張琳邡 紀(jì)河 張毅

摘? 要? 隨著學(xué)科發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力成為現(xiàn)代高等教育的首要目標(biāo)。原有實(shí)驗(yàn)主要圍繞某一課程內(nèi)容設(shè)置，學(xué)生無法將專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過設(shè)計(jì)住宅小型蓄能能源站實(shí)驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)功能全面、開放性強(qiáng)，既能讓學(xué)生加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與掌握，又能滿足本科創(chuàng)新探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)與探究知識(shí)的能力，還可以為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃、教師研究課題等提供研究平臺(tái)，為小型蓄能能源站在住宅中推廣運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞? 小型蓄能能源站；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；太陽(yáng)能；空氣源熱泵系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.423? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）16-0049-04

0? 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各方面都取得巨大成就，我國(guó)也成為世界上能源消費(fèi)和污染排放大國(guó)。其中建筑能耗占全國(guó)總能耗的30%以上，而在建筑能耗中，采暖和空調(diào)的能耗約占建筑總能耗的65%。因此，采用新型能源與設(shè)備進(jìn)行采暖、空調(diào)以及熱水供應(yīng)，成為目前研究的重點(diǎn)[1]。

在能源應(yīng)用方面，公共建筑可選的節(jié)能方案有很多，但住宅建筑采暖和空調(diào)系統(tǒng)比較單一，住戶大多數(shù)安裝空調(diào)和太陽(yáng)能熱水器。空調(diào)主要利用熱泵技術(shù)，將空氣能作為冷熱源，實(shí)現(xiàn)制熱與制冷，但受環(huán)境、地區(qū)性差異和熱源本身特點(diǎn)等因素的限制，其性能系數(shù)會(huì)降低。太陽(yáng)能熱水器通過集熱器收集太陽(yáng)的熱能，進(jìn)而給用戶提供熱水，但太陽(yáng)能熱水器運(yùn)行會(huì)受天氣干擾，無法實(shí)現(xiàn)全天的穩(wěn)定運(yùn)行。而且兩套設(shè)備在建筑外部分散式安裝，在一定程度上影響建筑美觀。

越來越多的科研工作者對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，該技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，也得到越來越多普通老百姓的認(rèn)可。但是在徐州地區(qū)，目前對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的研究尚少，而且缺乏在住宅中建立蓄能能源站的研究。本文設(shè)計(jì)一套太陽(yáng)能、空氣能蓄能系統(tǒng)，建立小型蓄能能源站，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和熱泵系統(tǒng)的高效利用，全年穩(wěn)定運(yùn)行。住宅小型蓄能能源站可以滿足用戶采暖、空調(diào)以及生活熱水供應(yīng)等多種需求，大學(xué)生可以利用該裝置開展創(chuàng)新探索型實(shí)驗(yàn)及大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，教師可以利用該裝置進(jìn)行相關(guān)課題研究，為小型蓄能能源站在住宅中推廣運(yùn)用奠定基礎(chǔ)[2-8]。

1? 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成

住宅小型蓄能能源站實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建初，考慮到該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既要滿足教師科研需求，又要滿足平時(shí)住宅用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境冷熱需求，為更好地收集用戶對(duì)其優(yōu)劣及改善方案反饋，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)為一個(gè)真實(shí)的住宅冷熱源供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、蓄能水箱、風(fēng)冷熱泵機(jī)組、冷熱水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管、地板輻射管、控制和采集系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用真空管式的太陽(yáng)能集熱器，單管長(zhǎng)1.8 m，共設(shè)置100根，一部分與室內(nèi)洗浴系統(tǒng)相連，另一部分與蓄能水箱相連。蓄能水箱通過在不銹鋼水箱外部添加隔熱層制成，容量為1 t。太陽(yáng)能集熱器與蓄能水箱之間設(shè)置水泵和電磁閥，集熱器出口和蓄能水箱內(nèi)各設(shè)置溫度傳感器一個(gè)，利用溫差（設(shè)置為5 ℃）控制集熱熱水循環(huán)泵和電磁閥的開啟/關(guān)閉，使太陽(yáng)能最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)。在太陽(yáng)能能量充足時(shí)，溫差大于所設(shè)溫度值，電磁閥開啟，循環(huán)泵運(yùn)行，此時(shí)蓄能水箱不斷儲(chǔ)存熱量；當(dāng)太陽(yáng)能能量不足時(shí)，溫差小于所設(shè)溫度值，電磁閥關(guān)閉，循環(huán)泵停止運(yùn)行，太陽(yáng)能停止向蓄能水箱輸送熱量。此外，在太陽(yáng)能集熱器側(cè)布置太陽(yáng)能總輻射量測(cè)試儀，用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能總輻射情況，研究太陽(yáng)能可利用資源總量情況，分析太陽(yáng)能集熱器集熱效率和性能。

蓄能水箱另一端與風(fēng)冷熱泵機(jī)組連接后，再與室內(nèi)末端裝置相連，蓄能水箱與風(fēng)冷熱泵機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)出口各設(shè)置溫度傳感器一個(gè)，通過供回水溫度控制風(fēng)冷熱泵機(jī)組的開啟和關(guān)閉。室內(nèi)負(fù)荷側(cè)設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射管，負(fù)荷側(cè)供回水管道之間設(shè)置旁通管，旁通管上設(shè)置一個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)夜間低價(jià)電時(shí)蓄能模式的開啟。此外，為了創(chuàng)造一個(gè)恒定、舒適的室內(nèi)環(huán)境，每個(gè)房間內(nèi)也設(shè)置溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的溫度，進(jìn)而控制風(fēng)冷熱泵機(jī)組的開啟。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)還設(shè)置智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能記錄儀完成各溫度、流量、壓差等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)顯示，還可以通過智能監(jiān)控系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉，以及相關(guān)控制參數(shù)的更改，進(jìn)而改變不同的運(yùn)行工況，研究住宅小型蓄能能源站的性能。

實(shí)驗(yàn)裝置所用測(cè)試儀器如表1所示，建成的實(shí)驗(yàn)裝置部分實(shí)物如圖2所示。

2? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

住宅小型蓄能能源站充分利用太陽(yáng)能和空氣能，同時(shí)利用峰谷電價(jià)特點(diǎn)，削峰填谷進(jìn)行蓄能，滿足用戶夏季供冷、冬季供暖以及全年熱水供應(yīng)多種需求，實(shí)現(xiàn)能效的合理利用、系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保。系統(tǒng)運(yùn)行主要分為制熱工況、制冷工況和蓄能工況，具體工作原理如下。

1）制熱工況：冬季可以滿足用戶采暖和生活熱水供應(yīng)的需求。太陽(yáng)能集熱器所獲取的熱量一部分供應(yīng)生活熱水，另一部分在集熱器出口溫度大于蓄能水箱溫度5 ℃時(shí)，開啟集熱熱水循環(huán)泵，將熱量蓄熱于蓄能水箱中。由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，蓄能水箱的熱量不能完全靠太陽(yáng)能，因此在蓄能水箱中設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)水溫低于設(shè)定值（如35 ℃）時(shí)控制電磁閥開啟風(fēng)冷熱泵機(jī)，保證室內(nèi)采暖過程中熱水的正常供應(yīng)。最后，蓄能水箱中的熱水進(jìn)入室內(nèi)側(cè)的地板輻射管完成供熱?？梢钥闯?，整個(gè)設(shè)計(jì)都是為了最大限度地利用太陽(yáng)能供暖，風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為補(bǔ)充，確保系統(tǒng)節(jié)能的最大化。此外，冬季采用地板輻射采暖，在相同條件下，室內(nèi)計(jì)算溫度可比對(duì)流采暖低2～3 ℃，同時(shí)供水溫度也降低，相比傳統(tǒng)的采暖方式，節(jié)能幅度約為20%。

2）制冷工況：夏季可以滿足用戶供冷和生活熱水供應(yīng)的需求。太陽(yáng)能集熱器所獲取的熱量主要供應(yīng)生活熱水，風(fēng)冷熱泵機(jī)組主要負(fù)責(zé)室內(nèi)制冷，當(dāng)蓄能水箱的水溫高于設(shè)定值（如7 ℃）時(shí)，開啟風(fēng)冷熱泵機(jī)組，室內(nèi)側(cè)通過風(fēng)機(jī)盤管完成制冷。

3）蓄能工況：采用蓄冷蓄熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷。在電網(wǎng)用電低谷期間，負(fù)荷側(cè)供回水管道之間旁通管的電磁閥開啟，風(fēng)冷熱泵機(jī)組在冬季把熱能儲(chǔ)存到蓄能水箱中，在夏季把冷量?jī)?chǔ)存到蓄能水箱中。利用深夜電網(wǎng)的過剩廉價(jià)電力蓄能，將白天電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)的大量用電負(fù)荷移入深夜電網(wǎng)低谷時(shí)段，降低高峰負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的壓力，提高負(fù)荷率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用[9-10]。

由此可以看出：針對(duì)太陽(yáng)能和空氣源熱泵單獨(dú)使用時(shí)存在的不足，住宅小型蓄能能源站揚(yáng)長(zhǎng)避短，將太陽(yáng)能和空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)集合，節(jié)能效果顯著，且有效地利用了蓄能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）太陽(yáng)能集熱器不僅可以為用戶提供生活熱水，還可以在冬季作為熱源為用戶供暖，也可以提升熱泵機(jī)組在冬季運(yùn)行的效率；

2）熱泵機(jī)組根據(jù)室外環(huán)境的變化，靈活切換不同運(yùn)行模式，最大限度利用太陽(yáng)能和空氣能；

3）蓄能水箱不僅能實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷，而且能作為系統(tǒng)的緩沖水箱，可以降低主機(jī)啟動(dòng)率、延長(zhǎng)主機(jī)壽命，在冬季實(shí)現(xiàn)高效除霜，除霜時(shí)間短，消耗熱量小。

3? 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1? 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)功能全面，開放性強(qiáng)，可以用于研究太陽(yáng)能與空氣源熱泵在住宅采暖、制冷及生活熱水供應(yīng)方面的節(jié)能利用問題，開展不同蓄冷蓄熱技術(shù)的應(yīng)用效果分析，為本科學(xué)生提供演示類實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，既能讓學(xué)生加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與掌握，又能滿足本科創(chuàng)新探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)與探究知識(shí)的能力。此外，實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可以為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃、教師研究課題等提供研究平臺(tái)，為新技術(shù)在工程實(shí)際中的推廣奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過探討，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以提供以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1）讓學(xué)生熟悉常用測(cè)試儀器的測(cè)量原理、測(cè)試方法及操作規(guī)程，了解基本熱工參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能；

2）讓學(xué)生熟悉空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)常用設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)及工作原理，相比傳統(tǒng)空調(diào)冷熱源，體會(huì)小型蓄能能源站所采用冷熱源的優(yōu)勢(shì)，加深學(xué)生對(duì)可再生能源利用及建筑節(jié)能的認(rèn)識(shí)；

3）讓學(xué)生掌握太陽(yáng)能集熱器集熱性能測(cè)試方法，分析太陽(yáng)能總輻射量、蓄熱水箱水量及水溫等參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能集熱器集熱性能的影響，為太陽(yáng)能集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

4）讓學(xué)生掌握制冷工況和采暖工況的運(yùn)行特性，分析不同工況下水溫、水量及能耗等參數(shù)下的系統(tǒng)性能及能耗，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握蒸發(fā)溫度和冷凝溫度與系統(tǒng)運(yùn)行效率之間的關(guān)系；

5）讓學(xué)生了解太陽(yáng)能與空氣源熱泵系統(tǒng)集成一體的方法，在不同運(yùn)行模式下測(cè)試相關(guān)性能參數(shù)，并分析各運(yùn)行模式下的性能參數(shù)與系統(tǒng)節(jié)能效率之間的關(guān)系，探索太陽(yáng)能和空氣能最佳運(yùn)行模式，為太陽(yáng)能和空氣能的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供優(yōu)選方案；

6）讓學(xué)生掌握蓄能技術(shù)，通過控制相應(yīng)閥門，完成蓄能模式與用能模式的切換，實(shí)現(xiàn)白天和夜間用電需求的平衡，分析夜間蓄能總量與白天用能總量的關(guān)系，探索蓄能系統(tǒng)最佳的蓄能比例，為蓄能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以從專業(yè)角度出發(fā)，能設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有很多，不僅讓學(xué)生將自身知識(shí)體系融會(huì)貫通，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握與理解，而且激發(fā)學(xué)生積極思考、探索問題的精神，拓寬學(xué)生視野，提升學(xué)生用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。

3.2? 實(shí)驗(yàn)課程考核

由于本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不局限于一門課程，涉及專業(yè)知識(shí)面廣，內(nèi)容豐富，實(shí)施過程靈活，難易程度不均，因此，實(shí)驗(yàn)考核不能僅看學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況，還需要增加考查學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以通過答辯形式來考查學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用能力。先讓學(xué)生制作PPT來說明實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決的方法，再通過教師問、學(xué)生答或者學(xué)生問、教師答的環(huán)節(jié)，在教師和學(xué)生相互問答中，讓學(xué)生不僅更深入地掌握專業(yè)知識(shí)，而且探索到專業(yè)最前沿的問題。雖然有些問題還沒有確切的答案，但這個(gè)過程足以激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索知識(shí)的樂趣。采用“實(shí)驗(yàn)報(bào)告+答辯”的實(shí)驗(yàn)課程考核方式，指導(dǎo)教師不僅需要熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程，更需要具備較強(qiáng)的專業(yè)理論知識(shí)，懂得創(chuàng)新，能夠協(xié)助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式[11]。

4? 結(jié)束語

住宅小型蓄能能源站實(shí)驗(yàn)臺(tái)是教學(xué)與科研的承載體，將學(xué)生實(shí)驗(yàn)與教師科研緊密結(jié)合起來，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的能力，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)、創(chuàng)造知識(shí)的能力，激發(fā)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)與探索精神，滿足綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，而且可以為教師在可再生能源應(yīng)用研究方面提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為住宅小型蓄能能源站的推廣提供理論研究基礎(chǔ)[11-12]。

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*基金項(xiàng)目：2020年度中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院專業(yè)建設(shè)與教學(xué)改革一般項(xiàng)目“《建筑節(jié)能技術(shù)》課程建設(shè)與教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：YA2041）；2020年度江蘇省教育廳江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目“徐州地區(qū)小型蓄能能源站在住宅中應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20KJD560008）。

作者：張琳邡，通信作者，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院建筑工程系，講師，主要從事為建筑節(jié)能、能源管理、暖通空調(diào)方面的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)研究工作（221008）；紀(jì)河，江蘇納奇機(jī)電設(shè)備工程有限公司，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能、新能源應(yīng)用；張毅，江蘇納奇機(jī)電設(shè)備工程有限公司，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ添?xiàng)目管理、工業(yè)消防（221000）。