太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究

太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究 12 1肖静静 张永新王侃宏 ,1.河北工程大学 河北 邯郸 ～2.冀中能源邯郸矿业集团, 摘要:本文搭建了太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验台～进行了以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热研究～以及蓄热装臵通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验～得出晴朗的白天利用真空管太阳能集热器加热循环水以提高石蜡的温度～使其发生相变～将热量贮存其中,夜晚将石蜡中的热量释放到地源热泵地埋管侧循环水中～在一定程度上提高了地埋管侧循环水的温度～并缓解了地下温度场在地源热泵连续运行工况下温度偏低的状况～从而提高地源热泵供暖系统的运行效率。 关键词:太阳能、相变蓄热、地源热泵、实验研究 1、 引言 地源热泵作为一项高效、节能，有利于环境保护和资源可持续发展的空调冷热源技术，既能在冬季供暖、又能在夏季空调制冷，具有良好的发展前景。夏季通过将热量转移到地下，冬季通过对土壤的低品位的热量进行提升，可以满足冬夏季采暖空调要求两种运行模式，具有较使用常规能源节能的优势。经过多年的研究，地源热泵系统在技术上已经趋于成熟，而且经过示范与实践，确认了地源热泵系统具有节能、环保、自然资源再利用、舒适、安全、性能稳定、清洁、使用灵活等很多优点。 采用土壤泵为建筑物供热可以减少一次能源的消耗量。通过直接燃烧矿物燃料给建筑物供热时，即使在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率最高也不会超过100%，如果利用矿物燃料燃烧产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵机组把从作为低温热源的大地中提取低品位的热[1]能转化为高品位能为建筑物供热，热泵的供热系数可达3.5或更高。[1] 太阳能–地源热泵了(SESHPS)系统则是以太阳能和大地为复合热源的热泵系统，属于太阳能和地热能综合利用的一种形式。太阳能与土壤热的结合具有很好的互补性，太阳能可以提升地源热泵进口流体温度，从而高热泵机组的运行效率;大地提供的能量可以补偿太阳能的间歇性，使得太阳能热泵在阴雨天及夜晚仍能正常运行;同时，土壤还可以将日间富余太阳能暂时储存，不仅能起到恢复土壤温度的[2]作用，而且可以减小其他辅助热源或蓄热装置的容量。 为克服太阳能随昼夜间断及阴雨、多云天气出现不稳定性以及在地球表面能量的低密度性，在太阳能–地源热泵供热系统中设置蓄热装置是解决上述问题的有效 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 之一。一般来讲，物质的潜热要比显热大得多，因此储热装置如果采用相变材料作为蓄热介质时其体积可以大为缩小，不仅可以减少蓄热装[3]置所占据的建筑空间，还可以降低设备初投资。 本文介绍利用太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验台进行以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热及蓄热装置通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验，白天利用真空管太阳能集热器提高集热器内循环水的温度，高温循环水通过蓄热装置中的螺旋盘管与装置内的石蜡进行换热，循环水释放热量温度降低，石蜡吸收循环水的热量后温度升高，达到其相变温度后发生相变，由固态变为液态，将热量贮存其中;夜晚蓄热装置中的螺旋盘管通过一小型板式换热器与地源热泵地埋管侧冷水进行换热，在一定程度上提高了地埋管侧循环水的温度，并缓解了地下温度场在地源热泵连续运行工况下温度偏低的状况，从而提高地源热泵供暖系统的运行效率。 2、 实验系统介绍 本实验台位于河北省能源研究所实验室，由地源热泵系统、太阳能集热器系统、空调末端、蓄热装置和数据采集系统等部分组成。 T11 T12 FCU FCU FCU FCU 集热器 E T8 热泵机组 G T10 A 蒸发冷凝F T9 B B H C 器侧 器侧 T7 D C 板式换热器 T1 T4 ?3m T2 T5 蓄热体中 ?10m 心测温点 地埋管 T3 T6 ?21m 蓄热装置 2# 1# 3# 4# 5# 图1 实验台系统图 2.1 实验系统 图1为实验台的系统图，如图所示，实验系统中所用地源热泵机组型号为DNQWSR,4，在名义工况下，制热量为4.6kW，制热输入功率为1.7kW。热泵机组的地埋管侧及负荷侧的水泵G、H为屏蔽泵，额定功率均为100W，流量为52L/min，扬程为6m。 地埋管与热泵机组的水路连接以及风机盘管与热泵机组的水路连接均采用PPR管道;地埋管采用单U形HDPE高密度聚氯乙烯管，管径32mm，深度为21m，埋管间距5m。 热泵机组与地埋管的水路循环通过板式换热器既可以与真空管集热器的循环水路进行换热，也可以与蓄热体内的盘管环路进行换热，这种转换由阀门A、B、C的开关来进行控制:当白天蓄热装置进行蓄热时，阀门A、C关闭，阀门B打开，太阳能集热器中的循环水在泵E的作用下与蓄热装置中的盘管组成回路，对石蜡进行加热，石蜡温度升高时行显热蓄热，当石蜡温度上升到其相变温度时，发生由固态到液态的相变，此时进行潜热蓄热，当石蜡全部熔化后，液态石蜡继续吸热进行液态下的显热蓄热过程;当夜晚蓄热装置进行放热时，阀门A、C打开(为防止夜晚温度过低将连接集热器的管路冻坏，泵E在集热器中的水温度过低时将启动，使连接集热器的管路中的水流动循环，防止冻坏，此时需将阀门A打开)，阀门B关闭，蓄热装置中盘管与板式换热器在泵F的作用下组成循环回路，与热泵机组的蒸发器的部分出水(通过换热器的蒸发器低温水的流量可由阀门D来调节)通过换热器进行换热，蓄热装置中的石蜡通过盘管中的中介水将热量传递给蒸发器侧冷水，冷水温度升高，石蜡温度降低先释放其液态时的显热蓄热，石蜡温度降低到其相变温度时，将释放其潜热蓄热，当石蜡全部凝固后，将释放其固态时的显热蓄热。 蓄热装置呈圆柱形，高为0.6m，直径为0.3m，除去盘管及装置顶部的剩余空间，装置内共盛有20#相变专用石蜡35L(液态时体积)，装置内用PE-X管作为换热盘管，装置顶部、底部及外侧加1.5cm厚聚乙烯保温层。 真空管集热器设置在实验楼4层楼顶，每根集热器真空管直径φ为47mm，长为1.8m，共50根，集热器水路循环泵采用零度循环泵，并配有零度循环泵控制柜，即在集热器的进、出口处设置温度传感器，温度传感器将进、出口处的温度传递给零度循环泵控制装置，当出口处温度低于某一接近0?的温度时，零度循环泵就开始启动，以防止夜晚温度过低将连接集热器的管路冻坏;同样当入口处水温高于 某一温度时，零度循环泵也开始启动，将集热器中加热后的高温水送到负荷装置处。 空调系统的末端装置为4组落地式风机盘管机组，其额定风量为1250m?/h，供暖房间为两间面积均为40m?的办公室。 夏季，热泵机组的蒸发器通过风机盘管吸收房间里的热量，冷凝器通过地埋管水路循环把蒸发器吸收的热量释放到大地中，以此实现空调制冷的目的;冬季热泵机组的蒸发器通过地埋管换热器吸收大地中的热量，冷凝器通过风机盘管水路循环把蒸发器吸收的热量释放到房间中，以此实现空调制热的目的，如果太阳能集热器中的水温度达到热泵机组蒸发器吸热的温度，也可以采用太阳能集热器与地埋管联合运行的方式来满足供热要求。为了更有效的利用太阳能，在地源热泵系统中设置相变蓄热装置，白天在太阳能有富余的情况下，将太阳能贮存在蓄热装置中，晚上再将蓄热装置中的热量提取出来加以利用。 2.2 数据采集系统 在热泵机组的冷凝器进、出水管设置PT100热电阻温度传感器T7、T8，在蒸发器进、出水管设置PT100热电阻温度传感器T9、T10以采集冷凝器和蒸发器进、出水的温度;在太阳能集热器的进、出水口处也同样设置有热电阻温度传感器T11、T12以采集太阳能集热器内循环水的进出口温度;在距地面约?3m、?10m、?21m处的埋管井中分别设置PT100热电阻温度传感器T1、T2、T3、T4、T5、T6以采集1#、2#进管井处地下温度场数据;由于条件所限仅在蓄热装置中心部位设置一温度传感器以采集蓄热装置中石蜡的温度。以上由传感器采集到的数据通过A/D变送模块、采集卡等硬件传入工控机，在工控机中通过组态软件Fix实时 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 并保存数据，通过Fix中的显示模块可以将采集的数据图形化。 3、 实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 实验时间为2008年12月14日8:00至2008年12月19日8:00。由于本实验着重研究相变蓄热装置对地源热泵供暖系统的影响，故即使白天太阳能集热器产生的热水可以辅助热泵系统供热，也只是在白天利用太阳能集热器产生的热水加热相变蓄热材料，而不用于加热热泵机组的地埋管侧循环水。在夜晚热泵机组的地埋管侧部分循环水通过板式换热器与蓄热装置中的石蜡进行换热，吸取白天贮存在石蜡中的热量以提高其自身的温度，从而提高热泵机组的效率。实验过程中蓄热装置的蓄、放热时间如表1所示。 表1 蓄热体蓄、放热时间 日期 蓄热开始 蓄热结束 蓄热时间(h) 放热开始 放热结束 放热时间(h) 12月14日 11:30 17:00 5:30 19:00 次日8:00 13:00 12月15日 10:45 15:30 4:45 19:00 次日8:00 13:00 12月16日 10:50 15:00 4:10 19:00 次日8:00 13:00 12月17日 11:00 14:00 3:00 14:00 次日8:00 18:00 12月18日 10:50 14:00 3:10 14:00 次日8:00 18:00 在前3天的试验中观察到石蜡的显热对系统的影响相对于其潜热很小，为研究蓄热体长时间放热时的特性，在第4天和第5天的试验中提前关闭蓄热，并进行放热试验，放热时间由前3天的13小时增加到18小时。 4、 实验数据 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 4.1 蓄热装置的蓄、放热过程分析 下面以12月16日和17日两天中蓄热体温度随太阳能集热器出水温度的变化为例来分析蓄热装置的蓄热过程特性。 图2 蓄热体中心及集热器进、出口水温度(16日) 将使零度循环泵启动的入口处水温设置为28?时，如图2所示，大约在12:50之前，集热器入口处水温没有达到28?，集热器管路中的水是静止的，所以出口处的水温一直处于较低的温度，且此温度基本保持不变，由于太阳能集热器入口处测温点位置高于出口入测温点位置，而高温水的密度小于低温水的密度，这就使得入口处测温点处于高温水中，而出口处测温点处于低温水中，这就造成了在零度循环泵启动前入口处水温要高于出口处水温的现象。 由于天气原因，在12:50之后集热器入口处水温达到28?(正常晴朗天气时大概在11:00即可达到此温度)，此时循环泵开始运转，集热器中加热后的高温水经出口流出，从而使出口处的水温在12:50,13:00期间的10分钟内出现一个20?的温升，并超过入口水温。此后，集热器中的高温水由出口流出，经过蓄热体后释放热量，同时高温水在循环过程中也会产生一定的热损失，两者共同作用使高温水温度降低，然后又经集热器入口注入集热器，在集热器内又被加热，如此反复循环。 随着太阳辐射强度的增大，集热器进、出口处水的温度也相应升高，并在16:00分别达到最高值31?和47?(正常晴朗天气时大概在15:00可以分别达到70?和80?)，此后由于太阳辐射强度降低，集热器进、出水的温度也相应降低，17:00左右太阳辐射强度基本为0，但由于此时已将集热器水路与蓄热装置断开，集热器水路中的水温降低全是由管路热损失造成的，故其温度变化会呈现如图2所示的缓慢降低的过程。 在集热器水路循环之前，蓄热装置中的石蜡温度一直处于17.5?，从13:10开始，石蜡测温点处温度开始以0.355?/10min的速度缓慢升高。石蜡测温点出现温升的时刻之所以滞后于集热器供水管出现温度剧升时刻20min，是因为加热盘管是盘在蓄热装置容器壁附近，而石蜡测温点处于蓄热装置中心处，太阳能集热器中高温水的热量通过换热盘管先传递给盘管周围的石蜡，被盘管周围的石蜡吸收部分后再以热传导的方式进一步往中心处的测温点传递，所以会出现滞后现象。 在14:10时，石蜡中心测温点处温度已达到20?，相对于此后1小时内石蜡温度以3.4?/10min的速度上升可以看出，石蜡在13:10,14:10之间正以很小的温升处于相变阶段，即使在这个时期内石蜡与换热盘管之间存在17?的平均温差，其温度变化也没有在14:10之后存在7.7?的平均温差时的温度变化剧列，这更有力的说明了此时石蜡处于相变阶段。 在16:00时，石蜡温度达到45?，几乎与太阳能集热器供水的温度相同，而此后随着太阳能集热器供水温度的降低，石蜡温度也开始缓慢降低，此时应该切断集热器供水停止蓄热，防止蓄热装置中的热量“回流”到集热器中。 从19:00开始时蓄热装置开始放热，此时石蜡的温度已降低到42.6?。在刚开始的半个小时内，石蜡的温度以7?/10min的速度下降，一是由于此时石蜡处于释放显热阶段，其热容较小，相对于释放潜热，释放同样的热量，此阶段会产生更大的温降;二是由于此时石蜡还处在高温阶段，与热泵机组冷凝水有很大的温差，这样就使得石蜡在同样时间内失去更多的热量。 自19:30后，石蜡温度下降极为缓慢，在23:30之间基本保持在18.8?左右，一是由于石蜡处于释放潜热阶段，温度变化缓慢;二是由于石蜡与热泵机组冷凝水的温差较小，导致石蜡放热缓慢。 17日与16日的运行工况主要有两处不同:一是太阳能集热器入口处温度在11:00时达到28?，即蓄热体也从11:00开始蓄热，比16日提前2小时;二是蓄热体在14:00开始放热，比16日提前5小时，这主要是为能够增加蓄热体放热时间而设置的，对蓄热体的换热性能没有大的影响，只是在时间段上不同。 由图3可以看出，蓄热体中心温度及集热器进、出口水温度在整体趋势上同16日相同，只是在蓄热体还没有达到最高温度时就开始使其放热。 图3 蓄热体中心及集热器进、出口水温度(17日) 在放热阶段，蓄热体的温度以8.65?/10min的速度下降，这主要是由于蓄热体在放热阶段的初始温度很高所引起的，此温度为14:00的55.6?，比16日的最高温度45.39?还要高10.21?。 由以上分析可以看出，太阳能集热器的供水水温随太阳辐射强度的变化而变化，其最高温度大约出现在16:00，可以达到70?，足以将所用相变材料熔化，使其蓄热;实验所采用的20#相变蓄热专用石蜡的相变温度大概为17?,20?。 4.2 对蒸发器进、出口水温的影响 蓄热装置中的石蜡通过中介水在板式换热器中与蒸发器出口的部分冷水进行换热，石蜡将释放的显热及潜热传递给蒸发器出口的部分冷水，不仅提高了蒸发器出口水温，并且可以有效的缓解地埋管井的温降。 在实验中蒸发器进、出口水温的变化如图所示，图中横轴是以天为单位的时间轴，第0天表示2008年12月14日00:00，第0.5天表示2008年12月14日12:00，以此类推，第2.75天表示2008年12月16日18:00。图中第1.375,第1.667天之间的温度剧变是由于管路故障而临时停止热泵机组运转所致，这段时间内太阳能集热器及蓄热装置照常运转，对实验不会造成大的影响。 如图4所示，在第0.333天(8:00)热泵机组开始启动时，蒸发器的进、出口水温大约都在12?左右，在此之后的6小时内，其进、出口水温分别降至8.18?、5.60?，并在开启蓄热装置进行辅助加热前一直维持此温度。 25 进口水温20 出口水温15 10 5 蒸发器进出口温度0/? 00.511.522.533.544.555.5时间/天图4 蒸发器进、出口水温 在第0.792天(19:00)时，蓄热装置开始放热辅助加热蒸发器出口水，在15分后蒸发器进、出口水温分别升到10.37?、7.22?，这是由于蓄热装置放热初期，石蜡温度很高，与蒸发器进口水的温差很大，故能在短时间内使蒸发器进口水温急剧升高。在此后的1.5小时内，蒸发器进口水温降至8.80?，比启用蓄热装置前提高了0.62?，并将此温度维持到次日凌晨2:30，共持续了6小时;而蒸发器出口水温则降至5.69?，比启用蓄热装置前提高了0.59?，并将此温度维持到次日8:00，共持续了11小时。 蒸发器出口水的温升之所以比进口水的温升持续的时间长，是因为在蓄热装置放热初期，由于较高温度的石蜡所释放的热量会对蒸发器进、出口水温产生持续时间基本相同的作用，并且在此期间，地埋管的温降也由于蒸发器出口的水温上升会有所缓解，而当蓄热装置的放热作用衰弱到对蒸发器出口水温影响不明显时，地埋管周围的地温会比使用蓄热装置前有所提高，所以从地埋管出来即将进入蒸发器进口的水温在地埋管相对较“高”的温度下不会因为蓄热装置已衰弱的放热作用而出现明显的下降，而是比进口水的温升持续更长的时间。在实验期间，蒸发器进、出口水温变化见表2、表3所列。 在实验中，每天使用蓄热装置后蒸发器进口的水温不仅温升不相同，并且其持续时间也不相同，为比较每天蓄热装置对蒸发器进口水温的影响，这里采用温升持续时间与温升的乘积来表示，如里一天内的温升有多个不同的阶段，则将这几个阶段的温升持续时间与温升的乘积的和来表示。 表2 蓄热装置对蒸发器进口水温的影响 辅助前进辅助后进辅助后稳辅助后稳持续时间与温持续 实验日期 口水温口最高水定时水温 定时温升 升的积的和时间 (?) 温(?) (?) (?) (h) (h??) 8.28 10.37 8.80 0.52 6 3.12 12月14日 9.05 0.82 3 8.23 14.15 3.98 12月15日 8.61 0.38 4 7.00 8.02 7.52 0.52 11.5 5.98 12月16日 7.45 0.99 9 6.46 8.96 11.31 12月17日 6.94 0.48 5 7.41 1.21 3.5 6.20 8.42 11.34 12月18日 6.91 0.71 10 注:上表中12月15日中的水温有两行，这表示蒸发器进口水温在9.05?持续了3小时后，又以8.61?的水温持续了4小时;以持续时间与温升的积的和表示蓄热装置对蒸发器进口水温的影响，如0.82×3，0.38×4,3.98，其余相同。 由表2持续时间与温升的积的和可以看出，使用蓄热装置后对蒸发器进水管水温影响最大的是实验期间的后两天，影响最小的是实验的第一天，这是由于在实验前期，蒸发器进水管水温与实验后期相比还未下降的还低(第一天比第五天的温度高2.08?)，通过板式换热器与蓄热装置盘管中循环水的温差不大，这就使得它们之间的换热量相对较少，所以蒸发器进水管水温上升幅度不大，持续时间也不长，蓄热装置对其影响较小;而在实验后期，蒸发器进口水温与蓄热装置盘管中循环水的温差相对较大，它们之间的换热量也大，使得蒸发器进水管水温上升幅度比实验初期大，持续时间也长，所以蓄热装置对其影响也大。 由表3可以看出，使用蓄热装置后对蒸发器出水管水温的影响在实验期间的五天内基本相同，这是因为地埋管侧的循环水先经蒸器进水管进入蒸发器内进行换热后再经蒸发器出水管流入板式换热器吸取蓄热装置中的热量，也就是说蓄热装置的影响是在蒸发器出口的“下游”，在经过板式换热器、地埋管、蒸发器以及它们之间的连接管路中，这种影响不断衰减，等到达这个环路的“最末端”时，它没有表现得像对进水管的影响那么明显。 表3 蓄热装置对蒸发器出口水温的影响 辅助前出辅助后出口持续 辅助后稳定辅助后稳定持续时间与温升实验日期 口水温最高水温时间 时水温(?) 时温升(?) 的积的和(h??) (?) (?) (h) 6.20 1.10 2 12月14日 5.10 7.22 8.69 5.69 0.59 11 6.20 1.01 2 12月15日 5.19 10.89 7.12 5.70 0.51 10 4.93 1.02 3 12月16日 3.91 5.43 8.16 4.42 0.51 10 4.88 0.96 5 12月17日 3.92 5.90 9.40 4.38 0.46 10 4.81 1.04 4 12月18日 3.77 5.81 9.02 4.31 0.54 9 4.3 对冷凝器进、出口温度的影响 蓄热装置通过板式换热器将其热量释放到蒸发器出水管路中，提高了蒸发器进、出口水温，进而提高了机组的运行效率，同时对冷凝器的进、出口水温也有一定的影响，但其影响不如对蒸发器进、出口水温的影响明显。 如图5所示，在实验开始的前4个小时内(12月14日8:00,12:00)，冷凝器的进、出口水温变化均为一个急剧上升的过程，分别从10.54?、11.32?上升到37.06?、37.88?，此后除12月15日9:00,15:30的机组停机期间均在35?,40?之间。 图5 冷凝器进、出口水温 在实验进行的前三天中，由于系统刚启动及停机等因素，蒸发器进、出口水温的随蓄热装置的启用及关闭的变化不明显，但在后两天中有着较为明显的变化，如在第4天的14:00左右，冷凝器的进、出口水温分别由8:00的33.94?、36.94?上升到37.45?、40.28?，上升幅度分别为3.51?、3.34?。表4为蓄热装置启用前后冷凝器进、出口平均水温的变化情况，从表中可看出前两天的温升比较大，主要是由于这两天均有一个机组启动的时间，在机组启动前的温度是很低的，而这段时间正处于蓄热装置没有使用的时候，所以使得蓄热装置启用前后的温差很大，而实验的后三天系统运行基本处于相对稳定的时期，这三天中蓄热装置使用前后的平均温升分别在0.12?,0.47?、0.21?,0.91?，充分说明了相变蓄热装置对冷凝器进、出口水温的影响。 表4 蓄热装置对冷凝器进、出口水温的影响 辅助前平均辅助后平均辅助前平均辅助后平均进口水温提出口水温提实验日期 进口水温进口水温出口水温出口水温高幅度(?) 高幅度(?) (?) (?) (?) (?) 12月14日 35.00 39.68 4.68 36.17 40.75 4.58 12月15日 30.88 39.74 8.86 32.08 41.11 9.03 12月16日 35.26 35.67 0.41 37.08 37.99 0.91 35.95 36.42 0.47 38.42 39.17 0.75 12月17日 12月18日 36.14 36.26 0.12 38.98 39.19 0.21 4.4 对地埋管壁温的影响 蓄热装置通过板式换热器将其热量释放到蒸发器出水管路中，蒸发器出水管路又与地埋管相连接，这样既提高了蒸发器进、出口水温，同时对地埋管壁温的降低也有一定的缓解作用。 图6 1#地埋管壁温度变化 如图6所示，在实验期间1#地埋管井的壁温在启用蓄热装置后均有一定的上升，表5、表6列出了蓄热装置对1#、2#地埋管的?3m、?10m、?21m三处壁温的平均温度的影响。 表5 蓄热装置对1#地埋管平均壁温的影响 持续时间与辅助前壁温辅助后壁温温升幅度 温升开始时实验日期 持续时间(h) 温升的积的(?) (?) (?) 间 和(h??) 9.15 0.77 19:15 0.75 12月14日 8.38 8.98 0.60 20:00 2 2.378 8.46 0.08 22:00 7.5 8.87 0.36 20:00 1.5 8.51 0.665 12月15日 8.56 0.05 21:30 2.5 7.28 0.29 19:15 3.25 12月16日 6.99 1.323 7.03 0.04 22:30 9.5 7.38 0.86 14:15 1.25 12月17日 6.52 6.005 7.10 0.58 15:30 8.5 7.06 0.83 14:15 3.25 12月18日 6.23 5.708 6.66 0.43 17:30 7 由表5可以看出，启用蓄热装置后对地埋管壁温影响最大是第四天，以0.86?和0.58?的温升分别持续了1.25h和8.5h，主要原因是该天辅助前壁温最低，为6.23?;影响最小的是第二天，这主要是由于当天的停机使地温有所恢复(这天的辅助前壁温为8.51?，是这五天中最高的)，而开机后地埋管壁温还未达到相对稳定状态时就启用了蓄热装置，致使蓄热装置对地埋管壁温的影响不够明显。 图7 2#地埋管壁温度变化 由表6同样可以看出，启用蓄热装置后对地埋管壁温影响最大是第四天，以0.67?和0.52?的温升分别持续了1.25h和8h;影响最小的同样是第二天。 表6 蓄热装置对2#地埋管平均壁温的影响 持续时间与辅助前壁温辅助后壁温温升幅度 温升开始时实验日期 持续时间(h) 温升的积的(?) (?) (?) 间 和(h??) 11.81 0.51 19:15 2 12月14日 11.30 1.200 11.33 0.03 21:15 6 11.49 0.18 20:00 2 12月15日 11.31 0.375 11.32 0.01 22:00 1.5 10.08 0.17 19:30 2 12月16日 9.91 1.075 9.98 0.07 21:30 10.5 10.05 0.67 14:15 1.25 12月17日 9.38 4.998 9.90 0.52 15:30 8 9.75 0.51 14:15 3.25 9.24 2.558 12月18日 9.48 0.24 17:30 3.75 由以上分析可以看出，地埋管壁温越低，蓄热装置的使用对其影响越大;相反，地埋管壁温越高，蓄热装置的使用对其影响越小。 4.5 对系统制热系数COP的影响 hs 蓄热装置的使用在一定程度上提高了蒸发器侧的温度，从而对提高热泵机组以及整个供热系统的制热系数COP起到了一定的作用。 hs 表7 蓄热装置启用前后系统平均制热系数COP的变化 hs 实验日期 辅助前平均COP 辅助后平均COP 平均COP增幅 hshshs 12月14日 2.24 2.14 -0.10 2.22 2.42 0.20 12月15日 12月16日 2.16 2.17 0.01 12月17日 2.24 2.51 0.27 12月18日 2.41 2.63 0.21 实验期间平均值 2.23 2.39 0.16 表7为蓄热装置启用前后系统平均制热系数COP的变化，从表中可以看出，除实验的第一天外，hs 其它四天的系统平均制热系数COP在启用蓄热装置后均有一定的增大，最大增幅可达0.27，而整个实hs 验期间的系统平均制热系数COP在启用蓄热装置后增大了0.16。 hs 由以上分析可知，蓄热装置通过提高蒸发器进、出口的水温在一定程度上提高了整个供热系统的制热系数COP，提高了系统的运行效率。 hs 5、 本章小结 本文对太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验的数据进行了较详细的分析，并得出了如下结论: (1) 太阳能集热器出水温度随太阳辐射强度的变化而变化，在下午14:00,16:00左右可以达到最大值，可达70?，而蓄热体的温度也相应的随太阳能集热器出水温度的变化而变化，在蓄热体发生相变的阶段，蓄热体与太阳能集热器出水温度的温差约为15?,25?，而在蓄热体熔化后，其温差约为3?,5?。石蜡的蓄、放热实验可以看出所采用的20#相变蓄热专用石蜡的相变温度大概为17?,20?。 (2) 蓄热装置的使用对蒸发器的出水水温影响较大，出水水温与蓄热装置内中介水的温差越大，蓄热装置对蒸发器的出水水温的影响也越大;而对蒸发器的进水水温的影响相对出水水温较小。 (3) 在热泵机组运行稳态阶段，蓄热装置对冷凝器进、出水水温影响不明显，但其平均温升也可以达0.6?。 (4) 相对于大地的初始温度，地埋管壁温越低，蓄热装置的使用对地埋管壁温的影响越大;相反， 地埋管壁温越高，蓄热装置的使用对其影响越小。 (5) 蓄热装置的使用提高了蒸发器出水水温，也缓解了地埋管壁温的温降，对供暖系统的运行效率也有所提高，在整个实验期间的系统平均制热系数COP为2.39，在启用蓄热装置后增大了0.16。 hs (6) 本实验仅为研究相变蓄热装置对整个供热系统的影响，所以白天太阳能集热器只为蓄热装置提供热水，而在实际应用当中，太阳能集热器所提供的热水在加热蓄热装置中的蓄热介质的同时也可以直接经过板式换热器与地埋管侧的冷水换热，即在白天就可以进行太阳能辅助加热的工况。晴朗天气下，在14:00左右，太阳能集热器提供的热水温度可达60?,70?，这时完全可以不使用热泵机组，而将太阳能集热器提供的热水直接导入风机盘管机组进行室内的空气调节，其效果良好。 参考文献 [1] 刁乃仁，方肇洪，著. 地埋管地源热泵技术 [M] . 北京:高等教育出版社，2006. [2] 谷铁柱.太阳能相变蓄热辅助土壤源热泵研究 [D] . 河北:河北工程大学，2008.6. [3] 崔海亭，杨锋，编著. 蓄热技术及其应用 [M] . 北京:化学工业出版社，2004. 土壤源热泵评价软件编制及北方地区适宜性 研究 北京市建筑设计研究院 孟桃 摘要: 北方地区土壤源热泵系统的实施应持慎重态度～否则会因土壤吸、放热不平衡而引起土壤温度累积变化～导致系统效率低下甚至无法运行。本文以研究地温变化为基础～结合多方面限制条件～编制了土壤源热泵适宜性的评价软件～并且应用该软件对我国北方地区五个气候分区、三种功能建筑分别进行模拟评价～给出应用土壤源热泵作为冷热源的适宜性评价与建议。 关键词: 土壤源热泵 适宜性评价 有限长线源 1. 引言 土壤源热泵作为可再生能源之一，由于土壤吸热与释热量不平衡所导致的地下能量的堆积效应逐渐受到国际社会的关注。目前有许多专家学者从地下换热器换热效果、可行性评价等各方面对其进行研究。然而现有的可行性评价几乎都是针对具体某个工程，对其他工程不具有广泛适用性，欠缺对于土壤源热泵整体适宜性与可行性情况的把握。此外，由于土壤源热泵初投资费用较高，钻孔难度较大，倘若在不适宜的条件下应用土壤源热泵，不但不能达到节能的效果，还造成了巨大的财力资源浪费。 因此，在设计之初需要对土壤源热泵系统适宜性进行评价，并且从宏观上对其适用性进行把握。 2. 钻孔区地下温度场求解 由于本文重点在于对热泵寿命期内长期运行结果的评价与评估，因此以“有限长线源理论”为基础 建立地下换热器解析模型，在保证准确的前提下节省更多的人力及时间。 2.1 地下换热器模型 [1]在对钻孔外部的土壤进行温度场求解时，应用刁乃仁提出的解析模型。假设钻孔内为一根长为钻孔深度的线热源，相当于对以地表恒温作为边界条件的半无限大温度场进行求解。假设条件如下: a.地下土壤的初始温度均匀; b.地表温度保持不变，等于土壤初始温度值; c.地下土壤被近似为半无限大的传热介质; d.地下土壤的热物性是均匀的、且不随其温度的变化而变化，即具有常物性; e.忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上有限长度的线热源。 将无限长线热源转变为有限长线热源，长度为H，其柱坐标为(0，0)和(0，H)。则一维温度场变为二维温度场: ,H22q，,1r(zz')l (1-1) ,,,,,,(r,z,)d'exp[]dz',,/32,4,,,,c(')8,,,,[a(')]00 利用虚拟热源法对其进行求解，得到地下换热器周围土壤中任意一点(r，z)在任意时刻τ所产生的过余温度为: ,,，,，，2222,,，,，，r(zh)r(zh),,erfc(erfc(H (1-2) q,,2,2,aal,,,,dh,,,,22224k,，,，，r(zh)r(zh)o,,,,,,4(tt)R(ZH')R(ZH'),, a2222,,,,z0rhFo,,,,Z,erfc(erfc(H',对其进行无量纲化，令，，，，得到: R,,,2,,qHHHlH FoFo，,，，,,122dH' (1-3) ,o,, R(ZH')R(ZH')2.2 地下换热器负荷求解 ,,2222 q在实际运行中，热流密度为非稳态的。而公式1-1是基于常热流边界条件的，因此必须对其进l 行改进。 在长期(20年)的土壤温度模拟中，为了简化计算可适当放大时间步长，取一个月的平均热流作 q为该月的计算热流，将其等效成以月为单位步长的变热流形式，即将一年12个月简化为12个不同的，l进行非稳态的计算。 Qbh应用动态能耗模拟软件对一个建筑进行能耗分析，计算出该建筑的全年逐时负荷。对其进行处 ql理，从而得到地下换热器单位长度逐月平均热流密度。负荷处理流程图见图2-1。 图2-1 负荷处理流程 [2]利用阶跃热流来处理变热流问题。在长期运行工况的模拟上，利用叠加脉冲原理来模拟变热流密度，可得τ时刻，(r，z)处的过余温度为: n1,,(q,q),,,r ,z,(,,,),lili,1i,1q,04,,l0i,1 () (2-1) ,,,(i,1),,,,n,,,,,,其中，，，为计算时刻，为时间步长。在本文计算中，取一个i,1 ,,,3600，24，该月天数月，则。 此外，利用叠加原理，在任意位置(x，y，z)的过余温度为它附近4个线热源温度响应的叠加。见公式2-2。 4 ,(x,y,z,,),,(x,y,z,,,x,y), (2-2) ,''''xyii其中，，分别为周围4个钻孔中心的横纵坐标，公式中所求点距线热源的距离平方为222。 r,(x,x)，(y,y)iiiii 因此，在计算土壤源热泵长期(20年)运行后的土壤温度场时，按照以月为单位的变热流密度的 i1方式建立管群模型，则土壤中任一点(x，y，z)处的过余温度为: 4n1,,,,(q,q),r ,z,(,,,) (2-3) ,,lili,xi,114,,x,,1i1 3. 土壤源热泵的适宜性影响因素 3.1 节能性指标 与常规能源相比，土壤源热泵必须具备节能性才具备应用的意义，因此节能性是可行性的前提。 [3]节能性的常用指标为“一次能源”利用率PER。本文重点在考察土壤源热泵机组本身的能效，因 此在与常规能源进行比较时，主要比较“冷热源”的一次能源利用率，而对于包含各种水泵的系统一次 能源利用率不进行比较。供冷季冷源以水冷空调机组为比较对象，供热季热源以锅炉为比较对象。 (1) 对于土壤源热泵，其机组一次能源利用率为: Q PER,COP，,，,，,PER,，,，,，,fwy 或 (3-1) sfwy 式中 W Q——土壤源热泵机组的制热(冷)量，kW; W——输入土壤源热泵机组的功率，kW; ,——电厂的供电效率; f ,——电网的输送效率，取92%; w ,y——压缩机的电机效率，取90%; COP——土壤源热泵机组的制热(冷)能效比。 发电量1kWh1000，3600 目前，中国供电煤耗为360g 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤/kWh，煤的热值为29000kJ/kg，那么发电效率为: ,,,,,34.5% (3-2) f (2) 对于水冷电动压缩式冷水机组，需要考虑冷却塔风机的耗电，其一次能源利用率为: Q燃烧量q.m29000，0.36 (3-3) ,，,，,，,PERfwywW，Wlf 水冷电动压缩冷水机组的一次能源利用率变型为: (3-4) 1PER,，,，,，,fwyw1W，lfCOP 水冷空调机组又分为离心式水冷机组和螺杆式水冷机组，通常情况离心式水冷机组COP较高，而螺 杆式相对较低。参照两种机组样本，当机组冷凝器进出口温度为32?、37?，蒸发器进出口温度为12?， PER,1.29w7?时，离心式及螺杆式水冷机组COP分别取4.5、5.0，求得两种机组一次能源利用率分别为， PER,1.43w。 (3) 对于锅炉，其一次能源利用率即为锅炉制热效率。公共建筑锅炉最低设计效率见表3-1。 表3-1 公共建筑锅炉的最低设计效率 [3] 在下列锅炉容量(MW)下的设计效率(%) [1] 锅[2] 发炉[10] >热[4] 0[5] 1[6] 2[7] 4[8] 7[9] 1类28.0 值 .7 .4 .8 .2 .0 4.0 型 [15] 7[16] 7[17] 7[18] 7[19] 8[12] ? [13] , [14] , [11] 燃 3 4 8 9 0 煤[27] 8[23] 7[24] 7[25] 7[26] 8([20] ? [21] , [22] , 2 4 6 8 0 烟 煤 ) [28] 燃 油[36] 9[30] 8[31] 8[32] 8[33] 8[34] 8[35] 9、[29] 0 6 7 7 8 9 0 燃 气 《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》规定，在进行土壤源热泵节能性分析时，冬天供热工况 PER,0.8b以燃煤锅炉为比较对象，则对应的锅炉的一次能源利用率为。而燃气及燃油锅炉对应的一次 PER,0.9b能源利用率为。 3.2 添加防冻剂对机组能效的影响 在冬季制热工况时，热泵机组流体出口温度可能会降至0?以下，为了维持系统的正常运行，环路内需要填加防冻液。 当添加20%浓度的乙二醇为防冻剂时，相同流量的热泵地下换热器的传热能力将为纯水介质下的[4],,94%。因此地下换热器能效应修正为0.94。当然，在不同工况下修正系数会略有差别，因此设地 ,,下换热器换热性能衰减系数为，那么添加防冻剂时地下换热器能效根据实际工况计算应修正为e ,,。 e 防冻液不仅对与防冻液进行热交换的换热器的传量有影响，而且对机组的整体性能均产生影响。当采用20%乙二醇作为防冻液时，在夏季和冬季工况下，机组制冷、制热性能系数COP分别比纯水工况时降低约2.5%。因此，可以在纯水工况下计算机组逐时COP，添加防冻剂情况修正为0.975COP。实际运 ,算中，应根据机组COP的实际衰减情况计算，设机组性能衰减系数为，那么添加防冻剂时机组性能u ,COPCOP应修正为。 u ,o3.3 机组地源侧冬夏极限进口温度 通过对水源热泵机组自身运行特性的分析，得到机组COP随机组地源侧进口温度的变化规律，得到t[5],ok,i公式3-1、3-2。 ,i 0COP,aexp(nt，nt)，b，ct,ik,ok,i制冷工况: (3-1) 1020tCOP,eexp(nt，nt)，f，g k,o制热工况: (3-2) 304tttnn0,i0,ok,i14式中a，b，c，e，f，g，~均为拟合系数;，分别为蒸发器侧进、出水温度，?;，t tk,o分别为冷凝器侧进、出水温度，?。 本文选定某型号水源热泵，对机组样本进行回归。拟合结果见公式3-3，3-4。 制冷工况: o,o to,ok,io,i COP,,0.0119exp(,0.00498t，0.17644t)，1.79254，4.99642to,ik,ok,i (3-3) 制热工况: COP,,0.00037exp(,0.03579t，0.13454t)，4.90531，3.06314tk,o (3-4) [6]我国国标中规定的热泵机组名义工况地源侧夏季进水温度为30?。新版热泵规范规定在冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4度;查阅多个地源热泵机组样本，对于添加 t防冻剂的机组地源侧进口的停机保护温度为-4?。 在此，应用选定的该机组样本COP回归公式，分别计算其停机保护时所对应的一次能源利用率PER。 制冷工况下，极限温度对应机组的PER为1.0，即为夏季最低极限PER。 制热工况下，对于不添加防冻剂的机组来说，其极限PER为1.1;而添加防冻剂的机组极限PER为 。 0.7 4. 评价指标体系构建 在保证机组正常运行的情况下比较其节能性，将评价结果划分为5类，即A-E，其意义分别对应从最适用到最不适用。 A为最优评价。当热泵机组节能性很好，PER很高，并且土壤基本无冷(热)堆积现象，长期运行下寿命期内始终具有节能性。机组冬季运行工况良好，不需添加防冻剂。表明在该条件下，热泵机组非常适用。 B为较优评价。与较高标准的常规冷热源进行比较，即供冷工况与离心式水冷空调机组比较，供热工况与燃油(汽)锅炉做比较。同时土壤冷(热)堆积现象不明显，由于严寒地区初始土壤温度较低，尽管冷堆积现象很小，但仍会出现介质水的冻结危险，需要添加防冻剂。但是在长期运行下寿命期内土壤源热泵始终由于高标准的常规冷热源。表明在该条件下，热泵机组比较适用。 [69]C为可接受评价。参考《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》，在地源热泵机组节能性分析上，将其与一般标准的常规冷热源进行比较，即供冷工况与螺杆式水冷空调机组比较，供热工况与燃煤锅炉做比较。长期运行下寿命期内土壤源热泵始终由于普通标准的常规冷热源。其土壤冷(热)堆积程度须在可接受范围内，机组需要添加防冻剂。 表明在该条件下，热泵机组本身从技术节能上考虑是完全适用的，然而由于该方案节能效果一般，是否具有经济性则需要根据具体情况做进一步经济分析。 D为较差评价。分析热泵机组自身限定条件，如地源侧进口温度的最低限制等，以及参考行业的最低制定标准，仅保证土壤源热泵可以正常运行。其土壤也出现了一定程度的冷(热)堆积现象，机组需要添加防冻剂。在寿命期内长期运行后，机组已不具备优于常规冷热源的节能性。热泵机组不再适用。 对于初始PER大于常规冷热源机组，而由于工况恶劣导致PER逐年下降的情况，应找出PER开始下降到常规冷热源PER以下的年份，在该年之前机组仍具备节能特性，那么可对其进行经济性分析。 E为最差评价。经过长期工况模拟计算，到达寿命期内的某一年限时，土壤源热泵不但不具备节能 性，而且由于土壤严重的冷(热)堆积现象，导致机组停机，热泵无法正常运行。表明在该条件下热泵机组不适用。 综上所述，具体评价指标见表4-1。 表4-1 评价方案 [39] 累积热负荷大(冷堆积) [37] [38] 累积冷负荷大(热堆积) PER,1.1 [42] 供热sPER,1.5[40] A [41] 供冷 s [46] 与燃油(汽)锅炉比较: [44] 与离心式水冷空调机组比较: [43] B 1.1,PER,0.9, [47] 供热su1.5,PER,1.43[45] 供冷 s [51] 与燃煤锅炉比较: [49] 与螺杆式水冷空调机组比较: [48] C 0.9,,PER,0.8, [52] 供热usu1.43,PER,1.29[50] 供冷 s [56] 与机组停机保护温度比较: [54] 与机组停机保护温度比较: [53] D 0.8,,PER,0.7, [57] 供热usu1.29,PER,1[55] 供冷 s PER,0.7 [60] 供热sPER,1[58] E [59] 供冷 s 5. 评价软件编制 5.1 机组长期运行工况平均COP及钻孔深度计算 由于各计算参数之间出现了相互嵌套的情况，无法正常推导。因此本文以长期运行工况平均COP为突破口，采用迭代法进行COP求解，求解思路见图5-1。在迭代求解求得平均COP后，即可依次求出其他参数。 5.2 评价流程 在进行可行性与适用性评价时，应用上述方法求解土壤源热泵各参数，结合第4章所制定的评价方案，本文应用C++语言编制评价软件。评价流程图见图5-2。软件界面见图5-3~5。 图5-1 COP求解过程 6. 北方地区土壤源热泵适宜性评价结果 北方地区又分为五个热工气候区，为了比较不气候区土壤源热泵适用情况，给出北方地区土壤源热泵适用性建议，本文将同一建筑赋予不同功能，分别在五个气候区进行长期工况的模拟。以第5章所制定的评价方案为依据进行适用性比较。 分别选取五个气候区中的典型城市，气象参数见表6-1。分别设定三种功能建筑:办公建筑、酒店建筑、商场建筑。应用所编制的软件分别对这五个气候区的三种功能建筑进行评价，评价等级结果汇总见表6-2。 表6-1 五个气象分区的气象参数 计算采暖期 气候 北纬 东经 HDD18 CDD26 海拔 2 城市 太阳总辐射平均强度 W/m室外温度 度日 度日 区属 度 度 m 天 ? 水平 南向 北向 东向 西向 太原 ?(A) 37.78 112.55 779 3160 11 127 -1.1 108 118 36 62 60 39.93 116.28 55 2699 94 114 0.1 102 120 33 59 59 北京 ?(B) 嫩江 ?(A) 49.17 125.23 243 6352 5 193 -11.9 83 84 28 49 48 哈尔滨 ?(B) 45.75 126.77 143 5032 14 167 -8.5 83 86 28 49 48 41.77 123.43 43 3929 25 150 -4.5 94 97 32 54 53 沈阳 ?(C) 图5-2 评价流程图 图5-3 输入参数界面 图5-4 计算结果界面 图5-5 评价建议界面 19 表6-2 评价结果汇总 办公建筑 商场建筑 酒店建筑 供冷等供热等供冷等供热等供冷等供热等 级 级 级 级 级 级 北京 C A A A C A 太原 C A A A C B 沈阳 A A A B A C 哈尔滨 A C A D A D 嫩江 A D A D A E 7. 小结 (1) 北京、太原、沈阳三个地区土壤源热泵应用效果不错，适用性均在可接受范围内。哈尔滨、 嫩江地区则因土壤初始温度很低以及长期工况下冷堆积严重的问题导致其供热期适用性等 级较低。 (2) 北京地区三种功能建筑均产生热堆积现象，但是由于土壤初始温度较低，因此土壤少量的 热堆积对机组PER影响不大。 (3) 处于严寒地区城市沈阳、哈尔滨、嫩江，其三种功能建筑的供冷适用等级均为A级，制冷 效果很好。然后对于哈尔滨和嫩江来说，由于该地区对供冷需求甚少，热泵的极佳制冷性 能并无用武之地。 (4) 除北京以外，其他地区的办公建筑相对于本地区的其他建筑来说，供热效果最好。 (5) 处于寒冷地区的北京和太原，由于商场负荷峰值很大，换热器尺寸处于相对过盈状态，因 此制冷效果优于同地区的另外两种功能建筑。 参考文献 [61] 刁乃仁(地热换热器的传热问题研究及其工程应用[D](清华大学航天航空学院( [62] 崔萍(地热换热器间歇运行工况分析[J](山东建筑工程学院学报，2001，3(16):52-56( [63] 王长庆，龙惟定，丁文婷(各种冷源的一次能耗及对环境影响的比较[J](节能技术(2000，18(102):8-10( [64] 曲云霞，方肇洪，张林华等(地源热泵系统中防冻液的传热能力分析[J](流体机械2002，30(10): 20 47-50( [65] 刘洋(水源热泵机组变工况运行的数学模型研究[J](暖通空调HV &AC，2007，37(3):21-24( [66] 机械工业部冷冻设备标准化技术委员会编[M](制冷空调技术标准应用手册(北京:机械工业出版社， 1998( 21