简析相结合太阳能与地源热泵相结合的采暖体系运用研究毕业论文范

1、简析相结合太阳能与地源热泵相结合的采暖体系运用研究毕业论文范文格式    摘要： 本文介绍了目前太阳能与地源热泵相结合的采暖系统的研究和发展状况，针对不同地区所采用的不同的结合方式，强调太阳能与地源热泵相结合的巨大优势和节能潜力，期望这种采暖系统能够取得长足发展。关键词： 太阳能地源热泵采暖 一，太阳能地板辐射采暖系统的优势和局限地板辐射采暖是我国上世纪六十年代开始研究，本世纪初开始迅速发展的采暖系统。地板辐射采暖相较传统的散热器采暖，其主要优点如下：(1)在地面热辐射作用下，直接补偿了辐射负荷，围护结构内表面和室内其它物体表面温度，都比对流采暖高，人体

2、的辐射散热相应减少，人的实际感觉（实感温度）比对流采暖时舒适得多。(2)室内竖向温度梯度很小，“下热上凉”，人的感觉舒适，且降低围护结构上部热损耗，室内计算温度可比对流采暖低2，室内相对湿度优于对流采暖(3)由于地板、外墙、内隔墙和顶棚等建筑构件均有较好的蓄热功能，不但使采暖峰值负荷降低，且使采暖系统的热稳定性大为提高。(4)这种采暖方式是以辐射传热为主，辐射和对流两种传热方式的综合作用，从而有效提高了热能利用水平。大量工程实践证明，其能耗比传统对流采暖降低可达15%左右。不但节能效果显著，而且初投资和运行费均相应降低。(5)室内空气流速很低，不会出现对流采暖由于空气对流强度高导致的尘埃飞扬，

3、也不会出现对流采暖散热器背后墙面“熏黑”的污染现象。(6)节省了对流采暖散热器占用的室内有效建筑空间。(7)其供水温度为4060热水，这种低温热媒的应用，对采暖供热实现节能减排，具有重要意义。首先，当热水供热管网，为降低热媒输送能耗而加大供回水温差时，采用地板辐射采暖可以使热网回水温度降得更低，提高热网能源利用率。同时又可使热网末端区域供热效果更易于保障。其次，4060的水温正好是地埋管地源热泵和太阳能集热系统所能提供的温度范围，正因为如此，地源热泵地板辐射采暖系统和太阳能地板辐射采暖系统已获得不少的应用，并取得了一定的经验。太阳能与其他常规能源相比，具有独特的优势，它表现在：(1)数量巨大。

4、太阳向宇宙空间辐射的能量为3.8×1023，其中约1.7×1014投向地球。这部分辐射能被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的约占30%，被大气吸收的约占23%，剩下的约占47%的约8.1×1013到达地球表面，其中陆地所得的太阳辐射能大约为1.7×1013。这巨大能量，被植物吸收的仅占0.015%，被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%，已利用的所占比例微乎其微。可见，开发利用太阳能的潜力相当大。(2)普遍性。太阳能不像其它能源那样具有分布的偏集性。世界不少国家因为能源分布的不平衡性不得不花去庞大的输电设备和交通费用。而太阳能处处都可以就地利用，具有很大

5、的优越性。(3)时间长久。天文学的研究结果认为，太阳系已经存在了50亿年左右。太阳的能源是在太阳内部的高温和高压条件下进行的四个氢原子核聚变成一个氦原子的热核反应。根据目前太阳辐射的总功率及太阳上总的氢的含量进行估算，尚可维持一千亿年之久。对于人类存在的年代来说，确实可以认为是“取之不尽，用之不竭”的。(4)洁净安全。太阳能素有“洁净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁，也毫无危险。太阳能资源虽然具有上述几方面常规能源无可比拟的优点，但也存在着缺点和问题，主要有以下几点：(1)分散性。达到地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但是能量密度却很低。平均来说，北回归线附近夏天晴

6、天中午的太阳辐射强度最大，约为1.11.2KW/m2，冬季大约只有一半，而阴天大约只有其1/5左右。(2)不稳定性。由于昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及阴晴云雨等随机因素的影响，太阳辐射既是间断的又是很不稳定的。(3)效率低和成本高。就太阳能利用的目前发展水平来说，有些方面虽然理论上是可行的，技术上也是成熟的。但是因为效率普遍较低，成本普遍较高，所以经济性较差。在今后相当长一段时期内，太阳能利用的进一步发展，特别是大规模的推广使用，主要受经济性的制约。太阳能资源的缺点和问题，造成了太阳能地板辐射采暖系统应用的局限性。太阳能充足的夏季不需要采暖，而冬季需要采暖的时候太阳辐射强度

7、只剩下夏季的一半。就好像一个人，青壮年的时候不需要出力，等到需要出力的时候他已年迈，力不从心。根据某论文分析，以济南市某五层住宅为例，建筑耗热量指标为20.2W / m2，则整个采暖季有效太阳辐射量仅能补偿采暖总能耗的47%，在有些天气太阳能保证率低于20%。增加太阳能集热器的面积可以节省常规能源的消耗，满足采暖热负荷的要求，但是这会大幅增加初投资，让开发商和业主无法接受。为了保证太阳能地板辐射采暖系统的持续运行，必须有其它辅助的热源作为保障。 二，地埋管地源热泵采暖的优势和局限 地源热泵利用地球表面浅层低热资源作为冷热源，进行能量转换。地表浅层低热资源是一种低温为热能，就像一个巨大的太阳能集

8、热器，地表浅层收集了47%的太阳能量，它不受地域、资源等限制，量大面广、无处不在。为此，国家已将地源热泵列为可再生能源利用技术，鼓励推广应用并给于一定补贴。另外，地源热泵是经济有效的节能技术。地表浅层的温度冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵运行效率比传统空调运行效率高。据估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户不低于30%供热制冷运行费用。 对地埋管地源热泵系统而言，系统能否可靠运行取决于地埋管区域岩土体温度能否长期稳定，为此，地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005）（以下简称规定）明确规定：“地埋管换热系统

9、设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡”。如果地埋管区域岩土体全年吸、释热量不平衡，将导致地埋管区域岩土体温度的持续升高或降低，一方面影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率；另一方面进入水源热泵机组的传热介质温度的提高或降低，也对地源热泵系统的性能系数和供冷供热效果造成影响。在严寒地区采用地埋管地源热泵地板辐射采暖系统，由于只用于冬季采暖或夏季制冷量很少，工程最大释热量和最大吸热量相差很大，累积释热量和吸热量相差更大，在运行几年之后，系统制热量和制热效率大幅下降，难以满足供暖要求。三，太阳能与地源热泵相结合由上文

10、可知，地源热泵供暖影响了土壤的热平衡，使制热量和节能效果逐年递减，太阳能分布与季节不匹配的特点使得太阳能利用受到限制，两种采暖方式单独采用均有难以解决的问题。太阳能和土壤源热泵相结合，能够弥补太阳能不稳定性和间歇性的缺点，有利于土壤热平衡的恢复，并减小太阳能集热器和地埋管换热器的面积，二者联合运行，能够满足一定供暖要求。地源热泵本质上也是在利用储存在浅层地表的太阳能，这一点似乎让二者的联合更加理所当然。本文就是认真学习国内关于太阳能与地源热泵联合运行的论文、文献的基础上，继续思考总结，希望这些思考总结，能为致力于地源热泵和太阳能联合运行的研究的同仁们，提供一些帮助。  &#

11、160;                             太阳能和地源热泵联合模式之一：季节性蓄热在严寒地区由于居住建筑冬夏负荷相差大，土壤温度也较低，系统运行初期地埋管换热器周围土壤温度场得不到有效恢复，热泵效率也将降低，因此必须进行补热。太阳能季节性土壤蓄热是把除冬季外收集的太阳能通过地埋管换热器

12、蓄存在土壤之中，冬季再用热泵将热量从土壤中取出来进行供暖。由于土壤温度得到及时恢复和提升，热泵冬季制热性能系数也得到相应提高，并实现了太阳能移季利用。目前，季节性蓄热在国外已有类似应用，但在国内研究较少，尚处于理论和模拟研究阶段。张文雍的严寒地区太阳能土壤源热泵季节性土壤蓄热一文中，介绍了太阳能-土壤源热泵供暖结束后的过渡季、夏季太阳能对土壤蓄热的实验。图1太阳能-土壤源热泵供暖系统流程图实验于2008年4月18日开始，至2008年10月10日结束，共176天，包括过渡季节蓄热和夏季蓄热。蓄热系统启停利用太阳能集热器出口壁温进行控制，通过数显调节仪、继电器、温度传感器实现。过渡季节温度设为25

13、，夏季控制温度设为30。当集热器出口壁温高于控制温度时蓄热系统启动，低于控制温度时系统停止。2008年4月18日至10月10日，太阳能对土壤日蓄热量变化见图2。哈尔滨地区7月太阳能对土壤蓄热量最大，占总蓄热量的21.6%，日平均蓄热量为0.49GJ/天。6、8月次之，分别占总蓄热量的18.1%、19.0%，日平均蓄热量0.43GJ/天。5月、9月蓄热量相对较少，分别占15.2%、17.4%，日平均蓄热量为0.38GJ/天。受阴雨天气影响，蓄热系统实际共运行1022h，日平均运行5.8h，累计蓄热量为70.76GJ，总耗电量为416.7KWh，日耗电量2.37KWh/天。图2太阳能对土壤日蓄热量

14、变化 2008 年6 月6 日至10 月10 日， 地埋管换热器周围不同深度土壤温度逐日变化曲线见图2， 土壤深度为5 m 处土壤温度前期较低，至7 月中旬明显高于深层土壤温度，直到9 月中旬开始下降到与深层土壤温度相当，这是由于浅层土壤温度受地面温度波动影响较大。深层土壤蓄热初期温度上升较快，但土壤深度为30 m 处土壤温度上升速率大于土壤深度为50 m 处土壤，到蓄热中后期二者温度基本一致，上升变缓，这说明随着蓄热的进行土壤影响半径逐渐扩大。蓄热结束后地埋管换热器周围平均温度上升至10 . 17。图3 地埋管换热器周围不同深度土壤温度逐日变化曲线2008 年6 月7 日至10 月10 日，

15、 观测井不同深度土壤温度逐日变化曲线见图4 。图4 中反映的观测井土壤温度变化总体规律与图3一致，且波动很小。由于观测井在室外，土壤深度为5 m 处士壤温度主要受室外温度和太阳辐射影响上升速率较大。深层土壤温度主要受蓄热热流影响缓慢上升，且温度接近。图4 观测井不同深度土壤温度逐日变化曲线通过以上实验研究与计算可得出，蓄热结束时地埋管换热器周围土壤平均温度明显高于土壤初始温度。太阳能对土壤蓄热和供冷排热对土壤的累计蓄热量为75.67 GJ，蓄热损失率按0.35 考虑，有效蓄热量为49.19 GJ ，大于冬季供暖期热泵从土壤中取热量。当土壤温度升高到一定程度时，在以后的蓄热中应调整太阳能对土壤的

16、蓄热量，使得土壤热量以年为周期保持平衡，即蓄热量等于取热量。太阳能和地源热泵联合模式之二：相互耦合的动态联合运行东南大学已建成了太阳能地热能综合利用多功能热泵试验系统，杨卫波的太阳能地源热泵系统运行特性的试验研究一文，根据该实验系统冬季运行性能的实测,重点对太阳能和地源热泵联合与交替供暖运行特性进行了试验研究。图5太阳能- 地热能综合利用多功能热泵试验系统原理相互耦合的动态联合运行是指日间同时采用太阳能与土壤热作为热泵热源时的复合源热泵运行方式,集热器根据日照情况由控制条件来实现自动开停,而地下埋管侧在供暖运行期始终投入运行。试验中将埋管出口与蓄热水箱进口、蓄热水箱出口与蒸发器进口、蒸发器出口

17、与埋管进口进行连接,从而可构成太阳能- 地源双热源耦合联合运行模式。由于试验期间天气的多变性,实际有效测试时间为6天。图68给出了某典型日运行中各参数随运行时间的变化,表1给出了日间太阳能热源与地热源的承担比例。图6埋管与蓄热水箱进出口温度随运行时间变化图7埋管取热量、蓄热水箱放热量及蒸发器吸热量随运行时间变化图8系统COP随运行时间的变化分析图6、7可以看出,在早晨刚启动至1100左右,由于太阳辐射强度比较弱,水箱温度较低,因此埋管主要从土壤中取热(图2中表现为埋管出口温度大于进口温度) ,之后由于太阳辐射强度增加、水箱温度逐渐升高,埋管开始处于放热状态,到下午1650后又转变为吸热状态。由

18、此可看出,整个运行期间埋管的吸(放)热与水箱的蓄(放)热是一个相互耦合的动态过程,即埋管吸热越大,则蓄热水箱放热越小,而埋管吸热越小,则对应水箱放热越大,但两者之和比较稳定,且从能量平衡应该等于蒸发器的吸热量,这一点从图6中埋管进口与水箱出口温度之差及图7中蒸发器吸热量可以看出。从图67还可发现,地下埋管与太阳能(蓄热水箱)系统的耦合也使得地下土壤作为一个短期储热体,可自动地将日间富余太阳能通过U型埋管蓄存于土壤中,一方面可起到热源缓冲体作用,另一方面也减小了日间埋管从土壤中的净吸热量,从而更有利于夜间地源热泵运行。正如表1所示,日间蒸发器吸热量中,来自埋管的净吸热量只占3. 56% (2.

19、49MJ ) ,而蓄热水箱(来自太阳能)占86. 3% ( 60. 4MJ ) ,这意味着日间负荷主要由太阳能来承担,地热源只是作为一个热源缓冲体。若将夜间地源热泵从土壤中的取热量算入,则可进一步计算得出联合运行测试期内太阳能与地热能的平均热源分配比例为43.3% 50. 2%。进一步分析图8可以看出,运行期间系统COP随运行时间的总体变化趋势是在开始时低,随后由于太阳辐射增加,热泵进口温度逐渐增大,在15: 00 左右达最达值,然后又开始减小,其平均COP为2. 65,高于单独地源热泵系统时的2. 37。太阳能和地源热泵联合模式之三：交替运行。 交替运行是指在供暖周期内交替使用太阳能和土壤热

20、作为热泵热源的运行方式,该运行模式在考虑太阳能间歇性的同时为埋管周围土壤温度的恢复提供了缓冲时间,从而可提高运行效率。全天采暖的系统，交替运行可以采用昼夜交替。而对于仅日间或夜间采暖的系统，可以采用昼间或夜间热泵采暖，非采暖时间通过地埋管实现太阳能蓄热的采暖蓄热交替运行。昼夜交替运行模式主要是指夜间以土壤作热源,日间以太阳能作热源,并在此期间让埋管周围土壤温度自然恢复,其出发点在于及时恢复土壤温度以提高热泵的运行效率。东南大学的试验采用日间太阳能热泵运行14h、夜间地源热泵运行10h的交替运行方式。图9给出了连续两昼夜交替运行时埋管壁温度随时间的变化规律,图10示出了单位埋管吸热量随时间的变化

21、,图11给出系统COP随时间的变化。                                     图9 交替运行期间埋管壁温度随运行时间的变化图10单位埋管吸热量随运行时间的变化图11 系统COP随运行时间的变化分析图9可以看出

22、,昼夜交替运行时由于有了日间这段恢复时间,因此埋管壁温能够得到较大程度恢复,其恢复率达87% 90% ,从而有效地改善了夜间GSHP运行性能。正如图10、11 所示,其单位埋管吸热率与热泵COP相比连续运行时有了一定程度的提高。因此,昼夜交替运行模式对于昼夜均需供暖的建筑是一种可供选择的较好运行模式,至于具体的昼夜运行时间分配视情况而异,可根据太阳能状况，土壤温度恢复率，通过计算或试验来确定。采暖蓄热交替运行针对于仅昼间或夜间采暖的系统。采暖时间内运行地源热泵，休息时热泵停止运行，利用蓄热水箱进行太阳能蓄热，在休息时通过地埋管进行土壤蓄热恢复土壤温度。东南大学的试验采用日间运行地源热泵 10h

23、 (工作时间) ,并在此期间同时进行太阳能蓄热水箱蓄热,夜间则停止热泵运行,并利用蓄热水箱通过U型埋管进行太阳能补热14h(休息时间) 。试验结果见图1214,其中图8给出了不同深度处管壁温度随时间的变化,图13示出了单位埋管吸(放)热量随运行时间的变化,图14给出系统COP随运行时间的变化。分析图12可以看出,采用太阳能补热后近埋管壁土壤温度可以完全恢复到运行初始值,从而可为下一个周期地源热泵的运行提供热源储备。正如图13、14所示,采用太阳能补热后,其第二天地源热泵单位埋管吸热率及系统COP与前一天运行情况基本一致,这与昼夜交替运行中未补热情况(图10、11)相比,则意味着太阳能补热对改善地源热泵运行性能具有明显的效果。图12 不同深度处管壁温度随运行时间的变化图13 单位埋管吸热量随运行时间的变化图14 系统COP随运行时间的变化曲线经对测试期间试验数据分析可得,其日间埋管取热量为129. 69MJ , 夜间埋管补热量为77.64MJ,补热率为60%。这说明在以24h 为周期时,