太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)實驗臺的研制

太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)實驗臺的研制

1太陽能熱泵供熱技術(shù)地板輻射采暖系統(tǒng)主要通過輻射傳播給房間和人體。在達(dá)到相同的熱舒適度的條件下，供暖室內(nèi)的空氣溫度比傳統(tǒng)的熱處理方法低2.3c，這可以減少熱量和節(jié)約能源。此外，由于熱板的高熱量，供暖室內(nèi)的穩(wěn)定性也很好。為保證人體舒適感,冬季采暖時,地板輻射采暖系統(tǒng)的地面溫度以24～28℃為宜,這就要求其熱媒是低溫?zé)崴?在常用的管徑、管間距前提下,實際所需熱水溫度往往低于50℃。由于熱媒水溫較低,為利用太陽能,采用太陽能熱水器作為熱源創(chuàng)造了條件。但是,太陽能具有晝夜的間斷性,同時還受天氣等隨機因素的強烈影響,是一種不穩(wěn)定的能源,難以滿足全天候供熱的需要。要解決這一問題,一是要在系統(tǒng)中設(shè)置儲熱裝置(通常采用儲熱水箱);二是必須設(shè)置輔助熱源。從熱力學(xué)或工作原理上說,熱泵與制冷機是相同的,一臺熱泵或制冷機與周圍環(huán)境在能量上的相互作用都是從低溫?zé)嵩次鼰?然后放至高溫?zé)嵩?與此同時,按照熱力學(xué)第二定律,壓縮機消耗電功以起到補償作用。不同的是,熱泵的目的是為了獲得高溫(制熱),是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩?而制冷機的目的是為了獲得低溫(制冷),是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩?。熱泵的熱力?jīng)濟性指標(biāo)可由其制熱系數(shù)εh表示,其是指其收益(制熱量)與代價(壓縮機輸入功率)的比值。由于熱泵的制熱系數(shù)εh恒大于1,熱泵技術(shù)可利用少量高品位的電能作為驅(qū)動能源,從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮?并將其傳輸給高溫?zé)嵩?以達(dá)到泵熱的目的。在太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)中,如果利用水源熱泵機組作為太陽能熱水器的輔助熱源,將太陽能熱水器與熱泵機組的蒸發(fā)器通過儲熱水箱相連,形成太陽能-熱泵系統(tǒng),那么適當(dāng)消耗少量電能,就可將流經(jīng)太陽能熱水器升溫后的熱媒水溫度提升到地板輻射采暖系統(tǒng)需要的溫度,解決了太陽能的間斷性和不穩(wěn)定性問題,利用了太陽能。與單純采用電加熱器或燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源相比,以熱泵機組作為輔助熱源具有獨特的優(yōu)勢,它可以節(jié)省高品位的電能,減少化石類能源的消耗,減少環(huán)境的污染。而且,根據(jù)地板輻射供暖系統(tǒng)的要求,熱泵機組冷凝器側(cè)的熱水供熱溫度一定;此時,熱泵機組的制熱系數(shù)εh隨著蒸發(fā)器側(cè)低溫?zé)嵩醇磧崴鋬?nèi)熱水溫度的升高而升高。如果太陽能集熱器的集熱面積以及儲熱水箱的容積設(shè)計合理,那么就可以將儲熱水箱內(nèi)熱水的溫度控制在一個合適的范圍內(nèi),有利于提高熱泵機組的制熱系數(shù),使得在同樣的采暖負(fù)荷的情況下,可以進(jìn)一步節(jié)約電能。另外,還可以利用房間地板熱容量較大的特點,盡量減小儲熱水箱的體積?？梢哉f,太陽能-熱泵作為熱源的地板輻射供暖系統(tǒng)是一種經(jīng)濟、高效的利用太陽能供暖的理想方式,具有節(jié)能、環(huán)保的重要意義。近些年來,將地板輻射供暖系統(tǒng)用于房間夏季供冷降溫的研究也逐漸受到人們的重視。對于夏季不太炎熱、較為干燥的地區(qū),或僅要求一定程度降溫的場合,可以考慮利用地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行夏季供冷。這樣一來,地板輻射供暖系統(tǒng)就可以同時實現(xiàn)冬季供熱和夏季供冷,管路系統(tǒng)共用,冷熱源使用同一熱泵機組,設(shè)備投資會大幅減少;而且,還可以在夏季利用太陽能熱水器提供生活熱水。這無疑為太陽能-熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)開拓了更為廣闊的應(yīng)用前景。為了探尋太陽能熱利用的有效方式,研究和開發(fā)適于民用的太陽能采暖技術(shù),我們建立了太陽能-熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)實驗臺,并對此系統(tǒng)的冬季供暖效果展開實驗研究,希望能夠得到一些對此種系統(tǒng)的設(shè)計與運行管理有益的經(jīng)驗和結(jié)論。2儲熱水箱和熱泵系統(tǒng)密度分析太陽能-熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。太陽能-熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)由太陽能集熱環(huán)路、熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)環(huán)路、熱泵機組冷凝器側(cè)環(huán)路組成。集熱環(huán)路的溫差控制器可以很好地控制集熱系統(tǒng)的運行。溫差控制器的高溫測點設(shè)置在太陽能集熱器出口,低溫測點設(shè)置在儲熱水箱的底部。當(dāng)高溫測點與低溫測點的溫差大于溫差控制器所設(shè)定的啟動溫差時,溫差控制器就啟動集熱環(huán)路循環(huán)水泵。在循環(huán)水泵的推動下,集熱環(huán)路中的一級熱媒水進(jìn)入集熱器并被加熱,然后進(jìn)入儲熱水箱中的換熱盤管,將熱量釋放給儲熱水箱中的二級熱媒水,使其溫度上升,進(jìn)行儲熱;同時,一級熱媒水溫下降,再次進(jìn)入集熱器中進(jìn)行加熱,構(gòu)成一個循環(huán)。當(dāng)在夜間或是陰雨天太陽輻射強度較小時,高溫測點與低溫測點的溫差低于設(shè)定的停止溫差,溫差控制器就停止集熱環(huán)路循環(huán)水泵的運行。此時,利用儲熱水箱中儲存的熱量向房間進(jìn)行供熱;當(dāng)儲熱量不足,儲熱水箱中的二級熱媒水溫持續(xù)下降,降低到水箱溫度設(shè)定值之下時,由溫度控制器控制的電輔助加熱器開啟,向水箱提供能量,保證水箱溫度始終維持在設(shè)定值水平,并滿足房間供熱的需要。溫差控制器的啟動溫差和停止溫差應(yīng)當(dāng)設(shè)置在一個合理的較小的范圍之內(nèi),既可以盡可能多的利用太陽能,又避免系統(tǒng)的頻繁啟動。蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水泵使二級熱媒水在儲熱水箱與熱泵蒸發(fā)器之間的管路中進(jìn)行循環(huán)。蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑與二級熱媒水進(jìn)行換熱,吸收熱量后,成為高溫低壓的過熱氣體,再經(jīng)過壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w,然后通過冷凝器定壓冷凝為高溫高壓的液體,再經(jīng)節(jié)流閥絕熱節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w,完成一個循環(huán)。制冷劑在冷凝器中放出氣化潛熱,并與冷凝器中的三級熱媒水進(jìn)行熱交換,使三級熱媒水被加熱。溫度升高后的三級熱媒水由冷凝器側(cè)循環(huán)水泵送入地板輻射采暖系統(tǒng)的加熱盤管,向房間釋放熱量。地板輻射供暖系統(tǒng)可分為多個并聯(lián)支路,以實現(xiàn)房間的分室溫度調(diào)節(jié)。室溫調(diào)節(jié)采用開/關(guān)控制方案,即在每一支路的回水管出口處均設(shè)置熱電閥,由房間溫度控制器控制。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度超過設(shè)定的溫度值時,房間溫度控制器使熱電閥關(guān)閉;反之,則使熱電閥開啟,以實現(xiàn)室內(nèi)的溫度控制。3實驗設(shè)備3.1功率及制冷劑介紹熱泵機組為活塞壓縮式水-水熱泵,壓縮機額定功率2.2kW,制冷劑為R22?？紤]到夏季供冷工況的需要,熱泵機組的規(guī)模是根據(jù)其所負(fù)擔(dān)的夏季冷負(fù)荷(包括試驗用房間的冷負(fù)荷)而確定。3.2設(shè)計日集熱量的確定太陽能集熱器選用熱管式真空管集熱器。此種形式的太陽能集熱器熱效率高,防凍性能好,承壓能力高,熱容量小,啟動快;在采暖初期和末期可以不用熱泵機組而利用集熱器實現(xiàn)直接供暖。同其它型式的太陽能集熱器相比,熱管式真空管集熱器更適合于我們所設(shè)計的太陽能-熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)。在青島地區(qū),集熱器的最佳安裝傾角β等于52°。所需集熱器面積按下式確定:Ac=Qc/(Ic,gηˉc)Ac=Qc/(Ιc,gηˉc)(1)式中Ac——太陽能集熱器面積,m2Qc——熱泵供暖所需的設(shè)計日集熱量,kJ/dIc,g——正南朝向、安裝傾角β為52°時,單位集熱面積上平均日總太陽輻射量,ηkJ/(m2?d)kJ/(m2?d)c——太陽能集熱器日平均集熱效率設(shè)計日集熱量不宜過大,否則太陽能集熱器面積過大,設(shè)備投資過高。本實驗系統(tǒng)的設(shè)計日集熱量是根據(jù)采暖房間最冷月(1月)室外平均溫度下熱負(fù)荷而確定的。此溫度值為-1.6℃。為滿足此室外平均溫度下采暖房間熱負(fù)荷的需要,熱泵機組日制熱量為177060kJ/d。熱泵機組制熱設(shè)計工況(冷凝器側(cè)供水溫度50℃,蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度15℃)的制熱系數(shù)為3.0。根據(jù)熱泵機組日制熱量及其制熱系數(shù)εh,集熱器設(shè)計日集熱量確定為118040kJ/d。相應(yīng)地,Ic,q為最冷月、正南朝向、安裝傾角β等于52°的情況下,單位集熱面積上平均日總太陽輻射量,其值為16803kJ/(m2·d)。ηˉcηˉc為最冷月太陽能集熱器平均日集熱效率,其值為65%,其確定方法,詳見5.2節(jié)。根據(jù)式(1)及上述各參數(shù),計算出所需集熱器集熱面積為10.81m2。根據(jù)集熱面積,選用六組1.8m×?70mm的10管式熱管真空管太陽能集熱器。集熱環(huán)路的溫度控制器選用SundraSteca智能溫度控制器。集熱環(huán)路循環(huán)水泵的啟動溫差設(shè)定為6℃,停止溫差設(shè)定為3℃。3.3熱水的利用高差水的比熱大、熱膨脹系數(shù)和粘滯性小,不存在性能穩(wěn)定性問題,價格低廉,是比較合適的儲熱介質(zhì)。儲熱水箱的容積決定于儲熱量以及水箱內(nèi)熱水的利用溫差,由下式確定:V=Qs/[(ρc)wΔt](2)式中V——儲熱水箱體積,m3Qs——儲熱水箱的設(shè)計儲熱量,kJ(ρc)w——水的體積比熱,kJ/(m3·℃),(ρc)w=4200KJ/(m3·℃)Δt——水箱內(nèi)熱水的利用溫差,℃考慮到采用地板輻射采暖方式,地板層具有較強的儲熱能力,因此儲熱水箱的儲熱量不宜太大。本系統(tǒng)中,儲熱水箱的儲熱量確定為設(shè)計日集熱量的2/3,即78693kJ。這樣,如果冬季最冷月晴朗白天平均日照時數(shù)以8h計,那么儲熱水箱就能夠在日照時間內(nèi)儲存采暖房間所需的其余16h的熱量。因此,系統(tǒng)中儲熱水箱的作用主要是調(diào)整一天內(nèi)房間內(nèi)能量的供應(yīng)和消耗之間的不平衡。至于陰雨天采暖房間所需的熱量,將依靠輔助電加熱器、熱泵機組提供的熱量以及地板層內(nèi)的儲熱量來平衡。本系統(tǒng)中,熱泵機組制熱工況蒸發(fā)器側(cè)最佳進(jìn)水溫度為15℃,儲熱水箱內(nèi)熱水的設(shè)計日平均溫度也確定為15℃。所以,確定熱水箱內(nèi)熱水的利用溫差為10℃～20℃之間的10℃溫差。當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于10℃時,啟動輔助電加熱器,保證水溫維持10℃的水平。這樣,根據(jù)式(2),儲熱水箱的有效容積最終確定為1.874m3。水箱內(nèi)換熱盤管為聚乙烯塑料管,外徑為32mm,壁厚為2.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.373W/(m2·℃)。盤管總長度為108.8m,換熱面積為10.94m2。3.4地面供熱盤管地板層的結(jié)構(gòu)為:混凝土樓板上敷設(shè)20mm厚苯板保溫層;其上敷設(shè)交聯(lián)聚乙烯(PE-X)塑料管,外徑Φ20mm,壁厚2mm;然后鋪設(shè)60mm厚碎石混凝土,再做20mm厚水泥沙漿找平層。地板內(nèi)供熱盤管采用雙螺旋型布置方式。盤管間距250mm,接近外墻的加熱管距外墻距離100mm。盤管間距根據(jù)房間熱負(fù)荷確定,篇幅所限,其具體計算方法詳見參考文獻(xiàn)。3.5熱電閥的使用房間溫控器選用DanfossRMT230型機械式撥盤房間溫控器,控制精度±1℃。熱電閥選用DanfossTWA-A型常閉式熱電閥,當(dāng)室內(nèi)溫度低于房間設(shè)定溫度時,熱電閥開啟;當(dāng)房間溫度高于設(shè)定值時,熱電閥關(guān)閉。為了避免某一支路上的熱電閥關(guān)閉時水泵脫離正常工作區(qū),在地板輻射采暖系統(tǒng)的供回水干管間設(shè)置一自動差壓旁通閥,差壓設(shè)定范圍0.005～0.05MPa。4數(shù)據(jù)采集電能表及設(shè)置方法針對所設(shè)計的太陽能-熱泵地板輻射供暖實驗系統(tǒng),進(jìn)行連續(xù)運行的實驗研究,考察采暖房間內(nèi)的熱力過程、太陽能集熱器集熱效率以及熱泵機組的性能系數(shù),對系統(tǒng)設(shè)計方案及其可行性作出評價,為進(jìn)一步的經(jīng)濟技術(shù)比較研究做準(zhǔn)備。運行期間為2005年2月22日～2月28日。測試參數(shù)包括室外空氣溫度和太陽輻射強度,室內(nèi)空氣溫度,輻射地板表面平均溫度,各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度,熱泵機組冷凝側(cè)熱媒水供回水溫度、流量和向房間的供熱量以及蒸發(fā)側(cè)熱媒水供回水溫度、流量,儲熱水箱內(nèi)熱水溫度,太陽能集熱器集熱量,熱泵機組壓縮機以及集熱環(huán)路、蒸發(fā)器環(huán)路、冷凝器環(huán)路循環(huán)水泵的耗電量,電輔助加熱器的耗電量等。室外空氣溫度,室內(nèi)空氣溫度,輻射地板表面溫度,各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的測量采用銅-銅(T)型熱電偶,熱泵機組冷凝側(cè)與蒸發(fā)側(cè)熱媒水供回水溫度以及儲熱水箱內(nèi)熱水溫度的測量采用鎳鉻-康銅(E型)熱電偶,精度等級Ⅱ級。熱泵機組冷凝側(cè)與蒸發(fā)側(cè)熱媒水流量的測量采用LWGY-15型渦輪流量傳感器。太陽能集熱器集熱量與房間的供熱量的測量采用DanfossM-CALCompact型熱能表。太陽輻射強度采用依據(jù)熱電效應(yīng)原理工作的TBQ-2總輻射表來測量。上述溫度傳感器、流量傳感器以及輻射表的正負(fù)接線分別連接到HP3470A型數(shù)據(jù)采集儀的各測量端子上,數(shù)據(jù)采集儀通過RS-232接口與計算機串行接口相連,在計算機上實現(xiàn)上述各測量信號的連續(xù)自動定時掃描、顯示和存儲。熱泵機組壓縮機的耗電量,集熱環(huán)路、蒸發(fā)器環(huán)路、冷凝器環(huán)路循環(huán)水泵的耗電量以及電輔助加熱器的耗電量,采用DF型集中式電能表來計量。電能表連續(xù)循環(huán)檢測和顯示上述各設(shè)備的用電量,可定時讀取。5結(jié)果5.1輻射采暖舒適性分析實驗期間室外空氣溫度如圖2室外氣溫變化曲線,其平均值為1.3℃。室內(nèi)空氣溫度見圖2中室內(nèi)氣溫變化曲線,平均值為19.6℃,最高值22.2℃,最低值16.1℃。采用以輻射傳熱為主要傳熱方式的輻射供暖時,人體受到地板表面以及其余圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱輻射,人體舒適度取決于輻射強度與室內(nèi)空氣溫度的綜合作用,評價室內(nèi)舒適性不能如對流采暖時那樣,僅以室內(nèi)空氣溫度作為指標(biāo),因此引入作用溫度的概念,以此來衡量室內(nèi)環(huán)境的舒適性。在室內(nèi)空氣流速小于0.2m/s時,其作用溫度t0:式中ta——室內(nèi)空氣溫度,℃trˉˉˉtrˉ——房間各面圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的面積加權(quán)平均溫度,即平均輻射溫度,℃trˉˉˉ=[∑(Aiti)]/(∑Ai)trˉ=[∑(Aiti)]/(∑Ai)(4)式中Ai——第i表面面積,m2t0——第i表面溫度,℃室內(nèi)作用溫度見圖2中室內(nèi)作用溫度變化曲線,平均值為20.7℃,最高值為23.3℃,最低值為17.0℃。其平均值比室內(nèi)空氣溫度平均值高出1.1℃,體現(xiàn)出了輻射采暖舒適性好的優(yōu)點。如前文所述,系統(tǒng)采用開/關(guān)運行調(diào)節(jié)方案,室內(nèi)溫度控制范圍為18±2℃。在實際運行過程中,室內(nèi)氣溫出現(xiàn)了超溫現(xiàn)象,最高值為22.2℃,運行調(diào)節(jié)方案并不理想。出現(xiàn)這種情況的主要原因是地板輻射系統(tǒng)熱惰性大,對室溫的調(diào)節(jié)不敏感,當(dāng)中午太陽輻射強度較高時,就會出現(xiàn)室溫超過設(shè)計值的現(xiàn)象。更為合理的運行調(diào)節(jié)方案還需進(jìn)一步進(jìn)行實驗研究。5.2太陽能集熱器日平均效率的確定如式(1)所示,根據(jù)本系統(tǒng)的特點,集熱器的面積是根據(jù)設(shè)計日集熱量、最冷月平均日總太陽輻射量以及最冷月太陽能集熱器日平均集熱效率而確定的。因此,本文的目的是從系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā),研究在系統(tǒng)設(shè)計過程中確定集熱器集熱效率的方法,從而再進(jìn)一步確定太陽能集能器的日平均效率。影響集熱器集熱效率的因素很多,除集熱器本身的結(jié)構(gòu)特性外,還包括集熱器內(nèi)傳熱流體的流動特性和傳熱特性,以及集熱器內(nèi)傳熱流體的進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度、太陽輻射強度等各項因素。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時,集熱器的結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)確定(集熱器型式規(guī)格已經(jīng)選定),流經(jīng)集熱器的熱媒水流量也已經(jīng)確定(根據(jù)所選集熱器對熱媒水流量的要求而定)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)熱管式真空太陽能集熱器的特點,集熱器效率公式可以簡化為集熱器入口熱媒水溫度、環(huán)境溫度以及太陽輻射強度的線性方程。根據(jù)此方程確定集熱器日平均效率,將每天集熱時間內(nèi)(8∶00～16∶00)集熱器進(jìn)口熱媒水平均溫度tˉcitˉci、室外平均溫度tˉouttˉout以及日平均太陽輻射強度IˉcΙˉc代入此方程,得到集熱器日平均效率方程:ηˉc=A?B[(tˉc,i?tˉout)/Iˉc]ηˉc=A-B[(tˉc,i-tˉout)/Ιˉc](5)式中A、B——集熱器性能常數(shù)tˉc,itˉc,i——集熱器入口熱媒水溫度,℃tˉouttˉout——集熱器入口環(huán)境溫度,℃IˉcΙˉc——日平均太陽輻射強度,W/m2將實驗期間的實驗數(shù)據(jù)系列ηˉcηˉc、tˉc,itˉc,i、tˉouttˉout和IˉcΙˉc,根據(jù)式(5)進(jìn)行線性回歸,得到本系統(tǒng)所選用的熱管式真空管太陽能集熱器的日均集熱效率方程:ηˉc=0.75?2.70(tˉc,i?tˉout)/Iˉcηˉc=0.75-2.70(tˉc,i-tˉout)/Ιˉc(相關(guān)系數(shù)0.89)(6)集熱器入口熱媒水日均設(shè)計溫度tˉc,itˉc,i取20℃,高出儲熱水箱內(nèi)日均設(shè)計水溫5℃;最冷月室外平均溫度tˉouttˉout為-1.6℃;最冷月日平均太陽輻射強度IˉcΙˉc為583W/m2(日照時數(shù)按8h計)。將上述各參數(shù)代入式(6),集熱器的日平均效率確定為65%。測試時,單位面積集熱器所對應(yīng)的集熱環(huán)路熱媒水流量為0.020L/(s·m2)。實驗期間集熱器的日平均效率:式中Qu——太陽能集熱器日間累積集熱量,kW,由集熱環(huán)路上的熱量表測量Ic(τ)——τ時刻的太陽輻射強度,W/m2,由輻射表測量τ1、τ2——輻射