787型累積流量計(jì)測(cè)定,瞬時(shí)流量由國(guó)產(chǎn)LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定。(3)電功率測(cè)試系統(tǒng)由DF型集中式電能表組成,可以即時(shí)讀取。(4)投射到集熱面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度由TBQ-2總輻射表測(cè)定,并利用HP34970A數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元即可對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度自動(dòng)掃描測(cè)試。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為了研究太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)太陽(yáng)能直接供暖工況下系統(tǒng)的整體供熱性能和系統(tǒng)主要設(shè)備的工作性能,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析時(shí),主要考慮:(1)以天為單位,考察在太陽(yáng)能直接供暖工況測(cè)試期間系統(tǒng)的整體性能以及各主要設(shè)備的工作性能,并對(duì)總體結(jié)果進(jìn)行整理分析;(2)選取其中1次典型實(shí)驗(yàn),考察系統(tǒng)各主要性能參數(shù)以及各主要設(shè)備的工作性能隨時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)全天的瞬時(shí)結(jié)果進(jìn)行分析。3.1日總太陽(yáng)輻射量與科整個(gè)測(cè)試期間內(nèi)的太陽(yáng)能集熱器的日間集熱量隨日總太陽(yáng)輻射量化情況如圖2所示。由圖2可以看出:(1)太陽(yáng)能集熱器的日間集熱量隨日總太陽(yáng)輻射量的變化而變化,變化趨勢(shì)基本相同。(2)3月27日集熱器未收集到熱量,日總太陽(yáng)輻射量為5.47kWh/d。(3)日總太陽(yáng)輻射量與日間集熱量的差值反映太陽(yáng)能集熱器的集熱效率,2者的差值越小,說(shuō)明太陽(yáng)能集熱器的集熱效率越高。(4)在整個(gè)供暖測(cè)試期間,日間太陽(yáng)輻射量的平均值為47.71kWh,日間集熱量的平均值為22.41kWh。3.2太陽(yáng)輻射與系統(tǒng)供熱量圖3給出了3月22日太陽(yáng)輻射熱量和系統(tǒng)供熱量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖3可以看出,系統(tǒng)供熱量在白天隨太陽(yáng)輻射熱量變化,在晚間系統(tǒng)供熱量基本維持穩(wěn)定。日間太陽(yáng)輻射熱量為55.78kWh,系統(tǒng)供熱量為26.22kWh。3.3能耗能的檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)用的太陽(yáng)能直接供暖系統(tǒng)主要由集熱器、蓄熱器、輔助熱源、循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)盤(pán)管組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要消耗電能,即循環(huán)水泵耗電量、風(fēng)機(jī)盤(pán)管耗電量和電加熱器消耗的電能。圖4給出了測(cè)試期間采暖末期循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)盤(pán)管的耗電量的變化趨勢(shì)。由圖4可見(jiàn),系統(tǒng)日耗電量變化范圍較小,在8.46~8.52kWh之間變化,平均值為8.49kWh。系統(tǒng)耗電量決定著系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,較低的耗電量使系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。3.4系統(tǒng)效率圖5給出了采暖末期系統(tǒng)的效率。由圖5可見(jiàn),系統(tǒng)平均效率為0.35,這說(shuō)明系統(tǒng)的效率比較低。4系統(tǒng)供熱量和能耗(1)太陽(yáng)能直接供暖期間,采暖末期室外溫度變化范圍較大,在2.32~13.71℃之間,此時(shí)室外平均溫度為8.1℃。為使供熱系統(tǒng)有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,必須保證在室外溫度波動(dòng)較大的情況下,供熱系統(tǒng)有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力,是室內(nèi)供熱穩(wěn)定。太陽(yáng)能集熱器的日間集熱量與太陽(yáng)輻射量的變化趨勢(shì)基本相同,在整個(gè)供暖測(cè)試期間,日間太陽(yáng)輻射量的平均值為47.71kWh,日間集熱量的平均值為22.41kWh。(2)在白天,系統(tǒng)供熱量與太陽(yáng)輻射量的變化有關(guān),并隨太陽(yáng)輻射熱量變化而變化,在晚間系統(tǒng)供熱量基本維持穩(wěn)定。日間太陽(yáng)輻射熱量為55.7