太阳能热泵供热系统的实验研究

文/高冉、王志鹏、张学谦 济南热力集团有限公司 山东济南 250000

1、前言

开发新能源和节能是寻求能源出路的两大重要途径，太阳能热泵供热系统以其显著的节能性和环保性具有广阔的发展前景。由于地理位置及气候条件的差异以及经济技术条件的限制，我国只能根据本国国情对国外的研究成果加以借鉴，同时应大力开展国内SAHP系统的研发工作，以推动太阳能热泵技术在我国的推广及应用。

2、太阳能热泵供热系统实验台简介

本实验台是在青岛建筑工程学院热泵实验室的原有设备及管路系统的基础上，增加太阳能集热器和蓄热器等设备，并对部分管路进行改造而建成的。

活塞压缩式水—水热泵，美国Copland公司生产，压缩机额定功率为2.2kW，制冷剂为R22;2)12WG-8型管道泵，电机功率为90W，最大扬程为10m，最大流量为20L/min;3)LZB-25型玻璃转子式流量计，d25mm;4)MCE08-787型累积式流量计，d24mm，瑞典产;5)联箱;6)FP-5立式明装风机盘管，风机功率为50W;7)容积式保温水箱，外形尺寸2000×1300×820，内置铜管换热器;8)自行设计的平板型太阳能集热器，单层玻璃盖板，吸热体表面涂无光黑漆，钢制壳体，单台尺寸为1340×1640，共五台，总有效集热面积为10.988m2，集热器朝向正南，倾角可随季节调节(采暖季为52°，非采暖季为38°);9)自行设计的蓄热水箱，外形尺寸1700×1700×1700，净容积为2.106m3，内置低压聚乙烯塑料圆管d32mm×2.5mm，总管长108.8m，散热面积10.94m2。箱体内装有3只U型管状水用电加热器，电热管材为d12mm紫铜管，电功率分别为1kW、1.5kW、2kW，可单独或并联使用;10)WMS1i2513020型小口径热能表，Y20mm，公称流量为2.5m3/h，铂电阻温度传感器，德国产;11)WNG-11型金属套管式玻璃水银温度计，尾长120mm，量程分别为0～100℃、0～50℃、-30～50℃;12)ZILMET00201型闭式膨胀水箱(附安全阀及压力表)，意大利产;13)S324型冷暖风机，风机功率为0.12kW。

下面以典型工况——太阳能热泵供热—蓄热工况及蓄热器放热—热泵供热工况为例，来说明系统供热过程:冬季晴朗白天，载热介质在集热器中获取太阳辐射能后，流入蓄热水箱，通过箱内的换热盘管将部分热量传递给蓄热介质，然后进入蒸发器与制冷剂换热，并通过热泵循环进行供热，降温后的集热介质在管道泵的作用下又流回集热器，由此完成一次循环。夜间(或阴雨天)，从蒸发器流出的载热介质不流经太阳能集热器，而是通过一根旁通管直接流入蓄热水箱，从蓄热介质中吸取热量后流回蒸发器，再通过热泵循环进行供热。如果蓄热量不足，不能以满足供热需要，则利用辅助电加热器加以补充。热泵冷凝器侧有三个并联的终端:1)风机盘管，2)容积式保温水箱，3)暖风机，可同时向房间供暖和提供生活热水。

根据太阳辐射强度及热负荷的大小，利用一些阀门的启闭可实现太阳能直接供热、太阳能热泵供热及蓄热器蓄热—放热等多种运行工况的转换。目前各阀门的启闭还仅靠人工操作，但在经济允许的情况下，只需增加部分自控装置就可实现阀门的自动控制。

本太阳能热泵供热系统实验台具有以下几个方面的特点:

1)采用自行设计的平板型太阳能集热器(单层玻璃、涂普通黑漆)，吸热体由工厂可批量生产的钢制板式散热器改造制成，从而大大箱降低了集热器造价(仅为500$/m2);

2)采用自行设计的单槽式蓄热水箱，箱内采用聚乙烯塑料盘管作为换热器，不仅减少了防冻溶液的充灌量而且节省了一个循环水泵;

3)在非采暖季，太阳能集热器可与容积式保温水箱组成闭式强制循环式热水系统，能够保证24h的热水供应，既实现了节能又提高了设备的全年利用率;

4)因有蓄热装置，夏季可利用夜间电力进行蓄冷运行，不仅运行费便宜，且有助于电力错峰。

3、实验结果的推广应用

已知热泵的供热性能系数，根据热泵理论及有关实验数据可得出单位冷凝器供热量所需的集热面积、换热盘管长度及其换热面积、蓄热水箱容积，可直接应用于实际工程设计及校核计算。同时可以看出，热泵机组的供热系数COP越高，系统各主要设备的初投资也越大，但系统运行费用越少，所以在实际工程设计中需要将系统性能与投资回收结合起来进行综合考虑。

应当指出，对于本实验所设计开发的太阳能热泵供热系统形式，蒸发温度的高低直接影响太阳能集热器及蓄热水箱的工作性能，同时热泵机组的热力参数与系统整体供热性能及节能效果密切相关。因此，在参考上述实验结论进行SAHP供热系统设计时，应注意本热泵机组(压缩机为活塞式，制冷剂为R22)热力参数的变化范围:蒸发温度为-11.46～-6.68℃，冷凝温度为45.46～57.40℃，蒸发器对数传热温差为1.20～4.53℃，冷凝器对数传热温差为13.28～17.78℃，冷水进出口温差为3.78～5.50℃，热水进出口温差为6.55～8.77℃。上述数据可作为选择热泵机组和冷、热水流量的参考数据。

结论:

通过对所设计、开发的太阳能热泵供热系统的冬季供暖工况的测试及研究，可以得到以下结论:

(1)在青岛地区最冷月的气候条件下，所设计、开发的太阳能热泵供热系统不仅能够满足设计方案24h连续供暖的要求，而且能够实现连续5d供暖(其中可以有连续的两个阴雨天)。

(2)在整个供暖测试期内，室外平均温度为-1.56℃，平均太阳辐射强度为327.8W/m2，热泵机组平均供热系数为2.55，整个系统平均供热系数为2.19。系统并未使用辅助热源。

(3)本实验设计开发的平板型太阳能集热器具有良好的集热性能，平均集热效率高达67.2%，并得出了平板型太阳能集热器在冬季供暖工况下的日间效率方程。

(4)在冬季供暖工况下蓄热水箱起到了良好的热量平衡作用，保证了系统的连续稳定供热。

(5)分析表明，在太阳能热泵供热系统中采用低温末端装置可显著提高系统供热性能。

(6)在青岛地区的气候条件下，该系统冬季晴天可提供约1100L/d(温升为40℃)的热水，夏季晴天可提供约800L/d(温升为30℃)的热水。