太陽能跨季節儲熱供熱系統試驗分析
摘要: 介紹了一種太陽能一土壤源熱泵聯合供熱系統,對其運行試驗數據進行了分析, 并對其運行能效比與兩種單獨由土壤源熱泵供熱的模式進行了比較。土壤溫度的變化不僅與取熱速率有關, 還與地溫的自動恢復能力相關該試驗建筑所在的土壤條件下地溫的恢復能力為30 一40 MJ /d 。采用太陽能一土壤源熱泵聯合系統能效比最高,土壤源熱泵單機組雙供系統次之,而土壤源熱泵單機組單供系統能效比最低。太陽能跨季節儲熱及土壤源熱泵聯合供熱系統適用于熱負荷遠大于冷負荷的建筑。
關鍵詞: 太陽能儲熱; 跨季節儲熱; 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高低的限制而在我國得到了廣泛應用。但是, 在冷負荷遠小于熱負荷的建筑中, 采用土壤源熱泵空調系統, 會使土壤溫度逐年降低從
而出現后期能效比大大降低的困境。為了彌補這種不平衡, 需要在冬季增加鍋爐供熱, 或者不使用土壤源熱泵系統。如果采用太陽能儲熱與土壤源熱泵相結合, 依靠春、夏、秋三季的太陽能儲熱來提高地溫,不但可以彌補這種不平衡, 還可以提高熱泵機組的制熱能效比, 尤其對夏季沒有制冷需求的北方地區非常合適。世界上(尤其在歐洲)有多個國家開展了太陽能跨季節儲存供熱工程項目,而國內還極少見到。本文針對夏季制冷和冬季供熱需求相差懸殊的北方農村別墅式建筑, 建立了一套太陽能一土壤源熱泵空調系統, 為了與單純土壤源熱泵供熱系統進行比較, 同時建立了兩種單獨土壤源熱泵的空調系統作為對比研究。經過200多天的運行試驗, 得出了3 種供熱方案的性能數據, 為以后大面積普及使用奠定了一定的實驗基礎。
1 供熱方案介紹
本項目地址在天津市某郊區農村,對四戶別墅式建筑分別采用了3 種供熱方案:太陽能一土壤源熱泵聯合供熱模式。土壤源熱泵單機單供模式和土壤源熱泵單機雙供模式。其中, 太陽能一土壤源熱泵模式為主要試驗模式,另兩種模式為對比模式。為了比較單土壤源熱泵系統的實際運行規模對運行性能的影響,采用了兩種熱泵機組,分別帶一戶和兩戶供熱面積。用戶端采用風機盤管, 既可以實現冬季供熱, 也可以實現夏季制冷的目的。但實際上, 在農村的冷熱需求中, 夏季的制冷需求遠小于冬季供熱需求。
在選擇機組和太陽集熱器面積時, 按照冬季負荷需求設計.農村住宅溫度要求一般較低, 按照冬
季最冷溫度-9℃, 室內溫度為16℃設計, 房間負荷按照供熱面積計算約為100W/m2。按照太陽能供熱保證率20 % 一30 % 設計, 太陽集熱器面積為25m2。3 種供熱方案的機組選型及供熱面積如表1所示.
2 示范系統及運行過程
圖1 為太陽能土壤源熱泵空調系統, 圖2 為土壤源熱泵的空調系統圖。在試驗期間, 對四戶建筑
室內溫度進行了監測, 并記錄了各用戶的熱量和電量消耗..
在太陽能一土壤源熱泵供熱系統中, 太陽能集熱水箱同時作為土壤源熱泵的供熱緩沖水箱。為了保證夏季儲熱的蓄存, 地下埋管采用4 個井正方形布置,單井深度為50 m , 井間距為2 m。井內換熱管為雙U 形管。在非供熱時期(2007 年7 月3 1 一11 月13 日) , 太陽集熱器獲得的熱水用于地下儲熱。在供熱期(2007 年11 月13 日一2008 年2 月22 日), 優先利用太陽能直接供熱當太陽集熱器熱水溫度高于40 ℃時, 直接用于供熱;當集熱水箱溫度低于35℃時, 熱泵機組開啟, 從土壤中取熱用于供熱。如圖1 中所示, 該系統在不同時期可實現4 種運行模式:太陽能儲熱模式.太陽能直接供熱模式。土壤源熱泵制冷模式和土壤源熱泵供熱模式。
土壤源熱泵機組供熱方案系統中, 埋地換熱器為2 個深度100m 的換熱井, 井間距為4m 。試驗系統從2007 年7 月31 日安裝調試完成后開始運行, 太陽能集熱系統開始向地下儲熱。在夏、
秋季太陽集熱器獲得的熱能儲存在土壤層中, 供冬季供熱時取出。夏季炎熱天氣, 四個住戶還可以開啟土壤源熱泵的制冷模式, 但實際運行時間很短暫,對土壤的溫度改變可以忽略。在試驗期間, 分別對太陽能集熱量、地下儲熱量、機組制熱量、地下排熱量和風機盤管散熱量及各個水泵的耗電量都進行了記錄。在太陽能儲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數據采集系統自動記錄各儲熱井及監測井中的溫度變化。在冬季, 分別對室內供熱房間布置了溫度采集測點, 自動記錄了各用戶的室內溫度變化。圖3 為試驗系統的實物照片。
3 運行結果及分析
3 .1 太陽能儲熱及供熱過程土壤溫度的變化
在整個試驗期間, 地溫的變化如圖4 所示。地溫值在儲熱期間取為每天儲熱前一時刻的地下溫度值;在供熱期間, 由于每天機組開啟次數和時間是不固定的, 則取為每天不受環境影響的土壤層(地下20 m) 最高溫度對應時刻的土壤溫度值。儲熱時間段收集到的太陽能向地下儲熱使地溫升高, 在供熱
時間段, 機組從地下取熱而使地溫降低。但在儲熱(或取熱)的間隙, 由于土壤的自動恢復作用,溫度會逐漸降低(或升高) , 以恢復到原來的水平。10 m 以上的土壤會受到外界溫度的影響, 在儲熱和供熱時都對系統運行不利, 所以應盡可能在土壤表層添加保溫層。
由圖4 中35 m 處土壤溫度來看, 在儲熱期間溫度由14 .4℃最高升到16 .3℃, 升高1.9℃, 到供熱開始時, 溫度為15.6℃, 比初始溫度升高1.2℃;供熱開始時每天用熱基本穩定, 土壤溫度逐漸降低, 到13.0℃。在最后半個月時間內, 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系。但從地下的取熱并不會必然導致地溫的降低, 當取熱量比地溫恢復能力小時, 地溫不但不會降低還會向初溫值回升。從試驗數據估計,在該系統條件下, 每天取熱量為30一40 MJ 時, 地溫可以自動恢復。
3 .2 系統運行能效比評價
對3 種供熱方案在供熱期的系統COP值進行比較如表3 所示。.
太陽能儲熱期間共向地下儲熱7635MJ, 平均每天儲熱量為72 .7MJ。供熱期間土壤源熱泵機組從
地下取熱784 9MJ , 機組耗電754 .4kWh, 機組制熱量為10465MJ, 機組效率為99 .05 % , 機組平均COP值為3 .85 (3 .5 一4 .4 之間變化)。
在供熱期間, 太陽能集熱不再向地下儲存, 而直接用于供熱。供熱期間太陽能的直接供熱量為
4396MJ, 占總供熱量的29 .6 %。總耗電量(包括機組、太陽能循環泵、室內循環泵、風機盤管的耗電)為1215.4kWh , 系統平均COP值為3 .40。
在供熱期內, 單機單供機組制熱量為18286MJ；系統耗電量為199 9.9kWh, 系統COP值為2 .54。單機雙供機組的制熱量為72279MJ , 系統耗電量為7368 .2kWh, 系統COP值為2 .72。
4 結論
1) 10m 以上土壤溫度受氣溫影響較大, 土壤表層應采取保溫措施;
2) 土壤溫度的變化不僅與取熱速率有關, 還與地溫的自動恢復能力相關, 本試驗系統所在土壤的自恢復能力為30 一40 MJ / d ;
3) 太陽能儲熱能使地溫得到升高, 有利于彌補土壤源熱泵取熱時導致的地溫降低, 解決了土壤源熱泵機組在熱負荷遠大于冷負荷的建筑上應用的限制;
4) 太陽能熱水在冬季直接用于供熱, 使供熱系統的能效比大大提高, 減少了電能的消耗。
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