太阳能跨季节储热供热系统试验分析
摘要: 介绍了一种太阳能一土壤源热泵联合供热系统,对其运行试验数据进行了分析, 并对其运行能效比与两种单独由土壤源热泵供热的模式进行了比较。土壤温度的变化不仅与取热速率有关, 还与地温的自动恢复能力相关该试验建筑所在的土壤条件下地温的恢复能力为30 一40 MJ /d 。采用太阳能一土壤源热泵联合系统能效比最高,土壤源热泵单机组双供系统次之,而土壤源热泵单机组单供系统能效比最低。太阳能跨季节储热及土壤源热泵联合供热系统适用于热负荷远大于冷负荷的建筑。
关键词: 太阳能储热; 跨季节储热; 土壤源热泵; 供热
0 引言
土壤源热泵作为地源热泵的一种, 由于其不受地下水多少及水质高低的限制而在我国得到了广泛应用。但是, 在冷负荷远小于热负荷的建筑中, 采用土壤源热泵空调系统, 会使土壤温度逐年降低从
而出现后期能效比大大降低的困境。为了弥补这种不平衡, 需要在冬季增加锅炉供热, 或者不使用土壤源热泵系统。如果采用太阳能储热与土壤源热泵相结合, 依靠春、夏、秋三季的太阳能储热来提高地温,不但可以弥补这种不平衡, 还可以提高热泵机组的制热能效比, 尤其对夏季没有制冷需求的北方地区非常合适。世界上(尤其在欧洲)有多个国家开展了太阳能跨季节储存供热工程项目,而国内还极少见到。本文针对夏季制冷和冬季供热需求相差悬殊的北方农村别墅式建筑, 建立了一套太阳能一土壤源热泵空调系统, 为了与单纯土壤源热泵供热系统进行比较, 同时建立了两种单独土壤源热泵的空调系统作为对比研究。经过200多天的运行试验, 得出了3 种供热方案的性能数据, 为以后大面积普及使用奠定了一定的实验基础。
1 供热方案介绍
本项目地址在天津市某郊区农村,对四户别墅式建筑分别采用了3 种供热方案:太阳能一土壤源热泵联合供热模式。土壤源热泵单机单供模式和土壤源热泵单机双供模式。其中, 太阳能一土壤源热泵模式为主要试验模式,另两种模式为对比模式。为了比较单土壤源热泵系统的实际运行规模对运行性能的影响,采用了两种热泵机组,分别带一户和两户供热面积。用户端采用风机盘管, 既可以实现冬季供热, 也可以实现夏季制冷的目的。但实际上, 在农村的冷热需求中, 夏季的制冷需求远小于冬季供热需求。
在选择机组和太阳集热器面积时, 按照冬季负荷需求设计.农村住宅温度要求一般较低, 按照冬
季最冷温度-9℃, 室内温度为16℃设计, 房间负荷按照供热面积计算约为100W/m2。按照太阳能供热保证率20 % 一30 % 设计, 太阳集热器面积为25m2。3 种供热方案的机组选型及供热面积如表1所示.
2 示范系统及运行过程
图1 为太阳能土壤源热泵空调系统, 图2 为土壤源热泵的空调系统图。在试验期间, 对四户建筑
室内温度进行了监测, 并记录了各用户的热量和电量消耗..
在太阳能一土壤源热泵供热系统中, 太阳能集热水箱同时作为土壤源热泵的供热缓冲水箱。为了保证夏季储热的蓄存, 地下埋管采用4 个井正方形布置,单井深度为50 m , 井间距为2 m。井内换热管为双U 形管。在非供热时期(2007 年7 月3 1 一11 月13 日) , 太阳集热器获得的热水用于地下储热。在供热期(2007 年11 月13 日一2008 年2 月22 日), 优先利用太阳能直接供热当太阳集热器热水温度高于40 ℃时, 直接用于供热;当集热水箱温度低于35℃时, 热泵机组开启, 从土壤中取热用于供热。如图1 中所示, 该系统在不同时期可实现4 种运行模式:太阳能储热模式.太阳能直接供热模式。土壤源热泵制冷模式和土壤源热泵供热模式。
土壤源热泵机组供热方案系统中, 埋地换热器为2 个深度100m 的换热井, 井间距为4m 。试验系统从2007 年7 月31 日安装调试完成后开始运行, 太阳能集热系统开始向地下储热。在夏、
秋季太阳集热器获得的热能储存在土壤层中, 供冬季供热时取出。夏季炎热天气, 四个住户还可以开启土壤源热泵的制冷模式, 但实际运行时间很短暂,对土壤的温度改变可以忽略。在试验期间, 分别对太阳能集热量、地下储热量、机组制热量、地下排热量和风机盘管散热量及各个水泵的耗电量都进行了记录。在太阳能储热的各井及中间井中分别在3、5、10、20、35 和50m 布置了Pt1000热电阻, 利用HP34970数据采集系统自动记录各储热井及监测井中的温度变化。在冬季, 分别对室内供热房间布置了温度采集测点, 自动记录了各用户的室内温度变化。图3 为试验系统的实物照片。
3 运行结果及分析
3 .1 太阳能储热及供热过程土壤温度的变化
在整个试验期间, 地温的变化如图4 所示。地温值在储热期间取为每天储热前一时刻的地下温度值;在供热期间, 由于每天机组开启次数和时间是不固定的, 则取为每天不受环境影响的土壤层(地下20 m) 最高温度对应时刻的土壤温度值。储热时间段收集到的太阳能向地下储热使地温升高, 在供热
时间段, 机组从地下取热而使地温降低。但在储热(或取热)的间隙, 由于土壤的自动恢复作用,温度会逐渐降低(或升高) , 以恢复到原来的水平。10 m 以上的土壤会受到外界温度的影响, 在储热和供热时都对系统运行不利, 所以应尽可能在土壤表层添加保温层。
由图4 中35 m 处土壤温度来看, 在储热期间温度由14 .4℃最高升到16 .3℃, 升高1.9℃, 到供热开始时, 温度为15.6℃, 比初始温度升高1.2℃;供热开始时每天用热基本稳定, 土壤温度逐渐降低, 到13.0℃。在最后半个月时间内, 取热量又大大减少,土壤温度逐渐回升到13 .8 ℃。
如表2 所示,从2008 年l 月17 日一30 日期间,每天平均取热量为106 .15MJ , 地温平均降低
0.062℃, 而从2008 年2 月13 日一2 日期间, 每天平均取热量为12 .19 JM , 地温反而升高了0 .2℃ , 平均每天升高0 .022℃。地温的变化幅度.与取热量的大小有一定关系。但从地下的取热并不会必然导致地温的降低, 当取热量比地温恢复能力小时, 地温不但不会降低还会向初温值回升。从试验数据估计,在该系统条件下, 每天取热量为30一40 MJ 时, 地温可以自动恢复。
3 .2 系统运行能效比评价
对3 种供热方案在供热期的系统COP值进行比较如表3 所示。.
太阳能储热期间共向地下储热7635MJ, 平均每天储热量为72 .7MJ。供热期间土壤源热泵机组从
地下取热784 9MJ , 机组耗电754 .4kWh, 机组制热量为10465MJ, 机组效率为99 .05 % , 机组平均COP值为3 .85 (3 .5 一4 .4 之间变化)。
在供热期间, 太阳能集热不再向地下储存, 而直接用于供热。供热期间太阳能的直接供热量为
4396MJ, 占总供热量的29 .6 %。总耗电量(包括机组、太阳能循环泵、室内循环泵、风机盘管的耗电)为1215.4kWh , 系统平均COP值为3 .40。
在供热期内, 单机单供机组制热量为18286MJ；系统耗电量为199 9.9kWh, 系统COP值为2 .54。单机双供机组的制热量为72279MJ , 系统耗电量为7368 .2kWh, 系统COP值为2 .72。
4 结论
1) 10m 以上土壤温度受气温影响较大, 土壤表层应采取保温措施;
2) 土壤温度的变化不仅与取热速率有关, 还与地温的自动恢复能力相关, 本试验系统所在土壤的自恢复能力为30 一40 MJ / d ;
3) 太阳能储热能使地温得到升高, 有利于弥补土壤源热泵取热时导致的地温降低, 解决了土壤源热泵机组在热负荷远大于冷负荷的建筑上应用的限制;
4) 太阳能热水在冬季直接用于供热, 使供热系统的能效比大大提高, 减少了电能的消耗。
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