英文翻譯-以太陽能集熱器作為熱源每年冰蓄冷的國內(nèi)熱泵系統(tǒng)

1、以太陽能集熱器作為熱源，每年冰蓄冷的國內(nèi)熱泵系統(tǒng)安德烈亞斯gschwend1*,斯特凡s. bertsch2vntb技術(shù)應(yīng)用科學(xué)大學(xué)州際公路研究所能源系統(tǒng)，werdenbergstrasse4, 9471布克斯，瑞士 電話：(+41(0)817553419),傳真：(+41 (0)817555434),電子郵件：andwas.gschwendnlb.ch ntb技術(shù)應(yīng)用科學(xué)大學(xué)州際公路研究所能源系統(tǒng)，werdenbergstrasse4, 9471布克斯，瑞士 電話：(+41 (0) 817553469),傳真：(+41 (0) 817555434),電子郵件：stefan.bertschnt

2、b.ch摘要本文的目的是國內(nèi)供熱系統(tǒng)采用太陽能集熱器作為唯一的熱源熱泵的理論 和實(shí)驗(yàn)研究。在所描述的系統(tǒng)中，熱泵使用冰水箱作為年度存儲系統(tǒng)采取的相位 變化的優(yōu)勢在o°c下能量是使用低溫太陽能集熱器提供給存儲系統(tǒng)。太陽能集熱 器內(nèi)部溫度低導(dǎo)致的每年增加量減少。熱收集器，也可用于直接加熱生活熱水或 供熱的建筑物加熱系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的好處應(yīng)該是一個性能顯箸提高標(biāo)準(zhǔn)相比，空 氣能熱水熱泵，而在同一時間降低其噪音水平。此外沒有鉆探地?zé)崽结樖潜匾? 沒有權(quán)限使用地下水是必需的。理論模型是專為這個系統(tǒng)并且使用實(shí)地測量驗(yàn)證 成功。領(lǐng)域單元仍不得不面對 若干問題(蒸發(fā)器太小，控制系統(tǒng)存在的問題)而 導(dǎo)

3、致的非常低的總體季節(jié)性效率1.43。但是測量結(jié)果仍然可以用于驗(yàn)證所述熱泵 和建筑模型。從在該領(lǐng)域?qū)W到的經(jīng)驗(yàn)岀發(fā)，該系統(tǒng)通過正確的尺寸，并和應(yīng)地模 擬。季節(jié)性效率的模擬實(shí)現(xiàn)增加至2.4這與空氣源熱泵。因此預(yù)計(jì)該系統(tǒng)的進(jìn)一 步的修改可能導(dǎo)致的3.0-4.0季節(jié)性能的因素。雖然這個將是一個相當(dāng)不錯的性 能增長，相比于空氣源熱泵熱泵的噪聲污染也降低了，所需要的投資成本將人幅 增長。1介紹熱泵越來越多的家庭供熱系統(tǒng)的使用。熱泵有三種常見類型，他們所使用的 熱源不同。地面或湖水熱泵利用地下水或水從湖中作為熱源。在全年其來源是一個恒定 的，溫度比較高。因此,季節(jié)性性能系數(shù)高，達(dá)到3.85.0 (eschma

4、nn, 2011 )o 該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，它不能被應(yīng)用在所有的地方而且它還需要當(dāng)?shù)卣脑S可。地?zé)崽结樔≈械壬畹責(zé)崃Ρ?直至300米)作為熱源。因?yàn)樵诘叵聸]上升 100米溫度升高約3攝氏度，更深的探針源自在較高的溫度的熱源。良好的季節(jié) 性因素性能從3.5提升到4.5是可以實(shí)現(xiàn)（eschmann, 2011, erb等人,2004）o 該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是用于鉆探探針的投資成本相對較高，和這些鉆探操作是不可能在 每一個地方（城市）投入使用的事實(shí)?？諝庠礋岜檬褂铆h(huán)境空氣作為熱源。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是投資成本低，以及他們 可以在任何地方建造。由于這樣的事實(shí)，即在系統(tǒng)執(zhí)行最差最需要熱量的時候， 其年度績效系數(shù)相對較

5、低,典型值位于2.1和3.2 （eschmann, 2011, erb等人, 2004）之間。另一個缺點(diǎn)是因?yàn)槠溆娠L(fēng)扇產(chǎn)生的不需要的噪聲，這是在瑞士最主 要的一個問題，特別是在城市地區(qū)導(dǎo)致了更嚴(yán)格的法規(guī)。新系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)是，熱源溫度在全年是相當(dāng)高的。這將導(dǎo)致更高的蒸發(fā)溫 度，因此更好的效率。此外，熱源（太陽能集熱器）可以很容易地安裝在大多數(shù) 的建筑物，通常不需要特殊權(quán)限。最后，太陽能集熱器，不污染周圍壞境噪?yún)?。在基礎(chǔ)研究中的測量進(jìn)行了一個在整個采暖期原型系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 和建造由小瑞士的熱泵制造商knecoo這項(xiàng)研究的作者設(shè)計(jì)并安裝了測量設(shè)置。 基丁該原型系統(tǒng)的布局的數(shù)值模型推導(dǎo)并利用該

6、測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在模擬的基礎(chǔ)上當(dāng)前原型的重大失誤將被識別和優(yōu)化將列為建議，可以在系 統(tǒng)屮的下一個采暖期前實(shí)施。2.測量和結(jié)果配有加熱系統(tǒng)的建設(shè)是一個古老的，傳統(tǒng)的農(nóng)家院。該建筑原本由兩部分組 成：住宅房子和谷倉。住宅部分已在過去幾年屮進(jìn)行了翻新，谷倉已被改造成 第二個公寓。圖1示岀了加熱系統(tǒng)的示意圖。加熱系統(tǒng)的詳細(xì)說明兩個熱交換器安裝在冰水儲罐。一個熱交換器包含 鹽水水混合物（綠線），該還流過太陽能集熱器。其它換熱器是熱泵的蒸發(fā)器 和其中包含的制冷劑。這種安排的基本思想是，以提高蒸發(fā)溫度，由于沒有貯槽 和熱泵z間的屮間電路。正如我們在圖1屮看到，太陽能熱利用電路（綠線）也 連接到家用熱水存儲

7、（左槽）和加熱系統(tǒng)（右槽）。只要太陽能集熱器的溫度 高于家用熱水或加熱系統(tǒng)肓接加熱被使用。如果太陽能收集器的鹽水溫度是在o°c 和最小的加熱溫度，從太陽能集熱器中的能量被儲存在冰水箱。熱泵回路本身（棕 色線）是一種單級單元與變速驅(qū)動器的容量控制。它是既用于住宅供暖和生活熱水。最重要的加熱系統(tǒng)及建筑物的參數(shù)是：太陽能集熱器，釉面平整面板16平方米，冰蓄水：6立方米?；顭崴洌膳到y(tǒng)油箱：500每個壓縮機(jī)：博克hgx34e/315,往復(fù)式壓縮機(jī)，變速驅(qū)動器蒸發(fā)器：不銹鋼管18毫米外徑和48米長供暖的熱泵容量：513千瓦加熱負(fù)荷，冬季根據(jù)瑞士標(biāo)準(zhǔn)s1a384.201計(jì)算為13千瓦加熱后

8、的建筑面積;402平方米，重型建筑用地板釆暖太陽能集熱器除霜模式圖1示出了加熱系統(tǒng)的整體示意圖。如果太陽開始發(fā)光時，水在收集器加熱。一 種泵屮循環(huán)的水在集熱器和閥vi關(guān)閉周期的循環(huán)，以便不輸送冷水進(jìn)入加熱系 統(tǒng)。如果收藏家的一個小區(qū)域是積雪打開的，這個功能可以被用來融化的雪在所有的收集器。一旦所有收集器都是開著的積雪溫度會上升很快，為了將能量投入到建筑系統(tǒng)閥門vi打開。圖1：供暖系統(tǒng)中的現(xiàn)場測量2. 1儀器和測量下面的參數(shù)是衡量原型系統(tǒng)的好壞：溫度，體積流量，壓力，電機(jī)功率，太 陽輻射和閥門的位置。所有測量參數(shù)的位置示于圖lo溫度傳感器是k型熱電偶 為±0.5°c的不確定與

9、測量值的2%的不確定性測量體積流量感應(yīng)式流量傳感器 （ifm sm6004, sm7004 ifm）的使用。壓力是利用壓阻變送器（paa-21y）從 凱勒為0.5% （滿量程）的不確定性計(jì)算。屯力是由三個真有效值功率計(jì)（itl100 從infratrek），其中顯示了 0.2%的不確定性測量。一個esti傳感器是用來測量 太陽輻射。從各閥的位置可以使用一個低電壓信號來測量。作為數(shù)據(jù)采集單元從 ni compactrio 系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)采集軟件采用的是可以節(jié)省在15秒的usb記憶棒定期設(shè)定。約每月 一次的數(shù)據(jù)是手動收集和評估。在這種方式屮的數(shù)據(jù)釆集錯誤可以及時得到發(fā) 現(xiàn)。測量開始于2011年12

10、月的開始。由于一些改正的，整個系統(tǒng)（熱泵安裝 微調(diào)）可用于從一月份也只不過測量，直到四月中旬?dāng)?shù)據(jù)采集軟件可以節(jié)省在 15秒的usb記憶棒定期的數(shù)據(jù)。約每月一次的數(shù)據(jù)是手動收集和評估。在這 種方式中的數(shù)據(jù)采集錯誤可以及時得到發(fā)現(xiàn)。測量開始于2011年12月的開始。 由于一些改正的，整個系統(tǒng)（熱泵安裝微調(diào)）可用于從一月份直到四月中旬也 不過是在測量。2. 2測量結(jié)果衡量和評價一個加熱周期（十二月至四月）后，冃前原型系統(tǒng)的兩大弱點(diǎn)可 以被識別：首先，冰水箱為6立方米的體積太小。尤其是在漫長寒冷的天氣時段 蓄熱不足。這個事實(shí)是由一個特別冷二月份期間沒有太陽輻射的可用來加熱水箱 擴(kuò)增。因此，也有時間，其

11、中所述熱泵停止，緊急電加熱接通延伸很長。對于給 定的測量時間這一事實(shí)已經(jīng)顯著降低了系統(tǒng)的整體性能。表1從2012年1月5 口的測量結(jié)果，直到2012年4月12 口進(jìn)行了總結(jié)。目前的原型系統(tǒng)，也只有1.43 （包括電氣再熱）由于上述問題的季節(jié)性表現(xiàn)的 因素。為了計(jì)算總能量消耗下列公式被用來：表1：從采暖期2012測量結(jié)果2012年1月5日至2012年4月12日期間電氣能源（熱泵和電冉熱）9849 kwh用十生活熱水的能量5437 kwh用于加熱的能量8674 kwh從熱收集器的能量2449 kwh誥成垂節(jié)性的表現(xiàn)（14月）1.43即使是這樣，系統(tǒng)的性能未達(dá)到預(yù)期的測量仍然可以用于建立和驗(yàn)證一個

12、仿真模型并建議修改系統(tǒng)以提高其性能。3.仿真模型為更好地理解本太陽能熱泵系統(tǒng)及進(jìn)一步優(yōu)化的目的，該系統(tǒng)的一個數(shù)學(xué) 模型在matlab屮實(shí)施。仿真決定基于以下指定的不同的輸入?yún)?shù)的季節(jié)性能 系數(shù)。在模擬開始吋，所有子程序是initialized.這些子程序代表太陽能熱泵系 統(tǒng)的不同組件。該子程序被調(diào)用年由主程序隨后一個接一個地為每個時間步長, 直到仿真時間已經(jīng)達(dá)到。該系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上向前歐拉方法與固定步長。在（年 干ij）模擬結(jié)束有關(guān)溫度，功率和壓力都存儲值用于分析數(shù)據(jù)。3. 1子程序生活熱水耗：由dhwcalc （約旦&vajen, 2003年）產(chǎn)生的生活熱水耗兒個 不同的標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)概況

13、。不同的配置文件為工作日和周末的使用。太陽輻射和環(huán)境溫度：作為輸入的模擬代碼的天氣數(shù)據(jù)是由meteonorm提 供。目前萊茵河谷，瑞士只有氣候數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，但可以擴(kuò)展未來的代碼在不同氣 候條件下的系統(tǒng)調(diào)查。在太陽能熱收集器的產(chǎn)率從有關(guān)該面板的不同取向的氣 候數(shù)據(jù)來計(jì)算。太陽能周期控制器：控制器從集電極，冰水箱的狀態(tài)接收到的溫度信息， 在加熱箱和家用熱水罐的溫度以及太陽輻射?；谶@些值，該系統(tǒng)的能量流動 和動作進(jìn)行控制。太陽能集熱器：太陽輻射會加熱水集熱器內(nèi)。反過來水輸送能量到系統(tǒng)中的三 個儲存罐中的一個。熱增益和損失到周圍的計(jì)算方法如下（kartchenko, 2004） 3. 2 般程序一個用于

14、仿真代碼穩(wěn)定性的最關(guān)鍵的參數(shù)是同步時間。如果體積元素是小 和體積流量高，工序時間必須很短，以便允許收斂。因此，仿真代碼進(jìn)行了優(yōu) 化，通過調(diào)整來進(jìn)行每年模擬之前一定幾何形狀的最小時間步長。仿真總是開始于午夜（新的一年）。因此，初始值可以被容易地設(shè)置在初始化過程。太陽能熱收集器和管道的屋頂是冷的（室溫）。熱泵是關(guān)閉的。 因此，內(nèi)部管道和加熱系統(tǒng)被設(shè)置為室溫。家庭熱水罐，另一方面是充滿56-60 °c 的熱水中，如設(shè)計(jì)的控制策略。3. 3核查和實(shí)地測量圖3示出了模擬結(jié)果和電源的測量值和在一段48的蒸發(fā)溫度小時。這些值 的比較已被選擇作為用于驗(yàn)證一個參數(shù)，因?yàn)樗鼈儗δＰ秃蜏y量之間的偏差非常

15、敏感。用于初始化仿真的起始值從測量分別給予。的模擬值與167 °c的平均溫 度差匹配的測量值相比丁模擬的蒸發(fā)溫度測量的蒸發(fā)溫度略高。在蒸發(fā)溫度的差 異很可能是在實(shí)際換熱器及其模型的幾何形狀小的偏差造成的。自然對流的熱傳 遞相關(guān)性不考慮熱交換器及其周圍的確切形狀。正如我們可以看到的，測量和模 擬之間熱泵運(yùn)行的時間差小，這意味著在建筑模型代表實(shí)際系統(tǒng)的很好。在效率 和熱流量計(jì)算典型錯誤是9.6 %和81 %,這是低給定的事實(shí)，即用戶行為影響 測量結(jié)果。由于模型和測量值之間的吻合，仿真代碼，可用于該系統(tǒng)的詳細(xì)調(diào)查及參數(shù)研究。605040130-200i':1120100supply

16、 (sim) supply (meas) evap (sim) jv&p (meas)>：”i. .j.a *j m h u15202530time |h354045圖3：測量和模擬的期間為48小時蒸發(fā)和供給溫度比較如我們己經(jīng)可以從這些初步結(jié)果看，相比冰的溫度的蒸發(fā)溫度是低的。這 個大的溫度差可以通過這一事實(shí)在現(xiàn)場安裝蒸發(fā)器矮小，從加熱系統(tǒng)完成后顯 著增加所需加熱能力得到解釋。4仿真結(jié)果為了顯示一個正確尺寸的系統(tǒng)的整體效率，以下假設(shè)釆取：相比于用于現(xiàn) 場測量建筑物內(nèi)的調(diào)查建筑物是在構(gòu)建和大小相似。它的加熱面積為400平方米。 仿真結(jié)果為了顯示一個正確尺寸的系統(tǒng)的整體效率，以下假設(shè)

17、采?。合啾扔谟糜?現(xiàn)場測量建筑物內(nèi)的調(diào)查建筑物是在構(gòu)建和大小相似。它的加熱面積為400平方 米，27 w/m2最大熱負(fù)荷。加熱系統(tǒng)，另一方面已調(diào)整大小由作者，以提高效 率和可靠性。蒸發(fā)器己在長100米的18毫米管與冰水存儲大小增加至50立方米， 使季節(jié)性存儲效應(yīng)可以用來更好地增加了 一倍。圖4示出了從太陽能集熱器收集的能量。第一，很窄的長條代表太陽照射到 屋頂面積每月的租金。第二窄條形代表多少能量實(shí)際上被轉(zhuǎn)移到水屮。下面，更 寬欄的顯示，實(shí)際上是由太陽能集熱器收集太陽能。第二和第三條之間的微小差 異代表了水力系統(tǒng)的損失。由于我們所用的寬條看到，大部分從收集器收獲的能 量被實(shí)際用于儲冰系統(tǒng)中，由

18、于在低溫下實(shí)現(xiàn)的集電極。特別是在冬季的最低溫 度為直接加熱和熱水供應(yīng)不能在集電極往往實(shí)現(xiàn)。但是，仍然有可能使用一些在 冰水中存儲的太陽能。在夏季，幾乎不產(chǎn)生熱量，需要加熱和生活熱水需求很容 易得到滿足。因此，太陽能的很人一部分可以存儲在冰水箱。每年的能源收獲的 太陽能集熱器達(dá)到811 kwh/m2。典型的年能源收獲的瑞上給予氣候條件下熱水 系統(tǒng)是400-550 kwh/m2。太陽能熱收集器的總效率，因此可以從通常的30-50% 提高到由于在集電極上的較低的溫度下約70%。圖5示出的家用熱水加熱的量，使用熱泵和直接由太陽能收集器。苗條的粉 紅色條顯示的消費(fèi)生活熱水量。的高度差占所述熱水箱和管道的

19、熱損失。我們可 以從圖中夏季和冬季的?；顭崴枨蟛]有很大的不同看。我們還可以看到，在 夏季時，在水中的60%以上，可直接由太陽能收集器加熱，只有較小部分是使 用熱泵加熱。在冬天，當(dāng)只有很少的太陽輻射，由太陽能電池板產(chǎn)生和使用所述 熱泵開關(guān)的熱之間的關(guān)系。比較十二月和一月，我們可以看到，即使一月是較冷 的月份，更多的熱量可以直接從太陽能電池板使用。這可以通過平時很陽光的一 月份來解釋，而沒有在十一月和十二月霧多。圖6示岀的每刀發(fā)電供熱和生活熱水，通過僅在熱泵生產(chǎn)。正如我們可以看 到，相對于整體的供暖需求的生活熱水需求小。此圖的趨勢呈現(xiàn)出完全相反的行 為，作為太陽能熱利用產(chǎn)量，這也解釋了系統(tǒng)所需

20、的大型冰水箱。粉紅色的酒吧 在圖6占能源供應(yīng)與占熱損失再次的高度差。27 w/m2最大熱負(fù)荷。加熱系統(tǒng)， 另一方面已調(diào)整大小由作者，以提高效率和可靠性。蒸發(fā)器已在長100米的18 毫米管與冰水存儲大小增加至50立方米，使季節(jié)性存儲效應(yīng)可以用來更好地增 加了一倍。圖4示出了從太陽能集熱器收集的能量。第一，很窄的長條代表太陽照射到 屋頂面積每月的租金。第二窄條形代表多少能量實(shí)際上被轉(zhuǎn)移到水屮。下面，更 寬欄的顯示，實(shí)際上是由太陽能集熱器收集太陽能。第二和第三條之間的微小差 異代表了水力系統(tǒng)的損失。由于我們所用的寬條看到，大部分從收集器收獲的能 量被實(shí)際用于儲冰系統(tǒng)中，由于在低溫下實(shí)現(xiàn)的集電極。特別

21、是在冬季的最低溫 度為直接加熱和熱水供應(yīng)不能在集電極往往實(shí)現(xiàn)。但是，仍然有可能使用一些在 冰水屮存儲的太陽能。在夏季，幾乎不產(chǎn)生熱量，需要加熱和生活熱水需求很容 易得到滿足。因此，太陽能的很大一部分可以存儲在冰水箱。每年的能源收獲的 太陽能集熱器達(dá)到811 kwh/m2 o典型的年能源收獲的瑞士給予氣候條件下熱 水系統(tǒng)是400-550 kwh/m2。太陽能熱收集器的總效率，因此可以從通常的30-50% 提高到由于在集電極上的較低的溫度下約70%。圖5示出的家用熱水加熱的量，使用熱泵和直接由太陽能收集器。苗條的粉 紅色條顯示的消費(fèi)生活熱水量。的高度差占所述熱水箱和管道的熱損失。我們可 以從圖中夏

22、季和冬季的?；顭崴枨蟛]有很大的不同看。我們還可以看到，在 夏季時，在水中的60%以上，可直接由太陽能收集器加熱，只有較小部分是使 用熱泵加熱。在冬天，當(dāng)只有很少的太陽輻射，由太陽能電池板產(chǎn)生和使用所述 熱泵開關(guān)的熱之間的關(guān)系。比較十二月和一月，我們可以看到，即使一月是較冷 的月份，更多的熱量可以直接從太陽能電池板使用。這可以通過平時很陽光的一 月份來解釋，而沒有在十一月和十二月霧多。圖6示岀的每刀發(fā)電供熱和生活熱水，通過僅在熱泵生產(chǎn)。正如我們可以看 到，相對于整體的供暖需求的生活熱水需求小。此圖的趨勢呈現(xiàn)出完全相反的行 為，作為太陽能熱利用產(chǎn)量，這也解釋了系統(tǒng)所需的大型冰水箱。粉紅色的酒吧

23、 在圖6占能源供應(yīng)與占熱損失再次的高度差。2500month圖4：從能量的太陽能集熱器收集;不同的顏色顯示如何能使用£ 截 ullj4nn353002502015105montho圖5：生活熱水使用熱泵（ehp）和太陽能集熱器（esolar公司）加熱;粉色吧: 生活熱水的使用5000 450040003500300025002000150010005000123456789101112month圖6：能源生產(chǎn)，從供暖和生活熱水熱泵比例5 結(jié)論一種熱泵系統(tǒng)，太陽能電池板作為熱源和冰水箱作為年度存儲了研究的領(lǐng)域。 隨后，該系統(tǒng)進(jìn)行建模和驗(yàn)證成功對測量結(jié)果。外地單位已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兒個問題困擾，

24、從加熱系統(tǒng)建成后，在建筑采曖需求顯著調(diào)整所致。因此，整個系統(tǒng)是不足的。 尤其是在蒸發(fā)器太小，這導(dǎo)致了非常大的冰積聚和低蒸發(fā)溫度，這反過來又降低 了季節(jié)性表現(xiàn)。經(jīng)過一個非常寒冷的冬天，1.4的整體效率進(jìn)行了測量。在模擬 系統(tǒng)中被變更，以便提高工作效率。的最大熱負(fù)荷設(shè)定為約90w的蒸發(fā)器和冰 水儲存罐被擴(kuò)大，以及米長度。如果不需要更改任何系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)的2.4生活 熱水和采曖結(jié)合季節(jié)性表現(xiàn)。這個因素是在相同的區(qū)域各自的空氣源熱泵。的控 制策略，并相對于所述蒸發(fā)器的除霜改進(jìn)將有助于進(jìn)一步提高性能。3.04.0 季節(jié)性的效率似乎是可信在給定的氣候帶。以這樣的方式優(yōu)化系統(tǒng)然后將熱量提 供給建筑物的地?zé)釤岜?/p>

25、的可比方法對于噪聲和效率。然后在該領(lǐng)域進(jìn)一步的使用 量將主要取決于第一成本和可靠性。參考文獻(xiàn)1 .bertsch s s,groll e. a“ 200& two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern u.s. climates, international journal of refrigeration, vol. 20, p 1282 1292.2. erb, m，hubacher, r, and ehrbar 2004, mfeldanaly

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