太阳能热泵地板辐射供暖系统实验台的研制

太阳能热泵地板辐射供暖系统实验台的研制

1太阳能热泵供热技术地板辐射采暖系统主要通过辐射传播给房间和人体。在达到相同的热舒适度的条件下，供暖室内的空气温度比传统的热处理方法低2.3c，这可以减少热量和节约能源。此外，由于热板的高热量，供暖室内的稳定性也很好。为保证人体舒适感,冬季采暖时,地板辐射采暖系统的地面温度以24～28℃为宜,这就要求其热媒是低温热水,在常用的管径、管间距前提下,实际所需热水温度往往低于50℃。由于热媒水温较低,为利用太阳能,采用太阳能热水器作为热源创造了条件。但是,太阳能具有昼夜的间断性,同时还受天气等随机因素的强烈影响,是一种不稳定的能源,难以满足全天候供热的需要。要解决这一问题,一是要在系统中设置储热装置(通常采用储热水箱);二是必须设置辅助热源。从热力学或工作原理上说,热泵与制冷机是相同的,一台热泵或制冷机与周围环境在能量上的相互作用都是从低温热源吸热,然后放至高温热源,与此同时,按照热力学第二定律,压缩机消耗电功以起到补偿作用。不同的是,热泵的目的是为了获得高温(制热),是将环境温度作为低温热源;而制冷机的目的是为了获得低温(制冷),是将环境温度作为高温热源。热泵的热力经济性指标可由其制热系数εh表示,其是指其收益(制热量)与代价(压缩机输入功率)的比值。由于热泵的制热系数εh恒大于1,热泵技术可利用少量高品位的电能作为驱动能源,从低温热源高效吸取低品位热能,并将其传输给高温热源,以达到泵热的目的。在太阳能地板辐射采暖系统中,如果利用水源热泵机组作为太阳能热水器的辅助热源,将太阳能热水器与热泵机组的蒸发器通过储热水箱相连,形成太阳能-热泵系统,那么适当消耗少量电能,就可将流经太阳能热水器升温后的热媒水温度提升到地板辐射采暖系统需要的温度,解决了太阳能的间断性和不稳定性问题,利用了太阳能。与单纯采用电加热器或燃气热水器作为辅助热源相比,以热泵机组作为辅助热源具有独特的优势,它可以节省高品位的电能,减少化石类能源的消耗,减少环境的污染。而且,根据地板辐射供暖系统的要求,热泵机组冷凝器侧的热水供热温度一定;此时,热泵机组的制热系数εh随着蒸发器侧低温热源即储热水箱内热水温度的升高而升高。如果太阳能集热器的集热面积以及储热水箱的容积设计合理,那么就可以将储热水箱内热水的温度控制在一个合适的范围内,有利于提高热泵机组的制热系数,使得在同样的采暖负荷的情况下,可以进一步节约电能。另外,还可以利用房间地板热容量较大的特点,尽量减小储热水箱的体积。可以说,太阳能-热泵作为热源的地板辐射供暖系统是一种经济、高效的利用太阳能供暖的理想方式,具有节能、环保的重要意义。近些年来,将地板辐射供暖系统用于房间夏季供冷降温的研究也逐渐受到人们的重视。对于夏季不太炎热、较为干燥的地区,或仅要求一定程度降温的场合,可以考虑利用地板辐射供暖系统进行夏季供冷。这样一来,地板辐射供暖系统就可以同时实现冬季供热和夏季供冷,管路系统共用,冷热源使用同一热泵机组,设备投资会大幅减少;而且,还可以在夏季利用太阳能热水器提供生活热水。这无疑为太阳能-热泵地板辐射供暖系统开拓了更为广阔的应用前景。为了探寻太阳能热利用的有效方式,研究和开发适于民用的太阳能采暖技术,我们建立了太阳能-热泵地板辐射供暖系统实验台,并对此系统的冬季供暖效果展开实验研究,希望能够得到一些对此种系统的设计与运行管理有益的经验和结论。2储热水箱和热泵系统密度分析太阳能-热泵地板辐射供暖系统的工作原理如图1所示。太阳能-热泵地板辐射供暖系统由太阳能集热环路、热泵机组蒸发器侧环路、热泵机组冷凝器侧环路组成。集热环路的温差控制器可以很好地控制集热系统的运行。温差控制器的高温测点设置在太阳能集热器出口,低温测点设置在储热水箱的底部。当高温测点与低温测点的温差大于温差控制器所设定的启动温差时,温差控制器就启动集热环路循环水泵。在循环水泵的推动下,集热环路中的一级热媒水进入集热器并被加热,然后进入储热水箱中的换热盘管,将热量释放给储热水箱中的二级热媒水,使其温度上升,进行储热;同时,一级热媒水温下降,再次进入集热器中进行加热,构成一个循环。当在夜间或是阴雨天太阳辐射强度较小时,高温测点与低温测点的温差低于设定的停止温差,温差控制器就停止集热环路循环水泵的运行。此时,利用储热水箱中储存的热量向房间进行供热;当储热量不足,储热水箱中的二级热媒水温持续下降,降低到水箱温度设定值之下时,由温度控制器控制的电辅助加热器开启,向水箱提供能量,保证水箱温度始终维持在设定值水平,并满足房间供热的需要。温差控制器的启动温差和停止温差应当设置在一个合理的较小的范围之内,既可以尽可能多的利用太阳能,又避免系统的频繁启动。蒸发器侧循环水泵使二级热媒水在储热水箱与热泵蒸发器之间的管路中进行循环。蒸发器中的液态制冷剂与二级热媒水进行换热,吸收热量后,成为高温低压的过热气体,再经过压缩机压缩后变为高温高压的气体,然后通过冷凝器定压冷凝为高温高压的液体,再经节流阀绝热节流后变为低温低压液体,完成一个循环。制冷剂在冷凝器中放出气化潜热,并与冷凝器中的三级热媒水进行热交换,使三级热媒水被加热。温度升高后的三级热媒水由冷凝器侧循环水泵送入地板辐射采暖系统的加热盘管,向房间释放热量。地板辐射供暖系统可分为多个并联支路,以实现房间的分室温度调节。室温调节采用开/关控制方案,即在每一支路的回水管出口处均设置热电阀,由房间温度控制器控制。当室内空气温度超过设定的温度值时,房间温度控制器使热电阀关闭;反之,则使热电阀开启,以实现室内的温度控制。3实验设备3.1功率及制冷剂介绍热泵机组为活塞压缩式水-水热泵,压缩机额定功率2.2kW,制冷剂为R22。考虑到夏季供冷工况的需要,热泵机组的规模是根据其所负担的夏季冷负荷(包括试验用房间的冷负荷)而确定。3.2设计日集热量的确定太阳能集热器选用热管式真空管集热器。此种形式的太阳能集热器热效率高,防冻性能好,承压能力高,热容量小,启动快;在采暖初期和末期可以不用热泵机组而利用集热器实现直接供暖。同其它型式的太阳能集热器相比,热管式真空管集热器更适合于我们所设计的太阳能-热泵地板辐射供暖系统。在青岛地区,集热器的最佳安装倾角β等于52°。所需集热器面积按下式确定:Ac=Qc/(Ic,gη¯c)Ac=Qc/(Ιc,gη¯c)(1)式中Ac——太阳能集热器面积,m2Qc——热泵供暖所需的设计日集热量,kJ/dIc,g——正南朝向、安装倾角β为52°时,单位集热面积上平均日总太阳辐射量,ηkJ/(m2⋅d)kJ/(m2⋅d)c——太阳能集热器日平均集热效率设计日集热量不宜过大,否则太阳能集热器面积过大,设备投资过高。本实验系统的设计日集热量是根据采暖房间最冷月(1月)室外平均温度下热负荷而确定的。此温度值为-1.6℃。为满足此室外平均温度下采暖房间热负荷的需要,热泵机组日制热量为177060kJ/d。热泵机组制热设计工况(冷凝器侧供水温度50℃,蒸发器侧进水温度15℃)的制热系数为3.0。根据热泵机组日制热量及其制热系数εh,集热器设计日集热量确定为118040kJ/d。相应地,Ic,q为最冷月、正南朝向、安装倾角β等于52°的情况下,单位集热面积上平均日总太阳辐射量,其值为16803kJ/(m2·d)。η¯cη¯c为最冷月太阳能集热器平均日集热效率,其值为65%,其确定方法,详见5.2节。根据式(1)及上述各参数,计算出所需集热器集热面积为10.81m2。根据集热面积,选用六组1.8m×Ø70mm的10管式热管真空管太阳能集热器。集热环路的温度控制器选用SundraSteca智能温度控制器。集热环路循环水泵的启动温差设定为6℃,停止温差设定为3℃。3.3热水的利用高差水的比热大、热膨胀系数和粘滞性小,不存在性能稳定性问题,价格低廉,是比较合适的储热介质。储热水箱的容积决定于储热量以及水箱内热水的利用温差,由下式确定:V=Qs/[(ρc)wΔt](2)式中V——储热水箱体积,m3Qs——储热水箱的设计储热量,kJ(ρc)w——水的体积比热,kJ/(m3·℃),(ρc)w=4200KJ/(m3·℃)Δt——水箱内热水的利用温差,℃考虑到采用地板辐射采暖方式,地板层具有较强的储热能力,因此储热水箱的储热量不宜太大。本系统中,储热水箱的储热量确定为设计日集热量的2/3,即78693kJ。这样,如果冬季最冷月晴朗白天平均日照时数以8h计,那么储热水箱就能够在日照时间内储存采暖房间所需的其余16h的热量。因此,系统中储热水箱的作用主要是调整一天内房间内能量的供应和消耗之间的不平衡。至于阴雨天采暖房间所需的热量,将依靠辅助电加热器、热泵机组提供的热量以及地板层内的储热量来平衡。本系统中,热泵机组制热工况蒸发器侧最佳进水温度为15℃,储热水箱内热水的设计日平均温度也确定为15℃。所以,确定热水箱内热水的利用温差为10℃～20℃之间的10℃温差。当水箱内水温低于10℃时,启动辅助电加热器,保证水温维持10℃的水平。这样,根据式(2),储热水箱的有效容积最终确定为1.874m3。水箱内换热盘管为聚乙烯塑料管,外径为32mm,壁厚为2.5mm,导热系数为0.373W/(m2·℃)。盘管总长度为108.8m,换热面积为10.94m2。3.4地面供热盘管地板层的结构为:混凝土楼板上敷设20mm厚苯板保温层;其上敷设交联聚乙烯(PE-X)塑料管,外径Φ20mm,壁厚2mm;然后铺设60mm厚碎石混凝土,再做20mm厚水泥沙浆找平层。地板内供热盘管采用双螺旋型布置方式。盘管间距250mm,接近外墙的加热管距外墙距离100mm。盘管间距根据房间热负荷确定,篇幅所限,其具体计算方法详见参考文献。3.5热电阀的使用房间温控器选用DanfossRMT230型机械式拨盘房间温控器,控制精度±1℃。热电阀选用DanfossTWA-A型常闭式热电阀,当室内温度低于房间设定温度时,热电阀开启;当房间温度高于设定值时,热电阀关闭。为了避免某一支路上的热电阀关闭时水泵脱离正常工作区,在地板辐射采暖系统的供回水干管间设置一自动差压旁通阀,差压设定范围0.005～0.05MPa。4数据采集电能表及设置方法针对所设计的太阳能-热泵地板辐射供暖实验系统,进行连续运行的实验研究,考察采暖房间内的热力过程、太阳能集热器集热效率以及热泵机组的性能系数,对系统设计方案及其可行性作出评价,为进一步的经济技术比较研究做准备。运行期间为2005年2月22日～2月28日。测试参数包括室外空气温度和太阳辐射强度,室内空气温度,辐射地板表面平均温度,各围护结构内表面平均温度,热泵机组冷凝侧热媒水供回水温度、流量和向房间的供热量以及蒸发侧热媒水供回水温度、流量,储热水箱内热水温度,太阳能集热器集热量,热泵机组压缩机以及集热环路、蒸发器环路、冷凝器环路循环水泵的耗电量,电辅助加热器的耗电量等。室外空气温度,室内空气温度,辐射地板表面温度,各围护结构内表面温度的测量采用铜-铜(T)型热电偶,热泵机组冷凝侧与蒸发侧热媒水供回水温度以及储热水箱内热水温度的测量采用镍铬-康铜(E型)热电偶,精度等级Ⅱ级。热泵机组冷凝侧与蒸发侧热媒水流量的测量采用LWGY-15型涡轮流量传感器。太阳能集热器集热量与房间的供热量的测量采用DanfossM-CALCompact型热能表。太阳辐射强度采用依据热电效应原理工作的TBQ-2总辐射表来测量。上述温度传感器、流量传感器以及辐射表的正负接线分别连接到HP3470A型数据采集仪的各测量端子上,数据采集仪通过RS-232接口与计算机串行接口相连,在计算机上实现上述各测量信号的连续自动定时扫描、显示和存储。热泵机组压缩机的耗电量,集热环路、蒸发器环路、冷凝器环路循环水泵的耗电量以及电辅助加热器的耗电量,采用DF型集中式电能表来计量。电能表连续循环检测和显示上述各设备的用电量,可定时读取。5结果5.1辐射采暖舒适性分析实验期间室外空气温度如图2室外气温变化曲线,其平均值为1.3℃。室内空气温度见图2中室内气温变化曲线,平均值为19.6℃,最高值22.2℃,最低值16.1℃。采用以辐射传热为主要传热方式的辐射供暖时,人体受到地板表面以及其余围护结构内表面的热辐射,人体舒适度取决于辐射强度与室内空气温度的综合作用,评价室内舒适性不能如对流采暖时那样,仅以室内空气温度作为指标,因此引入作用温度的概念,以此来衡量室内环境的舒适性。在室内空气流速小于0.2m/s时,其作用温度t0:式中ta——室内空气温度,℃tr¯¯¯tr¯——房间各面围护结构内表面的面积加权平均温度,即平均辐射温度,℃tr¯¯¯=[∑(Aiti)]/(∑Ai)tr¯=[∑(Aiti)]/(∑Ai)(4)式中Ai——第i表面面积,m2t0——第i表面温度,℃室内作用温度见图2中室内作用温度变化曲线,平均值为20.7℃,最高值为23.3℃,最低值为17.0℃。其平均值比室内空气温度平均值高出1.1℃,体现出了辐射采暖舒适性好的优点。如前文所述,系统采用开/关运行调节方案,室内温度控制范围为18±2℃。在实际运行过程中,室内气温出现了超温现象,最高值为22.2℃,运行调节方案并不理想。出现这种情况的主要原因是地板辐射系统热惰性大,对室温的调节不敏感,当中午太阳辐射强度较高时,就会出现室温超过设计值的现象。更为合理的运行调节方案还需进一步进行实验研究。5.2太阳能集热器日平均效率的确定如式(1)所示,根据本系统的特点,集热器的面积是根据设计日集热量、最冷月平均日总太阳辐射量以及最冷月太阳能集热器日平均集热效率而确定的。因此,本文的目的是从系统设计的角度出发,研究在系统设计过程中确定集热器集热效率的方法,从而再进一步确定太阳能集能器的日平均效率。影响集热器集热效率的因素很多,除集热器本身的结构特性外,还包括集热器内传热流体的流动特性和传热特性,以及集热器内传热流体的进口温度、环境温度、太阳辐射强度等各项因素。在进行系统设计时,集热器的结构特性已经确定(集热器型式规格已经选定),流经集热器的热媒水流量也已经确定(根据所选集热器对热媒水流量的要求而定)。在此基础上,根据热管式真空太阳能集热器的特点,集热器效率公式可以简化为集热器入口热媒水温度、环境温度以及太阳辐射强度的线性方程。根据此方程确定集热器日平均效率,将每天集热时间内(8∶00～16∶00)集热器进口热媒水平均温度t¯cit¯ci、室外平均温度t¯outt¯out以及日平均太阳辐射强度I¯cΙ¯c代入此方程,得到集热器日平均效率方程:η¯c=A−B[(t¯c,i−t¯out)/I¯c]η¯c=A-B[(t¯c,i-t¯out)/Ι¯c](5)式中A、B——集热器性能常数t¯c,it¯c,i——集热器入口热媒水温度,℃t¯outt¯out——集热器入口环境温度,℃I¯cΙ¯c——日平均太阳辐射强度,W/m2将实验期间的实验数据系列η¯cη¯c、t¯c,it¯c,i、t¯outt¯out和I¯cΙ¯c,根据式(5)进行线性回归,得到本系统所选用的热管式真空管太阳能集热器的日均集热效率方程:η¯c=0.75−2.70(t¯c,i−t¯out)/I¯cη¯c=0.75-2.70(t¯c,i-t¯out)/Ι¯c(相关系数0.89)(6)集热器入口热媒水日均设计温度t¯c,it¯c,i取20℃,高出储热水箱内日均设计水温5℃;最冷月室外平均温度t¯outt¯out为-1.6℃;最冷月日平均太阳辐射强度I¯cΙ¯c为583W/m2(日照时数按8h计)。将上述各参数代入式(6),集热器的日平均效率确定为65%。测试时,单位面积集热器所对应的集热环路热媒水流量为0.020L/(s·m2)。实验期间集热器的日平均效率:式中Qu——太阳能集热器日间累积集热量,kW,由集热环路上的热量表测量Ic(τ)——τ时刻的太阳辐射强度,W/m2,由辐射表测量τ1、τ2——辐射