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太阳能与地源热泵组合系统供热空调设计与应用

所属类别:行业知识   发布时间:2009-7-29 14:33:00  


 

 

 

  摘 要:在天津地区针对一建筑物设计建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)的示范工程与数据采集系统。结合建筑特点与用途设计太阳能热利用与蓄热利用,将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中,为冬季当太阳能不足时通过热泵加以提升利用,实现太阳能的转移利用。初步实验得到夏季蓄热时:集热器进、出口温度,日蓄热时间,蓄热功率及系统耗功等。

  关键词:太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS); 土壤跨季节蓄热; 地源热泵

  1 引言

  能源、环境与节能已是全球面临的紧迫和重要工作,要加强新能源与可再生能源的利用,减少常规能源的消耗!实施能量短期或长期蓄存以达到能量补充和再利用目的。太阳能的蓄热与向土壤跨季节蓄热利用,可加强太阳能利用的深度与广度,将太阳能热利用变为可控和可掌握。

  跨季节蓄热太阳能集中供热系统(简称CSHPSS)主要是通过一定的存储媒介,如热水型蓄热、砾石-水蓄热、埋管土壤蓄热和蓄水层蓄热等,进行太阳能量存储,以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化,从而达到更高效利用太阳能的目的[1~2]。在欧洲,CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已达到40~60%,CSHPSS系统已成为国际上比较流行、极具发展潜力与大规模利用太阳能的首选系统之一,并相继建造了一些示范工程[3]。

  以地源热泵为中心,在对埋地换热器及与地下土壤间传热研究工作的基础上,国内对土壤的蓄能也开展了初步的研究[4~6]。

  2 太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)

  2.1 SGCHPSS系统简介

  在天津地区针对一建筑物建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)示范工程,总建筑面积5666m2,共3层。包含有办公室、图书室、会议室等常规空调区域,和篮球馆、乒乓球室、重量训练区等休闲区域,还有游泳池、洗浴等常年需要热水供应的娱乐区域。建筑物冬季设计热负荷为433.7kW,夏季设计冷负荷为461.7kW。图1为SGCHPSS系统的组成与示范工程应用。

 


    SGCHPSS组合系统由太阳能集热系统、地下埋管、地源热泵、热水和末端系统五部分组成。SGCHPSS系统中,太阳能集热选用600m2的平板型太阳能集热器,蓄热水箱为10m3;地源热泵系统有2台水-水式水源热泵机组,负担1层的大厅、游泳池、篮球馆等大空间的采暖空调负荷;2、3层各房间的采暖空调分别由小型的水-空气式水源热泵机组来承担。地下U型埋管换热器由60口埋深20m的双U型桩埋管和48口埋深120m的双U型井埋管组成,其中井埋管中有8口为蓄热井。

  2.2太阳能集热和土壤跨季节蓄热系统

  SGCHPSS组合系统将太阳能蓄热与跨季节蓄热及与地源热泵有机地结合起来。充分利用太阳能和浅层地表能,将太阳能的跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中,使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一。将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中,提高土壤冬季热源温度,以提高地源热泵效率,实现太阳能的转移利用。

  2.3数据采集与测量

  根据该示范工程建设的目的和用途,开发了一套PLC自动数据采集系统,对系统温度、流量和电耗的数据进行采集与测量,有温度测点20个、流量测点4个和功率测点3个。图2为地源热泵系统测点布置与数据采集显示画面。计算机数据采集与监控画面在工控组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System)的基础上编写。MCGS系统在基于Microsoft的平台上运行,通过硬件设备对现场数据进行采集,经过一系列用户指定的处理方式,以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、报表输出等多种方式提供采集与测量数据。

  

  3 太阳能集热实验与分析

  SGCHPSS示范工程建成后于2006年7月份开始运行,本文对2006年夏季7~9月份数据进行初步分析。数据采集期间,系统每天从9点开始运行,17点停止运行,每天运行8小时。

  3.1太阳能集热温度、功率与蓄热

  图3为太阳能集热器进、出口温度及集热功率变化曲线。可看到,一天中太阳能集热器的出口温度先增到一个极值,然后开始逐渐减小;集热器进口温度即为集热水箱温度,表明太阳能出口温度达到最大值后,随热水的供应,集热水箱温度(进口温度)基本上稳定不变。

  从图中还可以看到11点至15点左右期间集热器的出口温度均高于50℃,持续时长约为4小时。也就是说在这个阶段集热器的出口温度均高于设定的蓄热温度为50℃,可以向地下土壤蓄热。由于测试期间水箱温度测点出问题,不能准确测定集热水箱温度,近似推算出在9月初系统的日蓄热时间至少为4个小时。9月份太阳能集热器的集热功率最大值可以达到80 kW,最大值出现在11时左右。






  3.2 热水负荷与蓄热功率

  图4为9月份热水功率与蓄热功率的变化,可看到洗浴热水负荷一般集中在午后与晚上,而且热水需求时间分散不固定,热水负荷平均功率约为7.0 kW。说明热水需求的不连续性和分散性,因此蓄热将是较理想的节能方式和解决措施。

  上午11点左右集热功率达到最大值以后开始蓄热,蓄热初始阶段,有极少一段时间蓄热功率较大能够达到50 kW以上,这是由于土壤经过1个晚上后蓄热能力得到恢复,随着运行时间的增加,这种急剧跳跃的蓄热状况逐渐消失。每天蓄热功率集中在18~36 kW之间,平均蓄热功率约为22.9 kW,每天蓄热4~6小时。

  热水负荷与蓄热之间的关系,白天热水负荷较小,故太阳能的集热量大部分可通过蓄热管蓄存到土壤中去。傍晚以后太阳能水箱温度低于设定的蓄热温度,而洗浴热水用量增加,太阳能系统主要满足洗浴负荷,无蓄热能力。表明,将夏季富余的太阳能蓄存到土壤,实现跨季节蓄热是完全可能的。

  4 结论

  1、在天津地区设计建设了一套太阳能、蓄热与地源热泵组合(SGCHPSS)系统实现供热空调。太阳能实现常规的热水供应,还可向地下土壤进行跨季节的蓄热,为冬季热泵利用提供更高温度的热源。

  2、初步实验表明:夏季太阳集热系统在只满足洗浴热水需求时,保证率可以达到90%以上;平板集热器平均集热效率约为50.1%;9月份系统的实际蓄热功率约为22.9 kW,每天蓄热4~6小时。


  参考文献

[1] Bo Nordell,Goran Hellstrom,High temperature solar heated seasonal storage system for low temperature heating of buildings,Solar Energy,2000,69(6):511-523
[2] S Lundin,B Eriksson,T Borrteknik and B Brinck,Drilling in Hard Rock and Borehole Heat Exchangers for Seasonal Stores,9th International Conference on Thermal Energy Storage,Warsaw in Poland,2003,1:399-404
[3] Schmidt T,Mangold D,Muller-Steinhagen H,Central solar heating plants with seasonal storage in Germany,Solar Energy,2004,76 (1-3):165-174
[4] Xinguo Li,Zhihao Chen,Jun Zhao,Simulation and experiment on the thermal performance of U-vertical ground coupled heat exchanger,Applied Thermal Engineering,2006,26(14-15):1564-1571
[5] 余延顺,马最良,土壤蓄冷与释冷过程的模拟研究,太阳能学报,2005,26(4):487-492
[6] 高青,J D Spitler,李明等,地下蓄能及其对地热泵系统的作用,吉林大学学报:工学版,2006,36(4):497-501

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