文/高冉、王志鵬、張學(xué)謙 濟(jì)南熱力集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000

1、前言

開發(fā)新能源和節(jié)能是尋求能源出路的兩大重要途徑，太陽能熱泵供熱系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能性和環(huán)保性具有廣闊的發(fā)展前景。由于地理位置及氣候條件的差異以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，我國只能根據(jù)本國國情對國外的研究成果加以借鑒，同時應(yīng)大力開展國內(nèi)SAHP系統(tǒng)的研發(fā)工作，以推動太陽能熱泵技術(shù)在我國的推廣及應(yīng)用。

2、太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺簡介

本實(shí)驗(yàn)臺是在青島建筑工程學(xué)院熱泵實(shí)驗(yàn)室的原有設(shè)備及管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加太陽能集熱器和蓄熱器等設(shè)備，并對部分管路進(jìn)行改造而建成的。

活塞壓縮式水—水熱泵，美國Copland公司生產(chǎn)，壓縮機(jī)額定功率為2.2kW，制冷劑為R22;2)12WG-8型管道泵，電機(jī)功率為90W，最大揚(yáng)程為10m，最大流量為20L/min;3)LZB-25型玻璃轉(zhuǎn)子式流量計，d25mm;4)MCE08-787型累積式流量計，d24mm，瑞典產(chǎn);5)聯(lián)箱;6)FP-5立式明裝風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)機(jī)功率為50W;7)容積式保溫水箱，外形尺寸2000×1300×820，內(nèi)置銅管換熱器;8)自行設(shè)計的平板型太陽能集熱器，單層玻璃蓋板，吸熱體表面涂無光黑漆，鋼制殼體，單臺尺寸為1340×1640，共五臺，總有效集熱面積為10.988m2，集熱器朝向正南，傾角可隨季節(jié)調(diào)節(jié)(采暖季為52°，非采暖季為38°);9)自行設(shè)計的蓄熱水箱，外形尺寸1700×1700×1700，凈容積為2.106m3，內(nèi)置低壓聚乙烯塑料圓管d32mm×2.5mm，總管長108.8m，散熱面積10.94m2。箱體內(nèi)裝有3只U型管狀水用電加熱器，電熱管材為d12mm紫銅管，電功率分別為1kW、1.5kW、2kW，可單獨(dú)或并聯(lián)使用;10)WMS1i2513020型小口徑熱能表，Y20mm，公稱流量為2.5m3/h，鉑電阻溫度傳感器，德國產(chǎn);11)WNG-11型金屬套管式玻璃水銀溫度計，尾長120mm，量程分別為0～100℃、0～50℃、-30～50℃;12)ZILMET00201型閉式膨脹水箱(附安全閥及壓力表)，意大利產(chǎn);13)S324型冷暖風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率為0.12kW。

下面以典型工況——太陽能熱泵供熱—蓄熱工況及蓄熱器放熱—熱泵供熱工況為例，來說明系統(tǒng)供熱過程:冬季晴朗白天，載熱介質(zhì)在集熱器中獲取太陽輻射能后，流入蓄熱水箱，通過箱內(nèi)的換熱盤管將部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì)，然后進(jìn)入蒸發(fā)器與制冷劑換熱，并通過熱泵循環(huán)進(jìn)行供熱，降溫后的集熱介質(zhì)在管道泵的作用下又流回集熱器，由此完成一次循環(huán)。夜間(或陰雨天)，從蒸發(fā)器流出的載熱介質(zhì)不流經(jīng)太陽能集熱器，而是通過一根旁通管直接流入蓄熱水箱，從蓄熱介質(zhì)中吸取熱量后流回蒸發(fā)器，再通過熱泵循環(huán)進(jìn)行供熱。如果蓄熱量不足，不能以滿足供熱需要，則利用輔助電加熱器加以補(bǔ)充。熱泵冷凝器側(cè)有三個并聯(lián)的終端:1)風(fēng)機(jī)盤管，2)容積式保溫水箱，3)暖風(fēng)機(jī)，可同時向房間供暖和提供生活熱水。

根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度及熱負(fù)荷的大小，利用一些閥門的啟閉可實(shí)現(xiàn)太陽能直接供熱、太陽能熱泵供熱及蓄熱器蓄熱—放熱等多種運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換。目前各閥門的啟閉還僅靠人工操作，但在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，只需增加部分自控裝置就可實(shí)現(xiàn)閥門的自動控制。

本太陽能熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺具有以下幾個方面的特點(diǎn):

1)采用自行設(shè)計的平板型太陽能集熱器(單層玻璃、涂普通黑漆)，吸熱體由工廠可批量生產(chǎn)的鋼制板式散熱器改造制成，從而大大箱降低了集熱器造價(僅為500$/m2);

2)采用自行設(shè)計的單槽式蓄熱水箱，箱內(nèi)采用聚乙烯塑料盤管作為換熱器，不僅減少了防凍溶液的充灌量而且節(jié)省了一個循環(huán)水泵;

3)在非采暖季，太陽能集熱器可與容積式保溫水箱組成閉式強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)，能夠保證24h的熱水供應(yīng)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能又提高了設(shè)備的全年利用率;

4)因有蓄熱裝置，夏季可利用夜間電力進(jìn)行蓄冷運(yùn)行，不僅運(yùn)行費(fèi)便宜，且有助于電力錯峰。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推廣應(yīng)用

已知熱泵的供熱性能系數(shù)，根據(jù)熱泵理論及有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出單位冷凝器供熱量所需的集熱面積、換熱盤管長度及其換熱面積、蓄熱水箱容積，可直接應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計及校核計算。同時可以看出，熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)COP越高，系統(tǒng)各主要設(shè)備的初投資也越大，但系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用越少，所以在實(shí)際工程設(shè)計中需要將系統(tǒng)性能與投資回收結(jié)合起來進(jìn)行綜合考慮。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)形式，蒸發(fā)溫度的高低直接影響太陽能集熱器及蓄熱水箱的工作性能，同時熱泵機(jī)組的熱力參數(shù)與系統(tǒng)整體供熱性能及節(jié)能效果密切相關(guān)。因此，在參考上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行SAHP供熱系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意本熱泵機(jī)組(壓縮機(jī)為活塞式，制冷劑為R22)熱力參數(shù)的變化范圍:蒸發(fā)溫度為-11.46～-6.68℃，冷凝溫度為45.46～57.40℃，蒸發(fā)器對數(shù)傳熱溫差為1.20～4.53℃，冷凝器對數(shù)傳熱溫差為13.28～17.78℃，冷水進(jìn)出口溫差為3.78～5.50℃，熱水進(jìn)出口溫差為6.55～8.77℃。上述數(shù)據(jù)可作為選擇熱泵機(jī)組和冷、熱水流量的參考數(shù)據(jù)。

結(jié)論:

通過對所設(shè)計、開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的冬季供暖工況的測試及研究，可以得到以下結(jié)論:

(1)在青島地區(qū)最冷月的氣候條件下，所設(shè)計、開發(fā)的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)不僅能夠滿足設(shè)計方案24h連續(xù)供暖的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)5d供暖(其中可以有連續(xù)的兩個陰雨天)。

(2)在整個供暖測試期內(nèi)，室外平均溫度為-1.56℃，平均太陽輻射強(qiáng)度為327.8W/m2，熱泵機(jī)組平均供熱系數(shù)為2.55，整個系統(tǒng)平均供熱系數(shù)為2.19。系統(tǒng)并未使用輔助熱源。

(3)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計開發(fā)的平板型太陽能集熱器具有良好的集熱性能，平均集熱效率高達(dá)67.2%，并得出了平板型太陽能集熱器在冬季供暖工況下的日間效率方程。

(4)在冬季供暖工況下蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用，保證了系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定供熱。

(5)分析表明，在太陽能熱泵供熱系統(tǒng)中采用低溫末端裝置可顯著提高系統(tǒng)供熱性能。

(6)在青島地區(qū)的氣候條件下，該系統(tǒng)冬季晴天可提供約1100L/d(溫升為40℃)的熱水，夏季晴天可提供約800L/d(溫升為30℃)的熱水。