太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱供熱系統(tǒng)試驗(yàn)分析
摘要: 介紹了一種太陽(yáng)能一土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng),對(duì)其運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析, 并對(duì)其運(yùn)行能效比與兩種單獨(dú)由土壤源熱泵供熱的模式進(jìn)行了比較。土壤溫度的變化不僅與取熱速率有關(guān), 還與地溫的自動(dòng)恢復(fù)能力相關(guān)該試驗(yàn)建筑所在的土壤條件下地溫的恢復(fù)能力為30 一40 MJ /d 。采用太陽(yáng)能一土壤源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)能效比最高,土壤源熱泵單機(jī)組雙供系統(tǒng)次之,而土壤源熱泵單機(jī)組單供系統(tǒng)能效比最低。太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱及土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)適用于熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷的建筑。
關(guān)鍵詞: 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱; 跨季節(jié)儲(chǔ)熱; 土壤源熱泵; 供熱
0 引言
土壤源熱泵作為地源熱泵的一種, 由于其不受地下水多少及水質(zhì)高低的限制而在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。但是, 在冷負(fù)荷遠(yuǎn)小于熱負(fù)荷的建筑中, 采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng), 會(huì)使土壤溫度逐年降低從
而出現(xiàn)后期能效比大大降低的困境。為了彌補(bǔ)這種不平衡, 需要在冬季增加鍋爐供熱, 或者不使用土壤源熱泵系統(tǒng)。如果采用太陽(yáng)能儲(chǔ)熱與土壤源熱泵相結(jié)合, 依靠春、夏、秋三季的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱來(lái)提高地溫,不但可以彌補(bǔ)這種不平衡, 還可以提高熱泵機(jī)組的制熱能效比, 尤其對(duì)夏季沒(méi)有制冷需求的北方地區(qū)非常合適。世界上(尤其在歐洲)有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)存供熱工程項(xiàng)目,而國(guó)內(nèi)還極少見(jiàn)到。本文針對(duì)夏季制冷和冬季供熱需求相差懸殊的北方農(nóng)村別墅式建筑, 建立了一套太陽(yáng)能一土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng), 為了與單純土壤源熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行比較, 同時(shí)建立了兩種單獨(dú)土壤源熱泵的空調(diào)系統(tǒng)作為對(duì)比研究。經(jīng)過(guò)200多天的運(yùn)行試驗(yàn), 得出了3 種供熱方案的性能數(shù)據(jù), 為以后大面積普及使用奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1 供熱方案介紹
本項(xiàng)目地址在天津市某郊區(qū)農(nóng)村,對(duì)四戶(hù)別墅式建筑分別采用了3 種供熱方案:太陽(yáng)能一土壤源熱泵聯(lián)合供熱模式。土壤源熱泵單機(jī)單供模式和土壤源熱泵單機(jī)雙供模式。其中, 太陽(yáng)能一土壤源熱泵模式為主要試驗(yàn)?zāi)Ｊ?另兩種模式為對(duì)比模式。為了比較單土壤源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)模對(duì)運(yùn)行性能的影響,采用了兩種熱泵機(jī)組,分別帶一戶(hù)和兩戶(hù)供熱面積。用戶(hù)端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管, 既可以實(shí)現(xiàn)冬季供熱, 也可以實(shí)現(xiàn)夏季制冷的目的。但實(shí)際上, 在農(nóng)村的冷熱需求中, 夏季的制冷需求遠(yuǎn)小于冬季供熱需求。
在選擇機(jī)組和太陽(yáng)集熱器面積時(shí), 按照冬季負(fù)荷需求設(shè)計(jì).農(nóng)村住宅溫度要求一般較低, 按照冬
季最冷溫度-9℃, 室內(nèi)溫度為16℃設(shè)計(jì), 房間負(fù)荷按照供熱面積計(jì)算約為100W/m2。按照太陽(yáng)能供熱保證率20 % 一30 % 設(shè)計(jì), 太陽(yáng)集熱器面積為25m2。3 種供熱方案的機(jī)組選型及供熱面積如表1所示.
2 示范系統(tǒng)及運(yùn)行過(guò)程
圖1 為太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng), 圖2 為土壤源熱泵的空調(diào)系統(tǒng)圖。在試驗(yàn)期間, 對(duì)四戶(hù)建筑
室內(nèi)溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 并記錄了各用戶(hù)的熱量和電量消耗..
在太陽(yáng)能一土壤源熱泵供熱系統(tǒng)中, 太陽(yáng)能集熱水箱同時(shí)作為土壤源熱泵的供熱緩沖水箱。為了保證夏季儲(chǔ)熱的蓄存, 地下埋管采用4 個(gè)井正方形布置,單井深度為50 m , 井間距為2 m。井內(nèi)換熱管為雙U 形管。在非供熱時(shí)期(2007 年7 月3 1 一11 月13 日) , 太陽(yáng)集熱器獲得的熱水用于地下儲(chǔ)熱。在供熱期(2007 年11 月13 日一2008 年2 月22 日), 優(yōu)先利用太陽(yáng)能直接供熱當(dāng)太陽(yáng)集熱器熱水溫度高于40 ℃時(shí), 直接用于供熱;當(dāng)集熱水箱溫度低于35℃時(shí), 熱泵機(jī)組開(kāi)啟, 從土壤中取熱用于供熱。如圖1 中所示, 該系統(tǒng)在不同時(shí)期可實(shí)現(xiàn)4 種運(yùn)行模式:太陽(yáng)能儲(chǔ)熱模式.太陽(yáng)能直接供熱模式。土壤源熱泵制冷模式和土壤源熱泵供熱模式。
土壤源熱泵機(jī)組供熱方案系統(tǒng)中, 埋地?fù)Q熱器為2 個(gè)深度100m 的換熱井, 井間距為4m 。試驗(yàn)系統(tǒng)從2007 年7 月31 日安裝調(diào)試完成后開(kāi)始運(yùn)行, 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)開(kāi)始向地下儲(chǔ)熱。在夏、
秋季太陽(yáng)集熱器獲得的熱能儲(chǔ)存在土壤層中, 供冬季供熱時(shí)取出。夏季炎熱天氣, 四個(gè)住戶(hù)還可以開(kāi)啟土壤源熱泵的制冷模式, 但實(shí)際運(yùn)行時(shí)間很短暫,對(duì)土壤的溫度改變可以忽略。在試驗(yàn)期間, 分別對(duì)太陽(yáng)能集熱量、地下儲(chǔ)熱量、機(jī)組制熱量、地下排熱量和風(fēng)機(jī)盤(pán)管散熱量及各個(gè)水泵的耗電量都進(jìn)行了記錄。在太陽(yáng)能儲(chǔ)熱的各井及中間井中分別在3、5、10、20、35 和50m 布置了Pt1000熱電阻, 利用HP34970數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄各儲(chǔ)熱井及監(jiān)測(cè)井中的溫度變化。在冬季, 分別對(duì)室內(nèi)供熱房間布置了溫度采集測(cè)點(diǎn), 自動(dòng)記錄了各用戶(hù)的室內(nèi)溫度變化。圖3 為試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物照片。
3 運(yùn)行結(jié)果及分析
3 .1 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱及供熱過(guò)程土壤溫度的變化
在整個(gè)試驗(yàn)期間, 地溫的變化如圖4 所示。地溫值在儲(chǔ)熱期間取為每天儲(chǔ)熱前一時(shí)刻的地下溫度值;在供熱期間, 由于每天機(jī)組開(kāi)啟次數(shù)和時(shí)間是不固定的, 則取為每天不受環(huán)境影響的土壤層(地下20 m) 最高溫度對(duì)應(yīng)時(shí)刻的土壤溫度值。儲(chǔ)熱時(shí)間段收集到的太陽(yáng)能向地下儲(chǔ)熱使地溫升高, 在供熱
時(shí)間段, 機(jī)組從地下取熱而使地溫降低。但在儲(chǔ)熱(或取熱)的間隙, 由于土壤的自動(dòng)恢復(fù)作用,溫度會(huì)逐漸降低(或升高) , 以恢復(fù)到原來(lái)的水平。10 m 以上的土壤會(huì)受到外界溫度的影響, 在儲(chǔ)熱和供熱時(shí)都對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不利, 所以應(yīng)盡可能在土壤表層添加保溫層。
由圖4 中35 m 處土壤溫度來(lái)看, 在儲(chǔ)熱期間溫度由14 .4℃最高升到16 .3℃, 升高1.9℃, 到供熱開(kāi)始時(shí), 溫度為15.6℃, 比初始溫度升高1.2℃;供熱開(kāi)始時(shí)每天用熱基本穩(wěn)定, 土壤溫度逐漸降低, 到13.0℃。在最后半個(gè)月時(shí)間內(nèi), 取熱量又大大減少,土壤溫度逐漸回升到13 .8 ℃。
如表2 所示,從2008 年l 月17 日一30 日期間,每天平均取熱量為106 .15MJ , 地溫平均降低
0.062℃, 而從2008 年2 月13 日一2 日期間, 每天平均取熱量為12 .19 JM , 地溫反而升高了0 .2℃ , 平均每天升高0 .022℃。地溫的變化幅度.與取熱量的大小有一定關(guān)系。但從地下的取熱并不會(huì)必然導(dǎo)致地溫的降低, 當(dāng)取熱量比地溫恢復(fù)能力小時(shí), 地溫不但不會(huì)降低還會(huì)向初溫值回升。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì),在該系統(tǒng)條件下, 每天取熱量為30一40 MJ 時(shí), 地溫可以自動(dòng)恢復(fù)。
3 .2 系統(tǒng)運(yùn)行能效比評(píng)價(jià)
對(duì)3 種供熱方案在供熱期的系統(tǒng)COP值進(jìn)行比較如表3 所示。.
太陽(yáng)能儲(chǔ)熱期間共向地下儲(chǔ)熱7635MJ, 平均每天儲(chǔ)熱量為72 .7MJ。供熱期間土壤源熱泵機(jī)組從
地下取熱784 9MJ , 機(jī)組耗電754 .4kWh, 機(jī)組制熱量為10465MJ, 機(jī)組效率為99 .05 % , 機(jī)組平均COP值為3 .85 (3 .5 一4 .4 之間變化)。
在供熱期間, 太陽(yáng)能集熱不再向地下儲(chǔ)存, 而直接用于供熱。供熱期間太陽(yáng)能的直接供熱量為
4396MJ, 占總供熱量的29 .6 %?？偤碾娏?包括機(jī)組、太陽(yáng)能循環(huán)泵、室內(nèi)循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管的耗電)為1215.4kWh , 系統(tǒng)平均COP值為3 .40。
在供熱期內(nèi), 單機(jī)單供機(jī)組制熱量為18286MJ；系統(tǒng)耗電量為199 9.9kWh, 系統(tǒng)COP值為2 .54。單機(jī)雙供機(jī)組的制熱量為72279MJ , 系統(tǒng)耗電量為7368 .2kWh, 系統(tǒng)COP值為2 .72。
4 結(jié)論
1) 10m 以上土壤溫度受氣溫影響較大, 土壤表層應(yīng)采取保溫措施;
2) 土壤溫度的變化不僅與取熱速率有關(guān), 還與地溫的自動(dòng)恢復(fù)能力相關(guān), 本試驗(yàn)系統(tǒng)所在土壤的自恢復(fù)能力為30 一40 MJ / d ;
3) 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱能使地溫得到升高, 有利于彌補(bǔ)土壤源熱泵取熱時(shí)導(dǎo)致的地溫降低, 解決了土壤源熱泵機(jī)組在熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷的建筑上應(yīng)用的限制;
4) 太陽(yáng)能熱水在冬季直接用于供熱, 使供熱系統(tǒng)的能效比大大提高, 減少了電能的消耗。
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