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太阳能-地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨

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太阳能-地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨 暖通空调Hv{¨屺2005年第35卷第3期 ·4l· 太阳能一地源热泵 与地板辐射空调系统联合 运行方式探讨 青岛理工大学胡松涛☆张莉王刚 摘要论述了太阳能及地热能作为地板辐射空调系统冷热源的可行性及必要性,提出了 一种利用太阳能和土壤热源热泵通过地板辐射空调供暖供冷的方案,讨论了系统在冬夏和过 渡季的运行方式。 关键词地源热泵 太阳能辅助热源地板辐射系统联合运行 COmbinedoperat-ngofaSolar-groundSource heatpUmpandf|OorradiantSyStem ByHu...
太阳能-地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨
暖通空调Hv{¨屺2005年第35卷第3期 ·4l· 太阳能一地源热泵 与地板辐射空调系统联合 运行方式探讨 青岛理工大学胡松涛☆张莉王刚 摘要论述了太阳能及地热能作为地板辐射空调系统冷热源的可行性及必要性,提出了 一种利用太阳能和土壤热源热泵通过地板辐射空调供暖供冷的,讨论了系统在冬夏和过 渡季的运行方式。 关键词地源热泵 太阳能辅助热源地板辐射系统联合运行 COmbinedoperat-ngofaSolar-groundSource heatpUmpandf|OorradiantSyStem ByHuS。ngt00★,ZhongL|。ndW。ngG。ng Abst隐ctExplainsthefeasibilityandnecessityofthesolar唱roundenergyaScoldandheatsourcesfor heatingandcoolingterminaluserswithaf100rradiantsystem.Presentsanewheatpumpsystemanddiscusses itsoperatingmodesinsummer,winterandtransientseasons. Keywordsgroundsourceheatpump,solarenergy,assistedheatsource,floorradiantsystem,combined operating ★QjngdaoPolytechnologyUniVersity,O旧dao,ShandongPn。vince,China 0引言 随着人们环保意识和节能意识的不断增强,在 暖通空调领域寻求新能源与可再生能源的利用方 式正在成为研究的方向。如何有效利用广泛存在 的低位热能,节约有限高位热能的热泵技术越来越 引起人们的重视。 目前空气源热泵及水源热泵已广泛应用于实 际工程中,而地源热泵仍处于实验研究阶段。几年 的运行实验测试显示,地源热泵具有诸多优势,但 是其地下换热器部分投资较大,而且安装场地受到 实际条件的限制,在我国北方以冬季热负荷为主的 地区,若按冬季工况设计地源热泵必将造成地下换 热器过于庞大,应适当考虑采用辅助热源。本文正 是基于这些特点,论述太阳能与地热能作为热泵的 低位热源在这类地区进行供暖与供冷的可行性,进 而论述其与地板辐射空调系统联合运行的方式及 特点。 1 太阳能一地源热泵技术的可行性分析 1.1新能源的优势 1.1.1太阳能 太阳每年辐射到地球表面的能量巨大,约为 50×1018kJ,相当于目前全世界年能量消费的1.3 万倍[1],利用的潜力很大,而且对太阳能的利用不 会对地球的热平衡产生影响,也不会造成环境污 染。因此太阳能是取之不尽、用之不竭的一种绿色 ☆胡松涛,男,1968年7月生,博士,教授,博士研究生导师 266033青岛理工大学暖通教研室 (0532)5071710,5071260 l’_mail:h_lab@163.com 收稿日期:2004一07—22 修回日期:2004—09—21 万方数据 ·42·专业论坛 暖通空调HV&AC2005年第35卷第3期 环保能源。 我国地域辽阔,太阳能资源丰富,我国广大北 方地区年日照时间一般在2000h以上,甚至高达 2800~3300h,属于太阳能利用较有利的地域。 1.1.2地热能 地热能,尤其是土壤热源,是广泛存在的良好 低位热源。土壤温度相对稳定,全年波动小。根据 测定,地下lom深处的土壤温度相当于该地区全 年平均气温,多数情况下比气温高1~2℃,并且不 受季节的影响[2]。土壤温度以余弦函数的规律随 时间变化,并且其温度波振幅随地层深度的增加而 出现衰减的趋势,当地层深度足够大时,温度波动 振幅就衰减到可以忽略不计的程度,在这个深度以 下,地温常年保持不变。而且温度波在深度z处 具有时间上的延迟性,其温度达到最大值的时间比 地表温度达到最大值的时间落后一个相位妒一 厂_ z√与,所以当冬季室外空气的温度很低时,地层 内却具有较高的温度,夏季的情况则正好相反。 土壤的这些特性,使得地源热泵的制热性能系 数较高,约为2.2~3.2[2],而且蒸发温度及冷凝温 度基本保持恒定,从而保证了热泵的稳定运行。同 时,土壤作为一个巨大的蓄能体,冬季蓄存冷量供 夏季取用,而夏季则蓄存热量供冬季取用。 1.2末端系统适宜采用太阳能一地源热泵技术 在本文所述的系统中,用户端采用地板辐射空 调系统。其低温辐射供暖、高温辐射供冷的特点与 太阳能~地源热泵系统所提供的冷热水温度的特点 相一致。 a)地板辐射空调系统夏季要求的进水温度较 高,大约在15~20℃,供冷能力一般小于50w/ m2;而冬季供暖时要求的进水温度较低,一般在30 ~50℃,供热能力为50~120W/m2[4f。 b)热泵系统提供的冷热水温度恰好在地板辐 射空调系统进水温度所要求的范围内。 c)热泵的制热性能系数e。一嘉鏊哭饕垂,在 理想的热泵循环——逆卡诺热泵循环的情况下, £n一下三≥,其中Tn为高温热源温度,Ta为低温 热源温度。由此可知热泵热源温度与供热温度之 间的温差越小,其制热性能系数越大。因此冬季较 低的供热温度,以及夏季较高的制冷温度将提高热 泵的运行效率,从而取得良好的经济效果。 d)由于地板辐射空调系统较普通的空调系统 具有显著的节能效果,因此一方面可大大减小太阳 能一地源热泵系统的规模,降低初投资;另一方面使 地层以下的温度场波动较小,地温能够得到及时恢 复。 e)地板辐射空调系统在初夏或初冬季节可以 直接利用地热能及太阳能进行供冷供暖,推迟热泵 启动时间,降低电能消耗,达到节能的目的。 1.3政府支持采用新能源及可再生能源 为了在建筑领域贯彻节约能源的方针,国家及 建设主管部门颁布了~系列法律法规和规章, 大力提倡在建筑中应用新能源和可再生能源。在 《节约能源法》中规定:“国家鼓励开发、利用新能源 和可再生能源”。在《民用建筑节能管理规定》中提 出把“太阳能、地热等可再生能源应用技术及设备” 和“空调制冷节能技术与产品”,列为“国家鼓励发 展的建筑节能技术(产品)”。而且为了加快新能源 和可再生能源产业化发展,国家经贸委于2001年 10月印发了《新能源和可再生能源产业发展“十 五”规划》,提出的发展重点中包括太阳能光热利 用,指出要“研究和开发太阳能热利用、采暖、空调 等与建筑一体化技术”等[5]。 由以上分析可知,太阳能及地热能作为热泵的 低位热源,不仅有政府的支持,还由于其自身的优 点及显著的节能效果,必将成为以后热泵技术发展 的重要方向之一。 2太阳能热泵与地源热泵联合运行的必要性 太阳能与地热能虽然具有较多的优势,但同时 也存在着不足之处。 对于太阳能来说,虽然到达地球表面的太阳能 总量很大,但是其在地球表面的能流密度极低。据 统计,北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最 强,约为1.1~1.2kW/m2,冬季大约只有一半,阴 天只有1/5左右[6]。同时太阳能因受昼夜、季节、 纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等 随机因素的影响,存在较大的间歇性及不稳定性。 因此,要利用太阳辐射能,不仅需要较大的集热面 积,而且还需要有蓄热装置,这就使得设备的初投 资增加,限制了其推广应用。 对于地热能来说,由于土壤的性质随着地区的 万方数据 暖通空调HV&AC2005年第35卷第3期 专业论坛 ·43· 不同和季节的变化而异,这将会增加地热换热器的 设计难度,而且其主要影响参数之一——导热系数 较小,因此工质与土壤之间的换热强度小,需要较 大的换热面积,这将受到实际应用场地及施工的限 制,而且将增加工程初投资。此外,在冬季热负荷 较大的北方地区,热泵从土壤取热远远大于其在夏 季的蓄热,长期运行将会使土壤的温度场得不到有 效恢复,从而对该类地区冬季供暖造成很大影响。 鉴于以上两种低位热源热泵单独运行时所存 在的问题,本文提出太阳能热泵与地源热泵系统联 合运行的方案。一方面由于土壤具有蓄能、稳定性 及延迟性的特点,可以作为太阳能的蓄热装置,储 存热量以供太阳能不充足时使用。另一方面,由于 太阳能的辅助供热作用,使得地热换热器可以间歇 运行,土壤温度场能够得到及时恢复,蒸发温度及 冷凝温度波动不大,从而使热泵运行稳定。因此两 种低位热源热泵的联合运行是一种比较合理的方 案,可以互相取长补短,发挥各自的优势,弥补单一 热源热泵的不足,提高热泵系统的COP值。 3太阳能一地源热泵与地板辐射空调系统的联合 运行方式 3.1 系统构成 太阳能一地源热泵系统由太阳能集热器、蓄热 水箱、地热换热器、热泵机组及其附属设备组成,末 端采用地板辐射空调系统。系统的联合运行原理 图如图1所示。 A热泵机组B太阳能集热系统C地源热泉系统D地板辐 射空调系统a蓄热水箱 b太阳能集热器 c/d系统分/集水 器g/f地板系统分/集水器el,e2,⋯,e。地热换热器h室内 地板盘管p】,p2,p3循环水泵 图1太阳能一地源热泵与地板辐射空调系统联合运行原理图 3.2系统运行 3.2.1过渡季空调系统运行流程 在初夏季节,建筑物的冷负荷要求较小,而且 经过冬季的蓄冷,地温较低,而用户端采用地板辐 射空调系统,其要求的进水温度较常规供冷设备的 进水温度要高,因此如果地热换热器介质与土壤换 热后,介质的温度能满足辐射空调的进水要求时, 可采用图2所示的直供式,即直接将地热换热器的 出水作为地板空调系统的进水。因此可以推迟热 泵启动的时间,节省能源。 地 热 换 热 器 系统集水器dH地板系统分水器g 系统分水器cH地板系统集水器f 地 板 盘 管 图2初夏季节空调系统运行流程图 在初冬季节,系统采用太阳能集热系统直接供 暖。循环水泵将蓄热水箱中的热水直接送入地板 辐射系统进行制热循环来满足建筑物的热负荷要 求,推迟热泵启动时间。流程图见图3。 蓄热水箱aH系统集水器dH地板系统分水器g 用 能 集 热 器 系统分水器cH地板系统集水器f 图3初冬季节供暖系统运行流程图 3.2.2夏季空调系统运行流程(见图4) 地 板 盘 管 厂书统分水器c修]厂—◇—]厂—陋板系统集水器f} ]卜 L上 儿 热 载] 冷 制] 蒸 ]换 凝 发热 罂 器器 垃::& ’-r —广广 [一系统集水器d卜_9L《卜一L幽地板系统分水器I 图4夏季空调系统运行流程图 热泵经过初夏季节的运行,地热换热器不断将 热量排人土壤中,使得地温逐渐升高,不能满足建 筑物的冷负荷要求,这时启动热泵,进行制冷循环。 在制冷循环中包含三套循环系统:a)载冷剂循环, 地热换热器中的载冷剂将热泵冷凝器释放出的热 量排入土壤中,并吸收土壤中的冷量回到热泵冷凝 器中.b)制冷剂循环,热泵中的制冷剂将蒸发器中 的热量转移到冷凝器中;c)水循环,地板辐射空调 系统中的水将吸收的室内热量转移到热泵蒸发器 中。经过三套循环系统,达到制冷的目的。地源热 泵夏季空调运行方式包括连续运行和间歇运行,文 万方数据 ·44·专业论坛 暖通空调HV&AC2005年第35卷第3期 献[7]通过实验证明,当热泵连续运行时其制冷(制 热)系数将随着制冷天数的增加而下降,最终在相 对较低的数值下趋于稳定;而采用间歇运行时,则 可以使制冷(制热)系数在较高的数值下保持稳定。 这是因为当连续制冷时,土壤温度场得不到及时恢 复,使得地温不断升高,导致热泵制冷(制热)系数 不断下降。因此建议,夏季制冷运行时宜采用间歇 运行方式,使土壤温度场能得到有效恢复,从而提 高热泵的制冷(制热)系数。 3.2.3冬季供暖系统运行流程 冬季建筑物热负荷较大,而此时太阳辐射照度 低,集热器的集热量和集热效率降低,使得太阳能 热泵所能提供的热量不能满足建筑物的热负荷要 求,因此单独采用太阳能热泵进行供暖存在着热量 供需不平衡的现象。针对这种情况我们采用地源 热泵与其联合运行,利用土壤的蓄热性能、温度的 延迟性及稳定性等特点,来保证热量的供需平衡。 如图5所示,我们采取两种低位热源联合运行 图6储热过程系统运行流程图 用间歇运行不仅能提高热泵的制冷系数,而且使土 壤温度波动幅度较小,热泵运行工况稳定;冬季由 于太阳能热泵与地源热泵之间的互补作用,充分发 挥了两种热泵各自的优势,在保证居住环境的舒适 度的基础上,实现了节能与环保的目的。 4建议及展望 4.1 由于此系统冷热源采用了新能源及可再生能 源,末端装置为节能装置,因此为了充分体现这种 新型供暖空调技术的优势,建议此系统应用于节能 型建筑中,建筑物节能指标根据国家及地区规范规 定选取,由此确定建筑物所需的冷热负荷。 图5冬季供暧系统运行流程图 的方案。联合运行的方式包括两种低位热源交替 供暖和同时供暖的方式。文献[6]通过模拟实验证 明,两种热源同时供暖的情况出现的比例较小,一 般采用交替供暖的方式,并提出联合运行系统中一 天24h内两种热源的运行比例,即地源热泵与太 阳能热泵各自运行的最佳时间分配比例分别为: 33%~35%和50%~70%。 冬季当太阳能集热器的温度较高时,可以将集 热器的热量转移到地下贮存,这样既可使土壤温度 场得到较快的恢复,又可降低进入集热器的流体温 度,提高集热效率。储热时热泵的运行流程如图6 所示。 由以上系统运行分析可知,太阳能一地源热泵 与地板辐射空调系统联合运行具有极大的优势,在 初冬或初夏时间,可以直接利用太阳能与地热能直 接供暖或空调,延迟热泵启动时间;在夏季系统采 4.2夏季采用地板供冷,若进水温度过 低或室内相对湿度太大,则容易引起结 露问题。因此建议此系统在不另设置除 湿装置的情况下,仅用于相对湿度较低 的干燥地区。 4.3联合热泵系统初投资较大,为传统 供暖空调方式的3倍左右,但其运行费 用较低,比传统方式节约30%左右,其 初投资可在几年之内收回,而且该系统环境效益显 著。随着我国能源政策的不断深人推行,新能源与 可再生能源技术的不断完善,笔者认为从对环境效 益与经济效益总体比较分析,联合热泵系统是一种 性能良好、经济可行且无污染的技术,必将成为今 后科研发展的重要方向之一。 5结语 本文针对我国目前能源利用的具体情况,以及 我国北方地区的气候特点,讨论了太阳能及地热源 作为新能源及可再生能源在我国北方广大地区建 筑领域中应用的可行性,并从其各自的缺点出发论 述了两种低位热源联合运行的必要性,进而给出了 当系统末端为地板辐射空调时联合热源系统的供 暖及空调运行方式,证明了太阳能及地热能等新能 源及可再生能源应用于建筑中具有极大的节能作 (下转第53页) 万方数据 万方数据
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