（环境工程专业论文）新型低质自然能梯级利用系统的实验研究.pdf

摘要 能源是左右可持续发展进程的关键因素之一。结合我国能源消耗急剧增长现 状，针对我国促进绿色建筑发展及满足国家能源可持续发展战略目标的要求，依 托于国家“十一五”科技支撑项目一夏冷冬热地区建筑科学用能关键技术与装备 及示范，本文进行了建筑新型供能系统的研究，设计了一种新型高效、能够梯级 利用低质自然能( 主要是太阳能和地热等可再生能源) 的供热和供冷系统，并与 传统供热和供冷方式进行了对比实验。实验结果表明，新型供能系统能够达到节 约能源、保护环境目的。 首先，本文对实验系统进行了全面的理论分析，提供了系统设计的理论依据； 并对新型供能系统所需的各项参数进行了理论计算，保证了实验系统设备和参数 的匹配。 其次，搭建了地源热泵+ 风机盘管的新型低质自然能空调系统和传统分体式 空调器系统的夏季实验台；建立了以真空管太阳能集热器和地源热泵机组为热 源、以地板辐射供暖系统为末端装置的新型低质自然能采暖系统和以区域锅炉房 为热源、以散热器为末端装置的传统供暖系统的冬季实验台。 最后，分别进行了冬夏两季的对比实验，并对实验结果进行了深入地分析。 夏季实验结果表明，新型供冷系统比传统供冷系统节能1 2 9 0 。夏季实验 结果还表明热泵机组在冷凝温度不变的条件下，蒸发温度每升高1 ，机组的制 冷能效比e e r 约提高3 左右；热泵机组在蒸发温度不变的条件下，冷凝温度每 升高1 ，机组的e e r 下降约1 4 左右。 冬季实验结果表明，在相同的室内温度条件下，采用低质自然能作为热源的 新型采暖系统比传统采暖系统有明显的节能效果，节能率达到3 0 5 5 ；采用低 温热水地板辐射供暖方式与采用传统散热器方式供暖相比，可以达到18 9 6 的 节能率；且在新型供暖系统典型运行日内，天津地区的太阳能保证率能够达到 2 4 左右。 关缒词：地源热泵太阳能地板辐射采暖系统 a bs t r a c t e n e r g y i so n eo ft h ek e 吵f a c t o r sf o rc o n t r o l l i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t c o m b i n e dw i t hc h i n a ss t a t u sq t l ot h a te n e r g yc o n s u m p t i o nh a si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , i nv i e wo fc h i n a sd e v e l o p m e n to fp r o m o t i n gg r e e na r c h i t e c t u r ea n dm e e t t h e r e q u i r e m e n to fe n e r g ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g i co b j e c t i v e ，r e l y i n go n t h e ”e l e v e n t hf i v e y e a rp l a n ”n a t i o ：1 1 a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o j e c t - t h ek e y t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n td e m b n s t r a t i o no fb u i l d i n gs c i e n c ee n e r g y 。u t i l i z i n g i nh o t s u m m e rc o l dw i n t e ra r e a s t h e 蚤a p e rs t u d i e dan e we n e r g ys u p p l ys y s t e mo fb u i l d i n g s ， d e s i g n e dak i n do fn e w , h i g h f f i c i e n c ya n dc a nc a s c a d eu t i l i z el o w 。q u a l i t ye n e r g y ( m a i n l yi s t h es o l a ra n dg e o t h e r m a la n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g y ) s y s t e mf o rh e a t i n g a n dc o o l i n g s t u d i e dt h ec o n 仃a i s te x p e r i m e n tw i t hc o n v e n t i o n a lh e a t i n ga n dc o o l i n g s y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s t i l t ss h o w e dt h a tt h en e we n e r g ys u p p l ys y s t e mc a n a c h i e v et h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t f i r s t ，t h i sp a p e rt h e o r e i i c a l l ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，p r o v i d e d t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n gt h es y s t e m ；a n dv a r i o u sp a r a m e t e r so f t h en e we n e r g y s u p p l ys y s t e mw e r et h e o r e t i c 【a l l y c a l c u l a t e dt o g u a r a n t e ee x p e r i m e n te q u i p m e n t s m a t c h i n gp a r a m e t e r s t h e n ，an e wl o w q u a l i t y fn a t u r a le n e r g ya i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p + f a nc o i la n dt h ec o n v e n t i o n a ls p l i ta i r c o n d i t i o n e rs y s t e mw e r e b u i l tf o rs u m m e rc o o l i n g ；an e wa n dl o w - q u a l i t yn a t u r a le n e r g yh e a t i n gs y s t e mo f u t i l i z i n gv a c u u mt u b es o l a re 婶ir g yc o l l e c t o ra n dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p u n i t sa st h e h e a ts o u r c e ，r a d i a n tf l o o ra st h et e r m i n a ld e v i c ea n dt h ec o n v e n t i o n a lh e a t i n gs y s t e m o fu t i l i z i n gr e g i o n a lb o i l e rr o o im sa st h eh e a ts o u r c e ，h e a t i n gr a d i a t o ra st h et e r m i n a l d e v i c ew e r ee s t a b l i s h e df o rw i n t e rh e a t i n g f i n a l l y , t h e c o n t r a s te x p e r i m e n t so fw i n t e ra n ds u m m e rw e r e c a r r i e do u t r e s p e c t i v e l y , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r e f u r t h e ra n a l y z e d t h es u m m e re x p e r i m e n l a l c o o l i n gs y s t e mt h en e wc o o l i o g r e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a l s y s t e mc a ns a v ee n e r g y12 9 0 b e s i d e s ，t h es u m m e r e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e i 【1 w i t ht h ec o n d e n s a t et e m p e r a t u r ec o n s t a n t ，w h e n e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r er o s e | 1 ，t h ee e r o ft h eh e a tp u m pu n i t si n c r e a s e da b o u t 3 ；w i t ht h ee v a p o r a t i o nt q ：【n ip e r a t u r ec o n s t a n t ，w h e nc o n d e n s a t et e m p e r a t u r er o s e 1 t h ee e ro ft h eh e a tp u m po n i t sd e c r e a s ea b o u t1 4 t h ew i n t e re x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en e wh e a t i n gs y s t e mo fu t i l i z i n g n e wa n dl o w q u a l i t yn a t u r a le n e 栖a s h e a ts o u r c eh a so b v i o u se f f e c ti ne n e r g ys a v i n g c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lh e a t i n gs y s t e m ，a n dt h ee n e r g y 。s a v i n gr a t e c a na c h i e v e 3 0 5 5 ；t h eh e a t i n gm e t h o do f l o wt e m p e r a t u r eh o tw a t e rf l o o rr a d i a n th a so b v i o u s e f f e c ti ne n e r g y s a v i n gc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lh e a t i n gm e t h o d ，e n e r g y 。s a v i n gr a t e c a na c h i e v e18 9 6 ；t h es o l a rf r a c t i o nc a na c h i e v ea b o u t2 4 i nt i a n j i na r e aw h e n t h e n e wh e a t i n gs y s t e ma ti t st y p i c a lo p e r a t i o nd a y s k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；s o l a re n e r g y ；r a d i a n tf l o o rh e a t i n g s y s t e m 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在刚刚过去的2 0 世纪，人类在经济、社会、教育、科技等众多领域取得了显著 的成就，但在环境与发展的问题上始终面临着严峻的挑战。2 0 0 2 年8 月2 6 日至9 月4 日在南非约翰内斯堡召开的可持续发展世界首脑会议( w o r l ds u m m i t o n s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，w s s d ) ，揭开了人类进入2 1 世纪面临和解决环境与发展 问题的序幕。 能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题，能源作为现代社会发展 的物质基础，与国民经济发展有密切的关系且能源是左右可持续发展进程的关键因 素之一。一方面，能源是改善人类生活和促进经济发展的所必需；另一方面，能源 也可能带来空气污染、地球变暖等健康和环境问题。随着世界经济的快速发展以及 人口的迅速增长，整个世界对能源的需求越来越太。石油、天然气、煤炭等常规不 可再生能源的大量开采，在未来必将枯竭，能源需求量的增长与相对减少的能源供 应之间的矛盾必然日益加剧。因此，研究、开发和利用绿色新能源已经成为世界各 国能源建设的共同战略目标。 目前我国的能源工业形成了以煤炭为主，多能互补的能源体系，在一次能源生 产和消费总量中的比例大约为：煤炭7 0 4 5 ，石油1 7 6 2 ，天然气4 0 3 ，一次 电力( 水电，核电，新能源发电) 7 8 9 【l 】( 图1 1 所示) 。作为世界上最大的发展中 国家，我国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界 第三位；基本能源消量占世界总消费量的1 1 0 ，仅次于美国，居世界第二位。 4 0 3 嚣原油 飘：天然气 懿煤炭 _ 一泌电力( 核 电、水电、新能 源发电、 图1 1 我国能滑嘴费结构 第一章绪论 从能源体系来看我国又是一个以煤炭为主要能源的国家，近年来能源安全问题 也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约 经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪9 0 年代以来，中国经济的持续高速发展带动 了能源消费量的急剧上升，自1 9 9 3 年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源 总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大，煤炭、电力、石油和天然 气等能源在中国都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾 日益成为中国能源安全所面临的最大难题。如图1 - 2 所示，中国能源消费一直处于 稳步上升的过程中，即从2 0 0 3 年的1 7 6 1 亿吨标准煤增长至u 2 0 0 9 年的2 9 2 0 亿吨标准 煤【2 】，能源已成为制约我国经济发展的瓶颈，我国已通过立法把资源节约确立为基 本国策。 3 l 2 9 2 7 警2 5 享： 垡2 3 l 辽2 l 1 9 1 7 1 5 图1 2 中国髓糠消耗漕势图 建筑能耗主要是指采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、通 风等方面的能耗。据统计，建筑能耗在我国能源总消费中所占的比例达到了2 7 6 ， 我国目前正处在建筑能耗高速增长的时期，如果中国将来城镇建筑总量增加一倍， 建筑能耗总量可能要增加不止一倍。在美国、欧洲和日本等发达国家，建筑运行能 耗水平已经从其处于制造大国时期的2 0 2 5 发展到目前“金融与技术”大国时的 近4 0 f 3 1 。在建筑能耗中，暖通空调系统与热水系统所占的比例接近6 0 ，而且随 着人民生活水平提高还有继续上升的趋势。因此，针对建筑能源系统的使用现状， 进行低质自然能梯级利用技术的开发与研究对提高人们居住环境舒适度，降低建筑 耗能总量，缓解能源供需矛盾，既具有实际的经济意义，又具有重要的社会意义和 环保价值。 第一章绪论 1 2 太阳能 1 2 1 国内外太阳能技术应用现状 2 0 世纪，太阳能利用技术获得了迅猛的发展，太阳能热水器的普及应用及太阳 能电池的成功开发，为2 1 世纪大规模利用太阳能奠定了坚实的物质基础。 ( 1 ) 太阳能热利用 太阳能平板集热器是人类最早开发利用的太阳能装置。人们经过十几年的不懈 努力，研制出多种形式的平板集热器。1 9 7 8 年我国从美国引进全玻璃真空集热管技 术，经过3 0 多年的努力，目前已经形成拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热 管产业，产品质量达到世界先进水平，产量雄踞世界首位。 ( 2 ) 太阳能电池技术 近几年来，太阳能电池技术取得了突飞猛进的发展，电池效率大幅提高，品种 增多，产量成倍增长，成本不断下降，应用规模快速增大。太阳能光伏发电的希望， 在于研发廉价而高质量的太阳能电池。 ( 3 ) 太阳能热动力发电 太阳能热动力发电是太阳能工程中一项具有美好发展前景的重大项目。大规模 研究，始于石油危机之后的2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 5 1 9 9 1 年问，国际l u z 公司在美国 加州沙漠先后建成了9 座槽式太阳能热动力发电站，总装机容量3 5 3 8 m w ，并投入 商业化运行。其8 号电站初次投资为3 0 1 l 美元k w ，相应的发电成本是8 9 美分 ( k w h1 ，几年间取得了惊人的成绩。 l u z 槽式太阳能热动力发电站的成功实践表明，太阳能热动力发电具有效率 高、容量大、可比经济指标好等重大优势，尤其适合于大规模的开发利用。为此， 近年来以色列、德国和美国几家公司合作，在美国内华达州建造了2 座8 0 m w 槽式 太阳能热动力发电站，以及2 座1 0 0 m w 太阳能与燃气轮机联合循环热动力发电站。 在西班牙和摩洛哥分别建造了1 3 5 m w 和1 8 m w 塔式太阳能热动力发电站【4 】。 太阳能利用发展到今天，推动太阳能热水系统的全面普及，倡导太阳能光伏发 电系统的大力开发，促进太阳能热动力发电系统的实验研究等，已是刻不容缓。2 1 世纪将是人类规模开发利用太阳能的新纪元，这是客观需要，更是历史发展的必然 结果。 1 2 2 我国的太阳能资源 我国有丰富的太阳能资源。全国有三分之二以上地区的太阳能辐照量超过 第一章绪论 5 0 0 0m j m 2 ，年日照时数在2 2 0 0 h 以上【5 j 。 按照水平面上年太阳辐照量和年日照小时数的大小，可将我国太阳能资源区划 分为四个等级，他们分别是：资源丰富区( i 区) 、资源较丰富区( i i 区) 、资源一 般区( i i i 区) 和资源贫乏区( i v 区) 。图1 3 所示为我国太阳能资源分布图，从图 中可以更直观地了解我国太阳能资源区划分情况。由图1 3 可见，我国太阳能资源 i 区、n 区和i i i 区的总和占国土面积的绝大部分。 1 3 地源热泵系统 图1 3 中国太阳能资源分布图【( m 2 a ) l 1 3 1 地源热泵系统的国内外发展现状 1 9 世纪初，人们对热能是否可“泵”送至较高的温度发生了兴趣。英国物理学 家焦耳( j p j o u l e ) ，论证了气体的压力变化能引起温度变化的原理。英国汤姆森 教授( w t h o m s o n ) ，在1 8 5 2 年发表的论文中指出：制冷机也可用于供热。他第一 个提出了一个正式的热泵系统，当时成为“热量倍增器”。地源热泵系统是以土壤 或地下水、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统 4 圈 第一章绪论 和控制系统组成的供热空调系统1 6 j 。 地源热泵的概念最早起源于欧洲，但实际大范围使用还是起源于石油危机之 后，进入2 0 世纪9 0 年代后，很多应用地源热泵的国家都能保持每年1 0 的应用增长 率，截止2 0 0 0 年，根据2 7 个主要国家( 不包括中国) 的统计数据，全世界总装机容 量为6 8 7 4m w t ，年利用能量为2 3 2 8 7t j 年( 6 4 5 3g w h 年) 。根据不完全统计全 世界有5 0 万台机组在运行，如果按照1 2 k w 作为当量进行统计的话( 美国和西欧的 典型住宅地源热泵系统容量) ，世界上5 7 万台机组正在使用。2 0 0 0 年之后，很多国 家的地源热泵系统也有了超快速的发展。 截止2 0 0 0 年，美国共有4 0 万台水源热泵机组运行，：穴部分系统安装于中西部地 区和东部地区，从北达科他州到佛罗里达州都有应用，其水源热泵机组使用总数量 占全世界的7 0 ，到2 0 0 5 年，美国地源热泵系统的安装已经超过1 0 0 万套，每年的 增长速度超过2 5 。在美国大部分地区，此系统主要用于冷热双供，通常按照夏季 制冷需求匹配机组，相对于冬季供暖负荷来说机组可能会偏大( 除少数北方州) ； 加拿大受美国影响，对此系统的接受程度比较高，而且加拿大的地源热泵推进的非 常系统，政府补贴和行业协会的推动对其发展起到了非：常良好的作用，2 0 0 5 年，加 拿大的地源热泵市场几乎翻了一番。欧洲主要国家如奥地利、德国、瑞典、瑞士等 国，作为地源热泵技术的先行者也根据各国的具体能源组成情况以及相应的地质气 候条件，选择了不同类型地源热泵系统进行推广应用【3 l 。 早在2 0 世纪5 0 年代我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的 发展则比较缓慢。初期主要是在各个大学里建立实验室基地进行研究，例如天津大 学、同济大学等在实验台搭建和理论研究方面都取得阶段性成果。2 0 世纪9 0 年代开 始，中国地源热泵应用项目有了急剧增长【_ 7 1 ，目前全国已经有较多的工程实例，以 2 0 0 5 年为例，全国已有2 5 3 7 例地源热泵工程，大约2 0 0 0 万m 2 的建筑采用地源热泵 系统【8 1 。项目应用范围也较广，约5 0 t 9 】左右为办公楼用地源热泵，其次为宾馆、 住宅小区、学校、别墅等。 除此之外，国家以及各地方相关政策的出台也给予地源热泵的发展一定的支 持。国家科技部与美国能源部代表两国政府签署了中美两国政府地源热泵合作协 议，通过引进和推广美国先进的地源热泵技术，对地源热泵技术在中国的推广起到 巨大的推动作用；2 0 0 6 年8 月国家建设部、财政部在颁布的建设部、财政部关 于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见中指出：“国家重点支持以下技术领 域中应用可再生能源的示范工程、技术集成及标准制定：1 地表水及地下水丰富地 区利用淡水源热泵技术供热供冷；2 沿海地区利用海水源热泵技术供热制冷；3 利用土壤源热泵技术进行供热制冷；4 利用污水源热泵技术供热制冷”：辽宁省关 于推广地源热泵等可再生能源技术的意见中指出：“利用地源热泵等可再生能源 第一章绪论 技术供热制冷以市场运作为主，政府给予政策引导和技术支持”：陕西省、内蒙古、 重庆市等各地方也对地源热泵的使用提出明确的条文规定，以引导、规范、鼓励地 源热泵技术的发展。 1 3 2 地源热泵系统工作原理 从热力循环的角度来看，逆向循环不仅可以用来制冷，还可以用来制热一即热 泵。制冷机与热泵机组的热力学循环并无区别，都是从低温热源吸热、向高温热源 放热，其区别在于使用目的。当使用目的是从低温热源吸收热量时，系统称为制冷 机：当使用目的是向高温热源释放热量时，系统称为热泵。同一台机器可独立作为 制冷机或热泵使用，也可以同时作为制冷机和热泵使用j 1 。 如图1 4 所示为空调热泵系统图，系统中只需调换制冷机的进出口方向就可以 实现制冷与热泵功能的转换，从而达到夏季制冷空调，冬季制热采暖的效果。系统 的转换功能通过四通换向阀来实现：图中管道2 、4 相接，1 、3 相接时，系统从建 筑内吸热，处于制冷工况；2 、3 相接，1 、4 相接时，系统向建筑内放热，处于制 热工况。 塑矜热深 建筑 图1 4 空调热泵系统图 蠖 臻 梳 地源热泵的热源来自于地层中，远高于冬季的室外温度，同时亦远低于夏季的 室外温度，而且地下5m 以下温度受昼夜温度变化影响较小，5 0m 以下则在末受干 扰的情况下常年保持恒定的温度【12 1 ，可以提供给热泵系统稳定的冷热源，使其使 用效果大大提蒯1 3 】。克服了空气源热泵机组因室外环境温度过低，导致蒸发温度 较低、性能系数急剧下降从而在建筑物供热需求较大情况下无法维持室内空调温度 的缺陷。 6 第一章绪论 1 3 3 地源热泵系统的分类及其特点 根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统( g r o u n d s o u r c e h e a tp u m p ) 可分 为地下水源热泵( g r o u n dw a t e rh e a tp u m p ，g w h p ) 、土壤源热泵( g r o u n d - c o u p l e dh e a t p u m p ，g c h p ) 和地表水热泵( s u r f a c e w a t e r h e a tp u m p ，s w h p ) u 4 1o ( 1 ) 地下水地源热泵 地下水源热泵系统是指利用浅层地下水作为室外热源的系统。地下水地源热泵 系统分为两种：开式系统和闭式系统。如图1 5 所示，开式系统是指地下水直接进 入热泵机组进行换热，之后将井水回灌到地下，此时的地上部分是地源热泵机组。 闭式系统是指地下水进入闭式水系统与循环水进行换热之后回灌到地下，而闭式水 系统的循环水进入热泵机组二次换热，此时的地上部分：是循环水系统以及地源热泵 系统。由于开式系统可能导致管路阻塞，甚至可能导致系统腐蚀，通常不建议在地 源热泵系统中直接采用地下水。但是在一些地下水质较好的地区也可以将地下水进 行简单处理之后直接利用，以节省造价。 ( 2 ) 土壤源地源热泵 一般称之为地埋管系统，土壤源地源热泵包括一个土壤耦合地热交换器，它或 是水平地安装在地沟中，或是以u 形管状垂直安装在竖井之中。 水平埋管是将换热器水平埋设于浅层土壤中，可以不设坡度，最上层埋管顶部 应在冻土层以下0 4 m ，且距地面不宜小于o 8 m 【b j 。水平埋管埋设深度浅，施工 容易，初投资较低，但其占地面积较大，同时由于埋管不深，土壤温度会受到地表 气候变化的影响，系统效率降低，且换热器面积和阻力较大，水泵耗能较高。 垂直埋管是将换热器垂直埋设土壤中，地下埋管有u 型管和套管两种形式， 通常情况下u 型管形式应用得比较多。按其埋管深度分为浅层( 1 0 0 m ) 三种。埋管越深，地下温度越稳定，钻孔占地面积越少， 但相应带来钻孔费用的增加。相比于水平埋管，垂直埋管方式占地面积少，需要的 管材少，水泵耗能低，土壤的温度变化小，但其造价偏高。 如图 ( 右) 。 第一章绪论 1 - 6 所示为土壤源地源热泵水平系统( 左) 与土壤源地源热泵垂直系统 ( 3 ) 地表水地源热泵 地表水地源热泵系统一般是以江河湖泊或者海水为冷热源。也可以分为开式系 统与闭式系统。如图1 7 所示，开式系统( 左) 将地表水直接通过水源热泵空调机 中的换热器进行换热，排入水源中。应注意取水e l 应远离回水口，并应设置污物过 滤装置；闭式系统( 右) 中循环水通过置放于地表水面以下的多重并联的塑料管组 成的水热交换器与地表水进行换热，再由循环水供给水源热泵空调机使用。换热盘 管与地表水的最低水位距离不应小于1 5m ，并且在北方地区需要进行防冻处理。 与传统的空调形式相比，地源热泵有以下特点： ( 1 ) 利用可再生能源，环保效益显著。地源热泵系统是一种利用地球表面浅 层的地热资源( 通常 矧 p 8 ， 由式( 2 8 ) 可知，低温热源温度对热泵机组制冷循环的性能指标e e r 的影响 大于高温热源温度对性能指标的影响。因此，应尽可能采用较高温度的低温热源。 要提高热泵机组的冷循环的性能指标e e r 关键在于有效地提高低温热源温度。 2 2 2 冬季制热循环 热泵机组供热工况的工作原理与制冷机相同，只是：亡作温度的范围不同，热泵 机组处于制热工况时，蒸发器是热量输人设备，制冷剂在此吸收低温热源的热量而 蒸发。冷凝器是热量输出设备。它将蒸发器吸收的热量连同压缩机所消耗的电功一 起输送给供热对象。 热泵机组制热工况的理想循环也是逆卡诺循环。设热泵在高低两个恒温热源 瓦、晶之间进行可逆循环，热泵机组处于制热工况时的性能系数用c o p 表示，c o p 为单位耗功量所获取的热量，即： c o p ：驻：o e + w 形 式中：c 凹一热泵机组处于制熟工况时的性能系数； q c 一冷凝器向高温热灏放出的热量，k j ； q p 一蒸发器从低温热源吸收的热量，k j ； 一压缩机所消耗的能量，k w h 。 供热量： q c = 瓦( s 口一) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 再由式( 2 3 ) 可知，热泵机组处于制热工况下的性能系数为： c0 丹l ( 2 1 1 ) 瓦一 同样，将式( 2 1 1 ) 对瓦求偏导，得： 筹= 南r o ( 2 - 1 2 ) 一= - - - = - - - - 一 i i ，l a 瓦( t k 一) 2 、 由式( 2 1 2 ) 可知，热泵机组制热循环的性能指标c o p 随着低温热源温度矗的 增高而增大，随着靠温度的降低而降低。 同样，将式( 2 - 1 1 ) 对气求偏导，得： 型：一互i( 2 - 1 3 ) - - - - - 一= = 一一 一l1 - a 气( t k r o ) 。 由式( 2 1 2 ) 可知，热泵机组制热循环的性能系数c o p 随着高温热源温度气的 增高而减小，随着气温度的降低而增大。 由气 r o ，可知： 筹l 矧 一l p 7l i la 瓦l f 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，低温热源温度对热泵机组制热循环的性能系数c o p 的影 响大于高温热源温度对性能系数的影响。因此，应尽可能采用较高温度的低温热源。 要提高热泵机组制热循环的性能系数c o p 关键在于有效地提高低温热源温度。 综上，可知，热泵机组无论是在制热或制冷t 况下，其性能指标均与制冷剂的 性质无关，仅取决于低温热源和高温热源的温度，且低温热源温度对热泵机组的性 能指标影响大于高温热源对热泵机组的影响。因此，从理论分析的结果来看，本课 题实验系统的设计应遵循提高低温热源、降低高温热源的原则，并且关键在于有效 地提高低温热源温度，使热泵机组处于高位运行。 2 3 地下水井参数的计算 如第一章1 3 4 节地源热泵系统类型选择要求所述：若有足够的地下水量、水 质较好，当地水务政策允许，就应该考虑地下水源热泵形式。天津地区地热资源丰 富，地下水温通常在1 6 2 2 ，对夏季空调和冬季供暖都十分有利。因此，本课题 实验系统选择地下水作为热泵机组的冷源和热源。 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 2 3 1 夏季工况参数的计算 夏季，热泵机组按制冷工况运行时，所需地下水总；水量为： 。志裂 ( 2 - 1 5 、 式中：m g w 。一热泵机组按制冷工况运行时，所需的地下水总水量，k g s ； f g w 。一井水水温，即进入冷凝器的地下水温度，经测试为2 2 ( 2 ； t g w c 2 一回灌水水温，即离开冷凝器的地下水温，假设进出口水有5 。c 5 u 的温 差，则为2 7 ； c 。一水的定压比热容，取4 1 9 k j ( k g ) ； q p 一建筑物空调冷负荷，k w ； e e r 热泵机组的制冷能效比，是指热泵机组的制冷量与电动机输入功率之 比( 假定为4 0 1 4 6 1 ) 。 则： 3 3： 0 + 1 聊群2 4 1 9 x ( 2 7 - 2 2 ) 1 矿 暑0 1 9 7 k g s ；0 7 1m 3 h 2 3 2 冬季工况参数的计算 冬季，热泵机组按制热工况运行时，所需地下水总水量为： 聊。= j 蔓一c o p - 1 ( 2 1 6 ) = 丽知百万 心 式中：一热泵机组按制冷工况运行时，所需的地下水总水量，k g s ； o 。一井水水温，即进入蒸发器的地下水温，测试为1 6 。c ： 2 4 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 则： t g w h 2 一回灌水水温( ) ，即流出蒸发器的地下水温，假设进出口水有5 的温差。则为11 ； 一水的定压比热容，取4 1 9 k j ( k g ) ； q 。一建筑物供暖热负荷，k w ； c o p 一热泵机组的制热性能，是指泵机组的制热量与电动机输入功率之比 ( 假定为3 1 ) 。 2 ；|3 。l + l 掰弘女2 4 1 9 x ( 1 6 - 1 1 ) 可 2 0 1 5 2 k g s = 0 5 5 1 1 1 3 h 据式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 计算得出：制冷工况运行时，所需水量为0 7 1m 3 h ； 制热工况运行时，所需水量为0 5 5 m 3 h 。取其大者，并乘以1 2 的安全系数，则系 统所需水的质量流量为0 8 6 m 3 h 。 根据需水量以及地下水质调查分析设计供水井直径为l o o m m ，深度为6 0 1 1 1 。 2 4 太阳能集热效率分析及集热面积计算 2 4 1 太阳能集热器的集热效率 太阳能集热器是利用太阳辐射能加热热水的装置。：太阳集热器的定义是：吸收 太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。当前：在全世界范围内，各种太阳 能集热器装置的生产已经发展成为一个新兴的产业，并在生活和某些生产领域得到 了普遍推广、应用。目前，太阳能集热器主要有平板型和真空集热管两种类型【4 m 9 l 。 由于真空管太阳能集热器具有集热效率高、散热小、保温效果好、抗冻能力强等优 点，因此，本课题实验系统拟采用真空管太阳能集热器。 太阳能的热性能参数是太阳能集热器的重要性能参数，太阳能集热器的热性能 主要用集热器的瞬时效率方程和效率曲线表征。集热器的瞬时效率是指在稳态( 或 准稳态) 条件下，集热器传热工质在规定时段内从规定的集热器面积( 总面积、采 光面积或吸热体面积) 上输出的能量与同一时段内、入射在同一面积上的太阳辐照 量的比【5 0 】。太阳能集热器的瞬时效率方程可用下式表示： 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 r = r o - 叼 巧= ( t ，- t ) g 式中：，7 一太阳能的瞬时集热效率； 一z = 0 时的集热器热效率； u 一以z 为参考的集热器总热损系数，w ，m 2 k ； g 一太阳能总辐射照度，w m 2 ； z 一归一化温差； f ，集热器进口工质温度，： f 。一集热器出1 ：3 工质温度，。 图2 2 为太阳能集热器瞬时效率曲线示意图： 瞬 时 效 率 露 卜、 、一 基于进口温度的归一化滠差t f 一屯 g ，m 2 k w 图2 2 太阳能集热器瞬时效率曲线示意图 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 由式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 及太阳能瞬时集热效率曲线可以看出，在集热器结构 参数和环境参数不变的情况下，降低集热器进口工质温度，可减少集热器的散热损 失，提高集热器效率。因此，太阳能在1 5 2 5 左右的集热温度范围内，即使室外 气温不高，集热器效率也相对较高，且集热器提供的低温热源温度可以轻而易举的 达到或超过地下水温度。 因此，本课题冬季实验系统中，将太阳能与地下水地源热泵联合起来运行的模 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 式，不仅克服了太阳能间歇性、不稳定性和随机性的缺点，而且可以减少太阳能的 散热损失、提高集热器的集热效率，且可以使热泵机组获得较高的性能系数。 2 4 2 太阳能集热面积的计算 按照集热系统的运行方式，太阳能供热采暖系统可分为直接式和间接式太阳能 供热采暖系统【5 1 1 。直接系统是指在太阳能集热器中直接加热水供给用户的系统； 间接式系统是指在太阳能集热器中加热某种传热工资，再利用该传热工质通过热交 换加热水供给用户的系统。 根据太阳能供热采暖工程技术规范( g b 5 0 4 9 5 2 0 0 9 ) 规定，考虑到天津地区 太阳辐射强度相对不高，且冬季环境温度较低，故不宜采用太阳能热水直接供热采 暖系统，应采用间接式系统。 根据太阳能供热采暖工程技术规范( g b 5 0 4 9 5 2 0 0 9 ) ，问接系统太阳能集热器 总面积应按下式计算： 如训1 + 器) 以：! 竺竺竺：丝： 。 。r c a ( 1 一r h ) 8 6 4 0 0 2 4 0 0 2 0 1 2 6 l 1 0 。5 5 ( 1 1 5 ) = 7 0 3 m 2 式中：4 一直接系统集热器总面积，m 2 ； 翰一建筑物耗热量( w ) ，按2 1 2 节计算的1 9 2 0 w 计算 太阳能保证率，天津地区( 1 0 3 0 ) ，取2 0 ： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 以一当地集热器采光面上的平均e t a k n 辐照量，j ( m 2 d ) ，天津地区为 1 2 6 1j ( m 2 d ) ； 一基于总面积的集热器平均集热效率，真空管太阳能集热器取5 5 ： 仇一管路贮热装置热损失率，经验值为1 0 ，2 0 ，取1 5 进行计算。 ( 2 ) 厶= 器a t s u 。 ( 2 2 0 ) 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 式中： 彳妇一间接系统热交换器换热面积，m 2 ； 坑一贮热水箱到热交换器的管路损失率，一般可取0 0 2 0 0 5 ，本次计算取 o 0 3 ) ： 统一热交换器换热量，k w ； s 一结垢系数，0 6 0 8 ，本次计算取0 7 ； 一换热器传热系数，w m 2 ，查产品样本得出，取7 5 0 ； a t ，一传热温差，宜取5 1 0 * c ，本次计算取8 0 。 纵2 筹 协2 ， 1 6 x2 0 x2 4 x8 6 4 0 0 3 6 0 0 x7 2 = 2 5 6 k w 式中：七一太阳辐照度时变系数，取1 5 1 8 ，取1 6 进行计算； q 一太阳能供热采暖系统负担的采暖季日平均供热量，k j ； s 。一当地的年平均每目的日照小时数，h 。 则： 如2 糌 一( 1 0 0 3 ) 2 5 6 o 7 0 7 5 8 = 0 5 9 m 2 所以，间接系统太阳能集热器总面积为： 喇1 + 糟) ：7 0 3 ( 1 + 兰兰! ：q ! ) = 7 3i r l 2 式中：以一直接系统集热器总面积，m 2 ； 第二章新型供能实验系统的理论分析计算 一集热器总热损系数，w m 2 ，平板型集热器取4 6 ，真空管集热器取l - 2 ， 本次计算取2 。 通过上述计算，冬季实验系统中采用集热面积为8 m 2 的高效真空管式太阳能集 热器。因此，选取两组4 m 2 太阳能集热器，采取并联的方式连接起来。 2 5 本章小结 1 、本章主要从理论层面分析了如何提高系统性能系数的方法，提供了设计新 型供能实验系统的理论基础。得出了以下重要结论： ( 1 ) 热泵机组无论是在制热还是制冷工况下，其性能指标均与制冷剂的性质 无关，仅取决于低温热源和高温热源的温度，且低温热源温度对热泵机组的性能指 标影响大于高温热源对热泵机组的影响。因此，课题实验系统的设计应遵循提高低 温热源、降低高温热源的原则，并且应主要地提高低温热源温度，使热泵机组处于 高位运行。 ( 2 ) 太阳能集热器在结构参数和环境参数不变的情况下，降低集热器进口工 质温度，可以提高集热器效率。太阳能在1 5 2 5 。c 左右的集热温度范围内，即使室 外气温不高，集热器效率也相对较高，并且集热器提供的低温热源温度可以轻而易 举的达到或超过地下水温度。因此，课题冬季实验系统中，将太阳能与地下水地源 热泵联合起来运行，不仅可以克服太阳能间歇性、不稳定性和随机性的缺点，而且 可以减少太阳能的散热损失、提高集热器的集热效率，且可以使热泵机组获得较高 的性能系数。 2 、对新型供能系统所需的各项参数( 系统冷、热负荷，地下水井参数、太阳 能集热面积) 进行了理论计算，为实验系统设备的匹配和选型提供了依据。 第三章实验系统的设计及实验方法 第三章实验系统的设计及实验方法 本章将重点介绍实验系统的设计以及实验内容、实验方法、测量仪器等内容。 3 1 夏季实验系统设计 建立地源热泵+ 风机盘管与传统空调方式对比的夏季实验台，进行夏季实验的 对比研究工作。 3 1 1 实验系统热泵机组的选型 由2 1 1 和2 1 2 节可知，计算出的房间夏季冷负荷为3 6 k w ，冬季热负荷为 2 4 k w ，在选择机组的时候按照所计算出的最大负荷进行选择。因此，热泵机组根 据夏季冷负荷进行选型。 本实验系统的热泵机组设备参数如表3 1 所示： 表3 - 1 机组设备参数 第三章实验系统的设计及实验方法 3 1 2 地下水井系统及潜水泵选型 ( 1 ) 地下水井回灌形式的确定 单井回灌技术从原理上讲，与多井自然回灌有所不同。单井抽灌在地下局部形 成抽灌的平衡和循环，如图