（热能工程专业论文）太阳能热泵供暖系统优化分析.pdf

中文摘要 着眼于我国能源和环境所面l 临的巨大压力，并结合太阳能资普遍、无害、长 久、巨大、对环境无任何污染和西藏地区太阳能资源丰富的特点，课题针对在西 藏地区某办公楼进行太阳能热泵系统的工程项目进行研究。 课题首先从热泵和太阳能集热器的理论出发，提出了太阳能热泵系统的方 案。在理论分析的基础上设计了太阳能热泵供热系统，选择了热泵机组各部件包 括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀等，热泵工作介质选为r 2 2 ；设计了太阳能 集热器的面积和水箱容积等部件的参数和测试系统。 其次根据实际测得的数据对太阳能热泵系统各个部分的情况和参数进行分 析。分析出系统供热达到要求，热泵c o p 值为3 1 。还分析出蒸发器中冷却水和 工质换热不完全，水箱吸收的太阳能集热器的热量比输送给蒸发器的热量大，由 于保温装置做的不好，大部分热量都散失到环境中，造成了大量的浪费。 再次结合实际运行情况和太阳能热泵系统的模型的建立和模拟计算，把原系 统进行了优化分析，扩大了蒸发器面积，增强了水箱保温性能，减小了集热器的 集热面积等措施。经过分析得出，优化后系统的供热系数、集热效率等参数都比 优化前有了很大的提高，得出水箱温度是整个系统的核心。 最后本文就太阳能热泵系统在运行稳定性、节能性、环保性以及技术经济性 等方面进行了阐述。分析了这种系统的技术优点与存在的问题。 关键词：太阳能热泵太阳能集热器水箱性能系统实验研究 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tw h i c hi sf a c i n ge n o r m o u sc h a l l e n g e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l a rr e s o u r c ei nx i z a n gw h i c hi ss a n i t a r ya n da v a i l a b l ei n a b u n d a n c e ，t h i sp a p e rs t u d i e so nt h es o l a ra s s i s t e dh e a tp u m ps y s t e mf o rh e a ts u p p l y w h i c hi si nx i z a n go f f i c eb u i l d i n g f i r s t ，f r o mt h et h e o r yo fh e a tp u m pa n ds o l a re n e r g yc o l l e c t o r , t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dt h es c h e m eo ft h es o l a rh e a tp u m p b a s e do na n a l y z i n gt h et h e o r y , t h ep a p e r w r i t e st h ed e s i g no ft h es o l a ra s s i s t e dh e a tp u m ps y s t e mf o rh e a ts u p p l y , t h es e l e c t i o n o fc o m p r e s s o r , e v a p o r a t o r c o n d e n s e r , t h r o t t l ea n ds oo n ，a n dt h ed e s i g no f t h ea r e ao f t h es o l a re n e r g yc o l l e c t o r , t h ee a p a c 酊o ft h ew a t e rt a n ka n dt h et e s t i n gs y s t e m t h e w o r k i n gf i e l do f t h es y s t e mi sr 2 2 s e c o n d ，b a s e do na n a l y z i n gt h ed a t ao fe v e r yp a r to ft h es y s t e m ，i tc a nb ee d u c e d t h a tt h es y s t e mr e a c h e dt h en e e do fd e s i g n i n g t h ec o po ft h eh e a tp u m pi s3 1 i t a l s oc a nb ee d u c e dt h a tt h eh e a te x c h a n g eb e t w e e nc o o l i n gw a t e ra n dw o r k i n gf i e l di n e v a p o r a t o ri sn o tc o m p l e t e l y , a n dt h eh e a tw h i c h t a n kw a t e ra b s o r b e df r o mt h es o l a r e n e r g yc o l l e c t o ri sl a g e rt h a nt h eh e a tw h i c he v a p o r a t o ra b s o r b e df r o mt a n kw a t e r b e c a u s et h ee q u i p m e n to fh e a tp r e s e r v a t i o ni sn o tg o o d ，am a j o r i t yo fh e a ti s d i s s i p a t e di nt h ea t m o s p h e r e ，w h i c hm a k e sa l o to f w a s t e t h i r d ，c o m b i n i n gt h ed a t aa n dt h em o d e l i n go ft h es o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，t h e s y s t e mi so p t i m i z e db ye n l a r g i n gt h ea r e ao fe v a p o r a t o r ，e n h a n c i n gt h ec a p a b i l i t yo f h e a tp r e s e r v a t i o no ft a n kw a t e r ，a n dm i n i s h i n gt h ea r e ao ft h es o l a re n e r g yc o l l e c t o r a n ds oo n r h r o h 曲a n a l y z i n gt h eo p t i m i z e ds y s t e m ，i tc a nb ee d u c e dt h a tt h ec o po f t h es y s t e ma n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ec o l l e c t o re t ca r ei m p r o v e d ，a n dt h et e m p e r a t u r eo f t h et a n kw a t e ri sm o s ti m p o r t a n to f t h es y s t e m l a s t l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h es t a b i l i t y , s a v i n gt h ee n e r g ys o u r c e s ，e n v k o n m e n t a l c o n s e r v a t i o n , t e c h n o l o g ya n de c o n o m yo ft h es o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，a n df u r t h e r a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h i st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ，s o l a re n e r g yc o l l e c t o r , w a t e rt a n k ， c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ，e x p e r i m e n t a ls t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高听 签字日期：”年工月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高听 签字日期：沙。6 年 月1 善日 导师签名：关p 琮和 签字日期：加砖f 年2 月 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济的发展及人民生活水平的提高，人们对环境舒适度要求越来越 高，这使得供暖、制冷所需的能源消耗巨大。据统计，美国一年在供暖、制冷上 消耗的能源占美国全年能源消耗的3 0 【1 2 1 ，如此巨大的能源消耗，在能源资源 日趋枯竭的当前形势下，可再生能源的有效利用尤为重要。 1 1 太阳能 1 1 1 开发利用新能源和可再生能源的意义 太阳能属于新能源和可再生能源。不论是从经济社会走可持续发展之路和保 护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上约2 0 亿无电用 人口和特殊用途解决现实的能源供应出发，开发利用新能源和可再生能源都具有 重大的战略意义。 1 、新能源和可再生能源是人类社会未来能源的基石，是大量燃用的化石能 源的替代能源。 我国的能源资源储量不容乐观。根据最新资料，现有探明技术可开发能源总 资源量超过8 2 3 0 亿吨标准煤，探明经济可开发剩余可采总储量为1 3 9 2 亿吨标准 煤，约占世界总量的1 0 1 。我国能源剩余可采总储量结构为：原煤占5 8 8 ， 原油占3 4 ，天然气占1 3 ，水能占3 6 5 。我国能源经济可开发剩余可采储 量的资源保证程度仅为1 2 9 7 年，其中，原煤仅为1 4 4 5 年，原油仅为2 0 1 年， 天然气仅为4 9 3 年。 根据国际权威机构的预测，到2 l 世纪6 0 年代，即2 0 6 0 年，全球新能源和 可再生能源的比例，将会发展到占世界能源构成的5 0 以上，成为人类社会未 来能源的基石，世界能源舞台的主角，是目前大量应用的化石能源的替代能源【3 】。 2 、新能源和可再生能源清洁干净，只有很少的污染物排放，是与人类赖以 生存的地球的生态环境相协调的清洁能源。 我国的现能源开发利用对于环境造成的污染非常严重。1 9 9 9 年我国排放c 0 2 6 6 9 亿吨，居世界第2 位，其中8 5 是燃煤排放的。2 0 0 0 年我国排放s o s1 9 9 5 天津大学硕士学位论文第一章绪论 万吨，居世界第l 位，其中9 0 是燃煤排放的；排放烟尘1 1 6 5 万吨，其中 7 0 是由能源开发利用排放的。由于能源利用和其他污染源大量排放环境污染 物，造成全国有5 7 的城市颗粒物超过国家限制值；有4 8 个城市的s 0 2 浓度超 过国家二级排放标准；有8 2 的城市出现过酸雨，面积已达国土面积的3 0 ； 许多城市的n o x 有增无减，其中北京、广州、乌鲁木齐和鞍山超过国家二级排 放标准。s 0 2 和酸雨造成的经济损失已约占全国g d p 的2 。近年来，由于城市 汽车大幅度增加，燃用汽油产生的汽车尾气已成为城市环境的重要污染源。而新 能源和可再生能源却只有很少的污染物排放，清洁干净。 由上述分析可见，新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球的生态环 境的清洁能源；采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是 保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施1 4 】。 1 1 2 太阳能资源 太阳能是清洁能源，具有无害、巨大的特点，是2 1 世纪人类可期待的、最终 有希望的能源之一。而太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用最具有发展潜 力的实用领域。 随着世界太阳能技术水平的不断提高和进步，严格意义上的太阳能建筑，就 能满足房屋居住者舒适水平和使用功能所需要的大部分能源供应【5 。 1 1 3 中国太阳能资源 我国地处北半球亚欧大陆的东部，幅员辽阔，年日照时间大于2 0 0 0 h 的地区 约占全国面积的三分之二，全国各地太阳年辐射总量为3 3 4 0 8 4 0 0 m j m ? ，中值 为5 8 5 2 m j m e ，处于利用太阳能较有利的区域内，只要有一定的技术水平和必要 的资金投入，就可以收集利用。 中国太阳能资源的分布具有明显的地域性。这种分布特点反映了太阳能资源 受气候和地理条件的制约。根据太阳年曝辐射量的大小，可将中国划分为4 个太 阳能资源带，如图1 1 所示。这4 个太阳能资源带的年曝辐射量指标，如表 1 1 所列。 表1 1中国4 个太阳能资源带的年曝辐射量 资源带号资源带分类年曝辐射量( m j m 2 ) i资源丰富带 6 7 0 0 i i资源较丰富带 5 4 0 0 6 7 0 0 n i 资源一般带 4 2 0 0 5 4 0 0 资源缺乏带 0 8 9 ： ( 2 ) 选择性吸收涂层的太阳吸收比口 0 8 6 ( a m l 5 ) ，半球向发射率 c h 一 ，8 0 0 w ，环境 温度屯为8 3 0 动； ( 4 ) 闷晒太阳曝辐量日3 8 m j ( 当太阳辐照度g ，8 0 0 w m 2 , 环境 温度屯为8 3 0 劢； ( 5 ) 平均热损系数u l r o 9 0 w ( m 2 功： ( 6 ) 真空夹层内的气体压强p 5 x 1 0 - 2 p a ； ( 7 ) 耐热冲击性能，应能承受2 5 例以下冷水与9 0 口以上热水交替反复冲 击3 遍而不损坏； ( 8 ) 耐压件能应能承受0 6 护a 的压力； 天津大学硕士学位论文 第二章太阳能热泵的原理及设计 ( 9 ) 抗冰雹性能，应在径向尺寸不大于2 5 r a m 的冰雹袭击下无损坏。 关于全玻璃真空集热管的外形尺寸，国家标准g b t 1 7 0 4 9 - - 1 9 9 7 只规定了 外玻璃管直径为4 7 m m 、内玻璃管直径为3 7 m m 一种规格，长度为1 2 0 0 m m 和 1 5 0 0 m m 两种规格。目前，市场上又相继出现外玻璃管直径为5 8 r a m 、7 0 m m 、9 0 r a m 等若干种规格，因而国家标准g b t 1 7 0 4 9 正在修订之中。 集热器效率的定义为：在稳态( 或准稳态) 条件下，集热器传热工质在规定 时段内输出的能量与规定的集热器面积和同一时段内入射在集热器上的太阳辐 照量的乘积之比，整理后可得到： 吲弼) e - u l 孚 ( 2 - 1 ) 式中：7 一集热器效率； ( f 口) e 一真空管透射比与吸收比的有效乘积； u l 一集热器总热损系数，w ，( 埘2 k ) ： g 一太阳辐照度，形，聊； b 一吸热板温度，口； 珞一环境温度，口。 集热效率方程在直角坐标系中以图形表示，得到的曲线称为集热器效率曲 线，或称为集热器瞬时效率曲线。在直角坐标系中，纵坐标y 轴表示集热器效率 玎，横坐标x 轴表示集热器工作温度( 或吸热板温度) 和环境温度的差值与太阳 辐照度之比，有时也称为归一化温差，用r 表示。所以，集热器效率曲线实际 上就是集热器效率”与归一化温差，的关系曲线。若假定觇为常数，则集热器 效率曲线为一条直线。可得集熟器效率曲线，见图2 3 所示。 图2 - 3 集热器效率曲线 从图2 3 可以得出一下规律： 1 、集热器效率不是常数而是变数 集热器效率与集热器工作温度、环境温度和太阳辐照度都有关系。集热器工 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热泵的原理及设计 作温度越低或者环境温度越高，则集热器效率越高；反之，集热器工作温度越高 或者环境温度越低，则集热器效率越低。因此，同一台集热器在夏天具有较高的 效率，而在冬天具有较低的效率；而且，在满足使用要求的条件下，应尽量降低 集热器工作温度，以获得较高的效率。 2 、效率曲线在y 轴上的截距值表示集热器可获得的最大效率 当归一化温差为零时，集热器的散热损失为零，此时集热器达到最大效率， 也可称为零损失集热器效率，常用叩。表示。在这种情况下，效率曲线与y 轴相 交，口。就代表效率曲线在y 轴上的截距值。在图2 - 3 中，相为( f 口) p 。 3 、效率曲线的斜率值表示集热器总热损失系数的大小 效率曲线的斜率值是跟集热器总热损系数直接有关的。斜率值越大，即效率 曲线越陡峭，则集热器总熟损失系数就越大；反之，斜率值越小，即效率曲线越 平坦，则集热器总热损失系数就越小。 4 、效率曲线在x 轴上的交点值表示集热器可达到的最高温度 当集热器的散热损失达到最大时，集热器效率为零，此时集热器达到最高温 度，也称为滞止温度或闷晒温度。用q = o 代入式( 2 一1 ) ，有 譬：百( r a ) e ( 2 - 2 ) gut 2 1 2 热泵 热泵是一种反向使用的制冷机。与制冷机所不同的只是工作的温度范围【l 9 。 2 0 1 0 它的热能大部分来自周围环境，只有一部分是由电能转变而成。以花费少量 电能作为代价，将低温环境的热能转移到温度较高的环境中。就像水泵以机械功 为代价将低处的水送到高处一样，因此称为热泵。 热泵的构造和制冷机完全一样。同一台机器，如果目的是用来制冷，那么就 叫做制冷机；如果目的是用来供热，就叫做热泵。热泵工作原理如图2 - 4 所示。 其工作过程为：蒸发器吸热后，其工质的低温低压过热气体在压缩机中经过 绝热压缩变为高温高压的气体后，经冷凝器定压冷凝为高温高压的液体( 放出工 质的气化潜热等，与冷凝器中的冷凝水进行热交换，使冷凝水被加热为热水供用 户使用) ，液态工质再经膨胀阀绝热节流后变为低温低压液体，进入蒸发器定压 吸收低温热源热量，并蒸发变为过热蒸汽完成一个循环过程。如此循环往复，不 断地将热源的热能输出。这种逆卡诺循环，可从低温处吸热，而在温度较高的地 方放热。例如，应用于房屋采暖时，将蒸发器部分放在室外，冷凝器部分放在室 内。采暖季开动压缩机就可将户外( 低温区) 的热量转移到室内( 高温区) 。 天津大学硕士学位论文 第二章太阳能热泵的原理及设计 压缩机 图2 - 4 热泵工作原理图 在转移热量的过程中，依据热力学第二定律，热泵性能的好坏以消耗每单位 机械功对高温区所供给的热量为衡量，转移的热量和输入的机械能之比为性能系 数c o p ，可用下式表示： c o p = 号= 堂铲 s ， 矿输入功 7 在理想循环( 逆卡诺循环) 中，此性能系数与温度差成反比： c o p 2 兰w2 高( 2 - 4 )r i _ z ” 式中：旷传给高温区的热量，以 肜输入功，以 r7 高温区的温度，k ； r ”低温区的温度，足。 实际循环中，由于各部件效率影响，性能系数比理想状态要小一些，将是上 述数值的0 8 倍左右与各部件的效率的乘积1 3 】，即： c o p = 刁斋 ( 2 5 ) 式中，_ = d 8 r l m r l 斫h ，枷、叮。、口 为部件的效率系数【1 5 】。例如：驱动压缩 机的电动机釉= o 9 5 ，压缩机枷= 0 8 ，换热器舶= o 9 。则总效率r = o 8 o 9 5 0 8 0 9 = 0 5 5 。因此。假设热量从2 0 ( 2 9 3 k ) 的热源传给6 0 口( 3 3 3 k ) 冷 源，根据公式( 2 5 ) 可得性能系数c o p 值为： c o p ：0 5 5 ! ! ! ：4 6 1 2 1 1 3 3 3 2 9 3 也就是说，当驱动压缩机的电动机功率为l k w 时，可望以4 6 k w 功率来传 递热量。消耗l k w 的电，就可望在高温热源处得到4 6 k w 的热能( 此热能的质 量被提高了，更便于应用) 。可见，热泵的节能效果很显著。 天津大学硕士学位论文第= 章太阳能热泵的原理及设计 2 1 3 太阳能热泵 太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器低温热源的热泵系统，区别于以 太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组。在供热循环中，太阳能收集到的低温热 能，通过热泵的作用，可使热媒温度升高2 0p 3 0 口，作为采暖和供热水的热 源。太阳能热泵系统主要由太阳能集热器、贮热水箱、热泵机组及附属设备组成。 其中一种形式为非直膨式太阳能热泵系统示意图如图2 5 所示。 图2 - 5 非直膨式太阳能热泵系统原理图 热用户 太阳能热泵将太阳能热利用技术与热泵技术有机地结合起来，与传统的太阳 能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是可以采用廉价的低温集热器，集 热成本较低。 由于太阳能具有能流密度低、供能不连续性和不稳定性等缺点，常规的太阳 能供热系统往往需要采用较大的集热和蓄能装置。并且需要配备相应的辅助热 源，这不仅造成系统初投资较高，而且需要较大面积的集热器，占有较大的空间； 太阳能热泵基于热泵系统的节能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下，太 阳能热泵所需的集热器面积和蓄能装置容积等都要比常规太阳能系统小得多，使 得系统结构比较紧凑，布置灵活。 系统的供热过程：冬季晴朗白天，载热介质在集热器中获取太阳辐射热后， 流入蓄热水箱，通过箱内的换热盘管将部分热量传递给蓄热介质，然后进入蒸发 器与制冷剂换热，并通过热泵循环进行供热，降温后的集热介质在管道泵的作用 下流回集热器，由此完成一次循环：夜间( 或阴雨天) ，从蒸发器流出的载热介 质不流经太阳能集热器，而是通过一根旁通管直接流入蓄热水箱，从蓄热介质中 吸取热量后流回蒸发器，再通过热泵循环进行供热。 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热泵的原理及设计 2 2 太阳能热泵方案的选取 太阳能集热器与热泵系统的连接方式有三种方案：一种是串联系统1 2 2 1 ，其系 统示意图如图2 - 6 所示，即热泵置于太阳能系统与用户之间，其优点是：由于热 泵不断从中获取热量使集热器工作温度较低，从而使集热器具有较高的集热效 率；另一方面，系统由于吸收太阳能使热泵的蒸发温度升高，从而提高了热泵性 能系数c o p 值，尤其在冬季使用，对于采用水作为蒸发器载冷剂的系统，可避 免水在蒸发器中冻结。 图2 - 6 串联式太阳能热泵系统示意图 热用户 第二种是并联系统【2 3 】，其系统示意图如图2 7 所示，即太阳能收集的热量直 接供给用户，该系统对集热温度要求较高，从而使集热效率得不到改善；另一方 面，热泵以环境空气作为热源，蒸发温度较低，c o p 值得不到提高。 图2 7 并联式太阳能热泵系统示意图 天津大学硕士学位论文第二章太阳能熟泵的原理及设计 第三种是双源式系统，如图2 8 所示， 串联，另一个与之并联，该系统结构复杂， 蒸发器 即热泵有两个蒸发器，一个与集热器 成本高，且性能也不甚理想。 图2 8 双热源式太阳能热泵示意图 其中串联式太阳能热泵系统又可分为两种形式，根据制冷剂是否在集热器中 蒸发，串联式太阳能热泵又可分为直膨式( d i r e c t - e x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a t p u m p ) 和非直膨式( i n d i r e c t - e x p a n s i o ns o l a ra s s i s t e dh e a tp u m p ) 。 在直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷剂工质直接在 太阳集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发( 如图2 - 9 所示) 。 图2 - 9 直膨式太阳能热泵系统原理图 热用户 在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分离，通过集热介质( 一般采 用水、空气、防冻溶液) 在集热器中吸收太阳能，并在蒸发器中将热量传递给制 冷剂，或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或水( 如图2 5 所示) 。 由于在直膨式系统中，制冷剂需要经过集热器，其中有很长的管路，故流动 阻力大而且也容易泄露。 天津大学硕士学位论文 第二章太阳能热泵的原理及设计 所以本系统采用非直接膨胀式串联系统，这样可以减少制冷剂的泄露。 2 3 太阳能热泵采暖系统的设计 本次设计的太阳能热泵采暖装置，由集热系统、热泵系统、循环水系统、送 风系统、控制系统及测试系统组成。其系统图如图2 一1 0 所示 2 3 1 设计背景 图2 1 0 太阳能热泵系统图 该太阳能热泵系统为西藏太阳能示范工程的一部分。本示范工程将采用两种 方式完成太阳能示范中心办公楼的冬季供暖，一、二层采用太阳能热泵的供暖方 式，三层采用太阳9 2 供暖的方式。 西藏太阳能示范中心办公楼位于北纬2 9 。4 2 ，东经9 l 。0 8 ，海拔3 6 5 8 米，办公楼为3 层建筑，每层建筑面积为3 0 6 7 m 2 ，总共为9 2 0 1m 2 其中一、二 层面积和为6 1 3 4m 2 。办公楼南立面为大面积开窗( 铝合金窗，单层玻璃，密封 很好) ，采光条件好，冬季白天有光照时室内温度可以达到1 5 以上，按照白 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热泵的原理及设计 天自然采光可以维持在平均1 0e 皇右。 设计要求白天采暖时间为1 0 h ( 9 ：0 0 1 9 ：0 0 ) ，室内供暖温度不低于2 0p 。 西藏拉萨太阳能辐射资源如表1 2 所示，拉萨年各月平均气温如表2 1 所示。 其中，年平均气温为9 3 口。 表2 - 1 西藏拉萨年各月平均气温 月份 l23456 平均气温( 劲 6 51 75 41 2 11 7 42 0 9 月份7 8 9 1 0 1 11 2 平均气温( 印 2 2 82 1 41 3 61 0 11 7 5 3 2 3 2 太阳能热泵系统的设计负荷 办公楼采用太阳能热泵系统供暖的面积为6 1 3 4 m 2 ( 按6 1 4 m 2 设计) 。冬季 室外计算温度为一4 9 ，冬季采暖室内计算温度为1 8 ，冬季室外风速为 1 9m s 。 本身办公楼要求设计温度为1 8 ，经过计算供热指标为q = 6 0 w m 2 ，若 从9 ：0 0 到1 9 ：o o 连续1 0 小时供热，则平均每天白天供热量为： q 白= 6 0 x 6 1 4 x 1 0 x 3 6 0 0 + 1 0 0 0 = 1 3 2 6 2 4 0 k j 由于办公楼夜间不办公，所以夜间室内不需要进行供热。 所以，合计每天需要的总供热量为： q = 如= 1 3 2 6 2 4 0 k j 2 3 8 太阳能集热器系统 1 、集热器的选型 本系统所采用的集热器为全玻璃真空太阳集热器，由清华阳光提供。其中玻 璃热膨胀系数为3 3 1 0 - 6 t o , 罩玻璃管直径为4 7 脚，内玻璃管直径3 7 届吼玻璃 管的厚度为1 6 脚，罩玻璃管的透射比为0 9 1 ，真空集热管长度为1 2 0 0 脚，太 阳选择性吸收涂层为溅射渐变铝一氮铝，太阳吸收比( a m l 5 ) 和发射比( 8 0 口) 都由于国际，真空度为一 一 蜘手 电| 一 亘 铲 t | 一 、 矛 叱蛩 产 ” 一 h j 一心煎。 r ”| i 当 当 - 2 1 。i【匦啦恬幢辎=n匝 天津大学硕士学位论文第三章太阳能热泵系统的试验研究 第三章太阳能热泵系统的试验研究 西藏科技厅太阳能示范中心办公楼太阳能热泵系统从2 0 0 4 年1 2 月3 1 日运行 至2 0 0 5 年4 月2 日，共计9 3 天，根据西藏太阳能研究所采暖空调操作注意事项 中的要求，每天开机时间约为l o 小时( 9 ：0 0 1 9 ：0 0 ) 。 本章就系统运行过程中所测试的数据进行全面的整理和分析，以考查系统的 整体供热性能及各主要设备的工作性能，为高原地区太阳能热泵供热系统的设计 和运行提供一些具有参考价值的资料。 课题组选择了2 0 0 4 年1 2 月份和2 0 0 5 年1 月份的五天进行测试，测试过程中， 热泵机组仍然正常工作( 每天开机时间约为l o d , 时( 9 ：0 0 1 9 ：0 0 ) ) ，从 9 ：3 0 至u 1 9 ：0 0 每隔半小时测量一次数据。测量数据包括： ( 1 ) 室内温度( ) 和室外温度( 口) ； ( 2 ) 太阳能集热器进、出口温度( ) 和t o u t ( ) ； ( 3 ) 水箱温度o ( 口) ； ( 4 ) 压缩机耗功量觋( 尼矽) 、循环水泵耗功量阡名( 后肜) 和风机盘管耗功 量野( 七矿) ； ( 5 ) 冷凝器侧循环水的流量以所) ： ( 6 ) 蒸发器侧循环水的流量p 议所) ； ( 7 ) 集热器循环水的流量v j 值为3 1 。 在供暖测试期间，室内的温度在1 7 3c 2 1 9e 之间变化，平均温度为 1 9 6 已这说明热泵机组的供热量满足室内温度的要求。 热泵机组的性能系数比较正常，工作的性能比较稳定。 太阳能集热器的集热效率平均为5 l 。 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 第四章太阳能热泵系统的优化 同任何一个热力循环系统一样，太阳能热泵系统中集热器、水箱、蒸发器、 压缩机、冷凝器和节流阀之间的合理匹配是系统效率得以提高的关键。 4 1 太阳能热泵系统的分析 4 1 1 辅助热源的选择 当太阳能收集较少或环境温度过低时，就要使用辅助热源起补充作用。连续 坏天气和阳光不充足时，就只能依靠辅助热源保证采暖系统正常运转。 本太阳能热泵系统，在设计的时候没有考虑辅助热源，但是蓄热水箱的蓄热 量很大，所以没有出现阴天或太阳能收集较少时供暖不正常的情况。但是正常的 设计时应该考虑添加辅助热源。 辅助热源的选择取决于实际条件。如果电力充足且费用低廉，用电加热最为 简便。在设计中要根据通常应用的标准做出选择，它可以是一台燃煤或燃油锅炉， 也可以与热力管网相连通，以热力站的蒸汽或热水作为辅助热源。 辅助热源在采暖系统中不用的安装位置有不用的工作情况。图4 1 表示辅助 加热器的三种安装位置。位置1 中加热器起作用时间较长，可以缓慢地对系统进 行加热。若使用峰值电力，加热元件应是这种位置。但是它得加热蓄热设备中大 量不必要加热的水，还可能影响下一天集热器的效率。位置2 可以将供暖回路与 蓄热装置分开，因而当蓄热温度低于所需供暖水平时，可以完全不用太阳能，象 普通采暖系统一样运行。位置3 是一种最有利的方式，它具有位置2 的效果而 又能将太阳能集热器作为预热器。由于西藏地区太阳能保证率很高，所以本系统 辅助热源适合采用电加热，安装位置选用位置3 。 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 泵2 泵1 图4 - 1 辅助加热器在采暖系统中的安装位置 4 1 2 热泵系统的参数 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 ，0 1 5 0 1 0 0 5 0 温度 r 一“ 一二二5 一妒：镶 + 蒸发温度 一水箱温度 图4 - 2 系统的蒸发温度与水箱温度 图4 。2 为系统在测试期间日平均蒸发温度与水箱温度变化图。计算得测试期 间平均蒸发温度为5 口，水箱的平均温度为3 1 7 玩由于水从水箱里流入蒸发器， 与蒸发器中的工质进行换热，所以流入蒸发器的水温约为3 1 口( 水箱到蒸发器 的管路保温很好，散热损失忽略不计) ，而蒸发温度仅为5b 由此我们可以推 测出，蒸发器中工质和水的换热不完全。 因为蒸发器采用的是板式换热器，换热系数已经很高了，所以造成这种换热 不完全现象的原因是换热面积不够大，所以要增大蒸发器的换热面积，增强蒸发 器中水和工质的换热，增强热利用率，经过计算，蒸发器面积应增大5 0 。 这样就可以提高蒸发温度，设计时可把蒸发温度提高到1 5 口，过热度为5 ， 冷凝温度选为5 5 口，查坦p 一而图可以计算出该工况下热泵的理论供热系数可达 c o p t - - - - 7 2 ，取实际供热系数c o p = o 6 5 c o p t = o 6 5 x 7 2 = 4 7 。可见蒸发温度 提高了，便增大了热泵的c o p 值。 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 4 1 3 太阳能集热器的选择和安装 由图3 1 5 可以看出，总的来看，水箱一直处于蓄热状态，而且以平均9 9 9 l s 的蓄热量进行蓄热，假设管路保温非常好，几乎没有散热损失的话，则在开启集 热器循环泵的过程中，水箱中的水温平均每4 1 分钟便上升l ( 水箱中的水为6 吨) 。所以，对于此热泵机组，要适当减少太阳能集热器的集热面积。 对于专门用于采暖的集热器，其安装的最佳倾斜度( 集热器与地平面的交角) 的粗略估算方式是简便地用所在地区的纬度加上1 5 。位于北半球的集热器， 正南面是最佳朝向，但南偏东或偏西1 0 。1 5 。对集热器收集的能量大小没有 明显差别 2 6 1 。 4 1 4 蓄热水箱的选择 蓄热水箱的容量( 或者可以说成蓄热量) 的大小与连续阴雨的天数、装置的 特性、建筑物的热特性及太阳能保证率有关。严格地说，必须对系统进行年运转 模拟实验来确定。一般用于采暖的系统可蓄存2 3 天的所需热量。简化计算时 可以认为每平方米集热器面积所需蓄热水量在5 0 l o o l 之间( 或相当于其热容 量在2 1 0 4 2 0 k , 仁之间) 。水箱容量越小，水箱中的水使用效率越高，温度上升 快会减少集热器的集热效率。水箱容量越大，会使能量得不到充分利用，但能使 回流到集热器中的流体温度低，从而增加集热器的集热效率。 蓄热水箱的容量选择还应考虑集热温度，如果集热温度较高( 5 0 结右) 则 采用较小的水箱，如果工作温度在3 0 3 5 时，选择较大的水箱好。 4 2 太阳能热泵系统的优化 4 2 1 模型的建立 根据以上测试的试验数据和系统所选部件的样本，蒸发器吸热量和压缩机耗 电量与蒸发器的入口水温的关系可以拟和为式( 4 1 ) 、( 4 2 ) 。 q 。= 口0 + b ( 4 - 1 ) w = a 1 0 + 6 1 ( 4 2 ) 式中：吼蒸发器的吸热量，七职 f m 蒸发器入口水温，b w 压缩机耗电量，k w ； 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 口、6 、q 、6 1 拟和常数，口= o 1 8 2 ，b = 2 5 7 5 q = o 0 3 ，6 l = 8 2 5 热泵系统的输出热量吼为： q k = q o4-w(4-3) 太阳能热泵系统的供热性能系数c o p 为： c o p ：里世：1 + q _ 2 ( 4 4 ) ww 太阳能集热器在工作范围内的集热效率r 的计算公式为： 刀：o 6 5 3 6 5 12 上：!( 4 5 ) 。 c 式中：1 1 太阳能集热器的效率； t ，太阳能集热器的入口水温，砚 乙环境温度，碍 l 太阳辐照度，w m 2 。 蓄热水箱能量平衡方程为： g c ，鲁= q j - q t o 。- q 。( 4 - 6 ) 式中：g 蓄热水箱的蓄水量，堙： c 。水的比热容，抛矽； 肇蓄热水箱平均水温的变化率，k s ； d r g ，亏是热器的集热量，j 矾 g 。水箱的散热损失，k w ： 吼蒸发器的吸热量，k w 对于热泵系统，可得： q 。= a t e + b ( 4 7 ) 式中：t 水箱平均水温，p 。 对于太阳能集热器，可得： q = 卅。i c = ( o 6 5 3 _ 6 5 1 孕) 一。i 。= ( o 6 5 3 6 5 l 华) 彳。i c ( 4 _ 8 ) c c 对于水箱，其散热损失的计算公式为： q l o s s = j 口( f 。一t o ) ( 4 9 ) 式中：k 水箱与外界环境的总传热系数，助，r 口a f 水箱的外表面积，m 2 。 对式( 4 6 ) 一( 4 9 ) 积分可得： 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 = ( 。+ 罟) e 6 r 一号 ( 4 一l o ) 式中：a ，b - 积分常数 彳：二竺=塑生望，曰：(0653+651詈)aclc-b-kf u c pu c p 太阳能集热器的瞬时集热效率为： 删6 5 3 一竽【( + “一j b _ 】 ( 4 - 太阳能集热器的瞬时集热量为： q j = 红l = o 6 5 3 4 l1 6 5 1 “+ e a a r - - 砉】 吼= 甜。+ 6 叫纯。+ 号) 严7 一二】b + 6 w = 口l f 。+ 6 1 = “( 乙。+ 号) 严7 一二】b + 6 i ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 一挚挚毒 ww q + 与) p 船7 一匀+ 6 l 4 2 2 模拟计算与系统优化 在上一节的叙述中，我们发现蒸发器的面积不够大，所以要增大蒸发器的换 热面积，增强蒸发器中水和工质的换热，增强热利用率。 模拟计算以西藏地区为例。蓄热水箱的初始温度为2 5 ，建筑物的设计热 负荷为3 7 k w o 水的比热容取o = 4 1 7 4 k j ( k g 印，太阳辐照度厶和环境温度岛 按照实际情况取用。 根据以上条件和推导的公式，并结合2 0 0 5 年1 月1 9 号的气象数据，对集热 器的面积和水箱的容积进行优化，按照本系统的情况，现提出三种组合：集热面 积为8 0 m 2 ，水箱容量为6 吨；集热面积为6 0 m 2 ，水箱容积为6 吨；集热面积为 5 0 m 2 ，水箱容积为5 吨。 天津大学硕士学位论文 第四章太阳能热泵系统的优化分析 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 热量k w p 吸热量 - 放热量 0 0 0 。4 “。“4 出”4 “。“。4 。“。“。“4 _ “。一 昌g 是828 昌s 曷g 曷8 昌g 曷g 曷8 暑s 时刻 苗三三鲎曼童曼三茧量量量兰兰茧曼点 图4 _ 38 0 2 ，6 t 水箱瞬时吸、放热量变化趋势 图4 3 为集热面积为8 0 ，水箱容量为6 f 时模拟的水箱瞬时吸、放热量变 化趋势图。从图中我们可以看出在9 ：3 0 1 7 ：3 0 过程中，吸热量大于放热量， 水箱处于蓄热状态，在1 7 ：3 0 - - 1 9 ：0 0 过程中，吸热量小于放热量，水箱处于 放热状态。吸热量与放热量之差的平均值为1 4 4 3 职可见吸热量太大，在保温 良好的情况下此方案不可取。 5 0 0 0 4 5 0 0 们0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 ，0 0 热量 ”+ 14 + “? 。 。r + 。、 i 幺i 稿挲主冷诞枣i 一： 二 气 。 j ； 甄 “，蒯j 一一w * 一”一j * e 十；4”一+ 艏 f i 面稠 i 筮垫量l 天津大学硕士学位论文第四章太阳能热泵系统的优化分析 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 热量k w 一一”一一一”j 。1 、卜。o 7 、 孓 酝，一。一一。；。荔 f i 谰 l + 放热量i 景骞景景寰景景邑寮搴寮量景景景量鼍0 量景量时刻 西22 = = 翟鐾= 2 = = 竺2 = ：宝皇= 要篓尘 图4 - 55 0 、5 t 水箱瞬时吸、放热量变化趋势 由以上分析可以得出：当太阳能集热器的集热面积为6 0 ，水箱容量为 6 ，时，在机组运行的过程中，水箱的吸、放热量能够保持平衡，使机组运行平稳。 4 2 3 太阳能热泵系统的优化分析 按照上述对系统的优化，我们选择集热面积为6 0 的太阳能集热器；容量 为6 f 的蓄热水箱；把蒸发器的换热面积增大5 0 ；同时还设计增设了电加热的 辅助热源，辅助热源的位置如图4 - i 的位置3 所示，以满足太阳辐射不足( 阴天) 时热泵的正常供暖。 对于优化的系统，我们利用公式( 4 1 ) 一( 4 1 5 ) 对系统在2 0 0 5 年1 月1 9 号这一天进行模拟计算，并将计算结果与原系统的数据进行比较，现分析如下： 1 、优化前后系统瞬时供热量、c o p 值变化的比较 8 0 o 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 热量k wc