太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)供熱空調(diào)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

太陽(yáng)能蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)供熱空調(diào)設(shè)計(jì)與應(yīng)用天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李新國(guó)，趙軍

天津市房屋鑒定設(shè)計(jì)院呂強(qiáng)

天津華廈建設(shè)發(fā)展股份有限公司王健摘要：在天津地區(qū)針對(duì)一建筑物設(shè)計(jì)建成太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）的示范工程與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。結(jié)合建筑特點(diǎn)與用途設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱利用與蓄熱利用，將夏季豐富的太陽(yáng)能儲(chǔ)存于地下土壤中，為冬季當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)通過(guò)熱泵加以提升利用，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)移利用。初步實(shí)驗(yàn)得到夏季蓄熱時(shí)：集熱器進(jìn)、出口溫度，日蓄熱時(shí)間，蓄熱功率及系統(tǒng)耗功等。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）；土壤跨季節(jié)蓄熱；地源熱泵1引言能源、環(huán)境與節(jié)能已是全球面臨的緊迫和重要工作，要加強(qiáng)新能源與可再生能源的利用，減少常規(guī)能源的消耗！實(shí)施能量短期或長(zhǎng)期蓄存以達(dá)到能量補(bǔ)充和再利用目的。太陽(yáng)能的蓄熱與向土壤跨季節(jié)蓄熱利用，可加強(qiáng)太陽(yáng)能利用的深度與廣度，將太陽(yáng)能熱利用變?yōu)榭煽睾涂烧莆??？缂竟?jié)蓄熱太陽(yáng)能集中供熱系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CSHPSS）主要是通過(guò)一定的存儲(chǔ)媒介，如熱水型蓄熱、礫石-水蓄熱、埋管土壤蓄熱和蓄水層蓄熱等，進(jìn)行太陽(yáng)能量存儲(chǔ)，以補(bǔ)償太陽(yáng)輻射與熱量需求的季節(jié)性變化，從而達(dá)到更高效利用太陽(yáng)能的目的［1~2］。在歐洲，CSHPSS系統(tǒng)中太陽(yáng)能占總熱需求量的比例已達(dá)到40?60%，CSHPSS系統(tǒng)已成為國(guó)際上比較流行、極具發(fā)展?jié)摿εc大規(guī)模利用太陽(yáng)能的首選系統(tǒng)之一，并相繼建造了一些示范工程囪。以地源熱泵為中心，在對(duì)埋地?fù)Q熱器及與地下土壤間傳熱研究工作的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)對(duì)土壤的蓄能也開展了初步的研究［4~6］。2太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）2.1SGCHPSS系統(tǒng)簡(jiǎn)介在天津地區(qū)針對(duì)一建筑物建成太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）示范工程，總建筑面積5666m2，共3層。包含有辦公室、圖書室、會(huì)議室等常規(guī)空調(diào)區(qū)域，和籃球館、乒乓球室、重量訓(xùn)練區(qū)等休閑區(qū)域，還有游泳池、洗浴等常年需要熱水供應(yīng)的娛樂(lè)區(qū)域。建筑物冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為

433.7kW，夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為461.7kW。圖1為SGCHPSS系統(tǒng)的組成與示范工程應(yīng)用。-4I 自來(lái)水圖-4I 自來(lái)水圖1太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)（SGCHPSS）熱泵機(jī)組洗浴SGCHPSS組合系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、地下埋管、地源熱泵、熱水和末端系統(tǒng)五部分組成。SGCHPSS系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱選用600m2的平板型太陽(yáng)能集熱器，蓄熱水箱為10m3；地源熱泵系統(tǒng)有2臺(tái)水-水式水源熱泵機(jī)組，負(fù)擔(dān)1層的大廳、游泳池、籃球館等大空間的采暖空調(diào)負(fù)荷；2、3層各房間的采暖空調(diào)分別由小型的水-空氣式水源熱泵機(jī)組來(lái)承擔(dān)。地下U型埋管換熱器由60口埋深20m的雙U型樁埋管和48口埋深120m的雙U型井埋管組成，其中井埋管中有8口為蓄熱井。2.2太陽(yáng)能集熱和土壤跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)SGCHPSS組合系統(tǒng)將太陽(yáng)能蓄熱與跨季節(jié)蓄熱及與地源熱泵有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。充分利用太陽(yáng)能和淺層地表能，將太陽(yáng)能的跨季節(jié)蓄熱結(jié)合到地源熱泵的地下埋管換熱器系統(tǒng)中，使地下土壤換熱器與地下蓄能合二為一。將夏季豐富的太陽(yáng)能儲(chǔ)存于地下土壤中，提高土壤冬季熱源溫度，以提高地源熱泵效率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)移利用。

2.3數(shù)據(jù)采集與測(cè)量謝泳池?fù)Q熱器地板采集大堂謝泳池?fù)Q熱器地板采集大堂多功能球場(chǎng)輸入框、多功能球場(chǎng)--Tv?A?C米?分木器壓編機(jī)壓縮機(jī)輸入框C輸入框C輸入棚C輸入框C蒸發(fā)器節(jié)流冏墉入相輸入框冷凝器納入框。身5蒸發(fā)器輔入框C輸入框供水源熱泵玲入框t/h埋管集水器於入框—.地源循環(huán)泵謝泳池?fù)Q熱器地板采集大堂謝泳池?fù)Q熱器地板采集大堂多功能球場(chǎng)輸入框、多功能球場(chǎng)--Tv?A?C米?分木器壓編機(jī)壓縮機(jī)輸入框C輸入框C輸入棚C輸入框C蒸發(fā)器節(jié)流冏墉入相輸入框冷凝器納入框。身5蒸發(fā)器輔入框C輸入框供水源熱泵玲入框t/h埋管集水器於入框—.地源循環(huán)泵輸入框c割生輸入框圳圖2地源熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集畫面3太陽(yáng)能集熱實(shí)驗(yàn)與分析SGCHPSS示范工程建成后于2006年7月份開始運(yùn)行，本文對(duì)2006年夏季7~9月份數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。數(shù)據(jù)采集期間，系統(tǒng)每天從9點(diǎn)開始運(yùn)行，17點(diǎn)停止運(yùn)行，每天運(yùn)行8小時(shí)。3.1太陽(yáng)能集熱溫度、功率與蓄熱圖3為太陽(yáng)能集熱器進(jìn)、出口溫度及集熱功率變化曲線?？煽吹?，一天中太陽(yáng)能集熱器的出口溫度先增到一個(gè)極值，然后開始逐漸減??；集熱器進(jìn)口溫度即為集熱水箱溫度，表明太陽(yáng)能出口溫度達(dá)到最大值后，隨熱水的供應(yīng)，集熱水箱溫度(進(jìn)口溫度)基本上穩(wěn)定不變。從圖中還可以看到11點(diǎn)至15點(diǎn)左右期間集熱器的出口溫度均高于50^，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為4小時(shí)。也就是說(shuō)在這個(gè)階段集熱器的出口溫度均高于設(shè)定的蓄熱溫度為50r，可以向地下土壤蓄熱。由于測(cè)試期間水箱溫度測(cè)點(diǎn)出問(wèn)題，不能準(zhǔn)確測(cè)定集熱水箱溫度，近似推算出在9月初系統(tǒng)的日蓄熱時(shí)間至少為4個(gè)小時(shí)。9月份太陽(yáng)能集熱器的集熱功率最大值可以達(dá)到80kW，最大值出現(xiàn)在11時(shí)左右。

oooO8642oooO6543)c)度溫002時(shí)間（天）3h熱水:IoooO8642oooO6543)c)度溫002時(shí)間（天）3h熱水:IW原功209:00 11:00013:00 15:00 17:00時(shí)間圖3集熱器進(jìn)、出口水溫與集熱功率圖4熱水功率和蓄熱功率3.2熱水負(fù)荷與蓄熱功率圖4為9月份熱水功率與蓄熱功率的變化，可看到洗浴熱水負(fù)荷一般集中在午后與晚上，而且熱水需求時(shí)間分散不固定，熱水負(fù)荷平均功率約為7.0kW。說(shuō)明熱水需求的不連續(xù)性和分散性，因此蓄熱將是較理想的節(jié)能方式和解決措施。上午11點(diǎn)左右集熱功率達(dá)到最大值以后開始蓄熱，蓄熱初始階段，有極少一段時(shí)間蓄熱功率較大能夠達(dá)到50kW以上，這是由于土壤經(jīng)過(guò)1個(gè)晚上后蓄熱能力得到恢復(fù)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，這種急劇跳躍的蓄熱狀況逐漸消失。每天蓄熱功率集中在18~36kW之間，平均蓄熱功率約為22.9kW，每天蓄熱4~6小時(shí)。熱水負(fù)荷與蓄熱之間的關(guān)系，白天熱水負(fù)荷較小，故太陽(yáng)能的集熱量大部分可通過(guò)蓄熱管蓄存到土壤中去。傍晚以后太陽(yáng)能水箱溫度低于設(shè)定的蓄熱溫度，而洗浴熱水用量增加，太陽(yáng)能系統(tǒng)主要滿足洗浴負(fù)荷，無(wú)蓄熱能力。表明，將夏季富余的太陽(yáng)能蓄存到土壤，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)蓄熱是完全可能的。4結(jié)論1、 在天津地區(qū)設(shè)計(jì)建設(shè)了一套太陽(yáng)能、蓄熱與地源熱泵組合（SGCHPSS）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱空調(diào)。太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的熱水供應(yīng)，還可向地下土壤進(jìn)行跨季節(jié)的蓄熱，為冬季熱泵利用提供更高溫度的熱源。2、 初步實(shí)驗(yàn)表明：夏季太陽(yáng)集熱系統(tǒng)在只滿足洗浴熱水需求時(shí)，保證率可以達(dá)到90%以上；平板集熱器平均集熱效率約為50.1%；9月份系統(tǒng)的實(shí)際蓄熱功率約為22.9kW，每天蓄熱4~6小時(shí)。參考文獻(xiàn)BoNordell,GoranHellstrom,Hightemperaturesolarheatedseasonalstoragesystemforlowtemperatureheatingofbuildings,SolarEnergy,2000,69(6)：511-523SLundin,BEriksson,TBorrteknikandBBrinck,DrillinginHardRockandBoreholeHeatExchangersforSeasonalStores,9thInternationalConferenceonThermalEnergyStorage,WarsawinPoland,2003,1：399-404SchmidtT,MangoldD,Muller-SteinhagenH,CentralsolarheatingplantswithseasonalstorageinGermany,SolarEnergy,2004,76(1-3)：165-174XinguoLi,ZhihaoChen,JunZhao,SimulationandexperimentonthethermalperformanceofU-verticalgroundcoupledheat