青海地区太阳能地下水源热泵复合系统供热特性研究 (1)

1、 供 热 、 供 燃 气 、 通风 及空调 工 程城 建学 院 ： 珿 型 。 通过 对 集热 系统 的监 测及数据计 算 ， 得 出 了 该 系统 的太 阳能 保证 率。 由此 所运 行 模式 进行 跟踪监 测， 详细 分 析了 系统 在不同 工 况 下 的运 行 特性。最 后 ， 对 太 阳能水 源热 泵复合 供 暖系统 的经 济性和 节 能环 保效益进行 分 析。从 系统 初 投 资 进行 计算 分 析， 对 比了 太 阳能地 下 水 源热 泵系统 、天然气 壁 挂 炉、燃 煤锅炉几 种 当地 常见 供 热 系统 的运 行 费 用和 环 保效益， 最 终 证 明了 这种 系统 在青海地

2、区 具 有良 好 的适 用性 和 推 广 价值。 瑆 甌 瑃 ， 甌 ； 目 目第 滦 髀邸 系统 的运 行 模式 一 集热 系统 设 计 ： 地 下 水 源热 泵系统 设 计 本 章 小结 本 章 小结 结 论 与展望致谢 一参 考文 献作 者简介 及攻 读硕士 学 位 期间 发 表 的论 文 人类的生 存 需要 以能 源为 基 础 ， 人类社会的进步 更 以消 耗能源为 代 价， 能源对 人类和 人类社会有着 极其重 要 的作 用。 我国 煤炭 资 源存 储量 和 开 采 量 都 比较 丰富， 且 煤炭 利 用历 史 比较 悠 久， 因此 ， 煤炭 是 我国 主 要 消 耗的能 源。 根

3、据相 关 数据统 计， 在我国 能源生 产 结 构中 煤炭 占据了 ， 其占到 能源消 费 总 量 的 【 。北方 的冬季 比较 寒 冷， 持 续 时 间 比较 长， 为 了 维 持 室 内环 境 的舒 适 度 ， 需要在冬季 进行 供 暖， 而供 热 锅炉房 或者热 电 厂 是 主 要 的热 源。 我国 北方 地 区 冬季 供暖热 源主 要 是 供 热 锅炉房 或热 电 厂 ， 大 部 分 的热 电 厂 和 供 热 锅炉房 的燃 料以煤为主 。 但 是 煤燃 烧 释放化 学 能的同 时 ， 会严重 污 染地 球环 境 ， 且 煤炭 的利 用率比较低， 因而会造 成 资 源的浪费 。 并 且

4、， 随着 改革开 放和 经 济 的高 速 发 展， 我国 人民的生 活相 对 于 以前 有了 较 大 的提 升， 为 了 满足 居民 对 居住 环 境 的热 舒 适 性 需求 的不断 提 升， 需要 相 应 的提 升供 热 质 量 要 求 。 此 外， 由于 随着 大 家 对 生 活环 境 的要求 不断 提 高 ， 同 时 也 需要 满足 市 容需求 ， 现 在在我国 的城 市 中 心和 相 应 的繁 华 地段 ， 使 用区 域 锅炉房 提 供 热 源的做法 已 经 不太 现 实 。 因此 在我国 北方 地 区 ， 怎样更 好 的进行 供 暖， 使 用什 么方 法 来 产 生 热 源的问 题

5、已 经 引 起了 人们 思 索和 重视。热 泵技 术 包 含 了 土 壤 源热 泵、 水 源热 泵和 空气 源热 泵。 而地 下 水 源热 泵由于自 身的原 因， 对 使 用环 境 有着 自 身的地 理 需求 。 地 下 水 源热 泵需要 和 水 进行 换热 ，传 递 热 量 ， 因此 要 求 使 用地 的地 下 水 较 多 ， 同 时 为 了 更 方 便的使 用热 泵技 术 ， 还需另 外满足 使 用地 的地 下 水 资 源水 位 不能很 高 ， 且 容易进行 开 采 和 使 用的条 件 。水 源热 泵较 燃 煤锅炉获 取 热 源的方 法 有着 自 身的优点， 由于 热 源从 地 下 水 中

6、 获 取 ，不需要 燃 烧 化 石 燃 料， 因而能 耗较 低， 对 大 气 的污 染也 较 小， 此 外系统 本 身性 能比较 稳定。 正 是 由于 系统 本 身的这些 优点， 水 源热 泵的使 用越 来 越 受 到 人们 的重视。 我国 北方 地 下 水 资 源的蕴 含 量 比较 多 ， 水 温常年 保持 在 的范 围内。 且同 于 地 理 位 置的原 因， 北方 地 下 水 的水 位 比较 浅， 可以比较 容易的进行 开 采 和 使用。 基 于 以上 的这些 特 点， 水 源热 泵在北方 被 推 广 和 使 用有着 比较 好 的先 天 性 因素 。 但 是 在北方 ， 热 泵的使 用以冬

7、季 供 暖为 主 。 而热 泵长时 间 在冬天 运 行 ， 有可 倘 若 将 其与太 阳能 系统 相 结 合 ， 使 用两 种 方 式 共 同 运 行 ， 则 不但 可以解 决水源热 泵效率比较 地 下 的问 题 ， 而且 又能解 决由于 太 阳能本 身具 有的不稳定性 。随着 对 两 者相 结 合 的系统 理 论 分 析的不断 深 化 和 相 关 实 验研 究的不断 深 入 ， 目 前 ，成 功 太 阳能 一地 下 水 源热 额 泵在我国 很 多 的地 方 都 已 经 存 在。 这些 成 功 的案例 丰富了 太 阳能 和 地 源热 泵技 术 相 结 合 的经 验。 但 技 术 的成 熟 应

8、用并 不能 代 表 其能 普遍 使 用， 为 了 防 止盲 目 采 取这种 方 法 产 生 的浪费 ， 同 时 也 为 了 最 大 可能的节 能，不同 地 区 不同 建筑 需要 经 过 分 析才能 判断 是 否 可以采 用这种 技 术 。 本 课题 主 要 结合 青海地 区 特点分 析太 阳能地 下 水 源热 泵系统 在该 地 区 的节 能性及应 用前 景 。利 用太 阳能 进行 日 常生 活、 生 产 对 社会有着 非 常重 要 的作 用。开 发 利 用能 源的过 程 中 ， 使 用化 石 燃 料的时 期不是 太 长， 这些 化 石 能源再 次 生 成的时 间 太 长， 人类使 用的速 度

9、过 快， 化 石 能源最 终 会用完 。 而相 比之 下 ， 太 阳能资 源则 有众多 优点： 取 之 不尽， 用之 不竭 ， 使 用范 围广 泛 ， 理 论 上 只要 有太 阳的地 方 ， 就 有使 用的可能 。 可再 生 能源最 终 会代 替 化 石 能源， 为 未 来 人类的生 产 和生 活提 供 能量 。 主 要 原 因是 温室 气 体 拇罅 可 桑 鳦 是 人类在日 常生 活和 生 产 中 燃 烧 化方 法 来 实 现 。 根 据最 新 资 料可知， 全球平 均气 温在刚刚过 去 的一个 多 世 纪 中 上 升了 至 ， 全球海 平 面 在同 一时 期平 均上 升了 至 。 如 果任

10、由发 展，则 在未 来 几 十 年 内， 全球平 均温度 每 十 年 将 升高 ， 这一后 果很 可能 造 成 陆地面 积 较 小、 生 物物质 减 少 、 人类疾 病 增 多 等 一系列及其可怕 的后 果。 因此 ， 很 有必 要 使 用包 括 太 阳能 在内的可再 生 资 源以减 少 化 石 能源的使 用， 最 终 实 现 地 球生态 环 境 的保护 ， 让经 济 社会得 到 可持 续 发 展。 课题 的国 内外发 展现 状 在于 地 下 水 源热 泵系统 中 应用板 式 换热 器 时 ， 研 究板 式 换热 器 的性 能特性。口 自 流 回 灌 井， 承 担 单 位 是 广 东国 得 空

11、调 冷冻 工 业有限 公司：量 包括 由于 燃 煤的取 消 ， 利用原 有煤厂 、渣 厂 的位 置拟 建了 一栋 的办 公楼 ， 取 满足 生 活需要 的热 水 ， 太 阳能 的使 用可以节 约 常规能 源。 因此 ， 政 府不但 在政策 上 支持 和 鼓 励研 发 太 阳能， 而且 从 经 济上 奖 励太 阳能热 水 器 工 业和 相 关的用户 。联合 国 的专 家 小组 在 年 举行 的联合 国 新 能源大 会的筹备会上 ， 对 未 来 发 展太目 前 ， 侨 蜃 畲 笃 桨 逄 裟 芗 尤 茸 爸 蒙 挥 诘 蟮 腁 岛上 的 有 的销 售 类型 为 平 板 型 ， 平 板 型 具 有构

12、造 比较 简单 、 能效高 等 优点， 但 由于受 制 造 技 术 的限 制 ， 其保温性 能不够优越 ， 这一因素 限 制 了 其未 来 的发 展前 景 ，但 是 随着 科 技 的快速 发 展， 一些 新 材 料和 新 工 艺相 继 出 现 ， 我们 可以对 其改进；其余 的 为 真空管式 ， 真空管式 的发 展比较 受 到 人们 的看 好 ， 但 是 这种 类型 本身也 存 在着 严重 的缺点和 不足 。 多 万栋 太 阳能 商品住 宅在 年 底前 于 日 本 、 西 欧和 北欧等 地 建成 。 倘 若 将 发 展 课题 研 究的主 要 内容本 文 主 要 对 太 阳能 地 下 水 源热

13、泵复合 系统 供 热 特 性 进行 研 究， 并 解 决太 阳能水 源热 泵结 合 后 如 何 提 升其利 用性 能， 以及采 用不同 运 行 模式 供 暖的相 关问题 ，并 在此 基 础 上 结 和 工 程 实 例 进行 分 析。 具 体 研 究内容如 下 ： 岢 鎏 裟 艿 叵 滤 慈 缺酶 春舷 低车 种 运 行 模式 。 再 逐 一介 绍 了 太 阳能 太 阳能 地 下 水 源热 泵复合 系统 系统 的结 构组 成 和 工 作 原 理 塑们 称 热 泵是 能源综 合 利 用中 很 有价值的节 能装置。 太 阳能 采 暖系统 可分 为 主 动 式 太 阳能 采 暖系统 和 被 动 式 采

14、 暖系统 两 大 类， 本 文主 要 是 讨 论 主 动 式 太 阳能 采 暖系统 。 主 动 式 太 阳能 采 暖系统 是 以一种 能控制 的方间 没 有太 阳能 所 造 成 的困难， 就 需要 配 备必 要 的储能 设 置， 以便白天 把太 阳能 收 流 程 ， 从 而可实 现 多 种 运 行 工 况 。 集热垂如 图 太 阳能 水 源热 泵交 替 运 行 模式 原 理 图 太 阳辐 射 的计 算表 面 太 阳辐 射 量 的数值 。式 中 !NS纱 悍 秩 账 闫 鸬牡 赿 天。 一 太 阳视圆 面 中 心出 没地 平 线瞬间 的时 角， 叫 做日 出 、日 没时 角， 亦 即太 阳高 蕇

15、 三 日 出 日 没的方 位 角日 出 、 日 没 时 ， 太 阳高 度 角 ， 即有 。 籹 。 将 代 入 ， 则 相 应 的计 算 结 果如 下 ： 太 阳入 射 角 猚 妒 。 太 阳辐 射 强 度的计算 为 日 地 距 离 变化 引 起大 气 上 界太 阳辐 照度变化 的修正 值，己一为 大 气 透 明度 ， 无因次 。时 一为 太阳高 度角； 、 为 经 验常数， 和 的数值取 决于 大 气 透 明度 。 倾斜 平 面 上 太 阳总 辐 射地 面 反 射 辐 照度。 【 】 ， 即： 厶 。 厶 器 地 面 反 射 辐 射 也 可认为 是 各 向同 性的， 所以倾斜 面 上 地 面

16、 反 射 辐 照度 可用下平 板集热 器 、真空管集热 器 、聚光 太 阳能集热 器 、空气 太 阳能集热 器 四 种 。 全玻 璃 真空管集热 器 的传 热 计算 投 射 到 集热 管上 的总 太 阳辐 照量 V狈 涠约 裙 艿 娜 肷浣 即为 阳光 入 射 线在集热 管横截面 上 的 广 一为 光 带 对 集热 管的辐 射 角系数， 为 外玻 璃 管直径 ； 将 式 、式 、式 分 别 代 入 式 ， 整 理 后 可得 ：所 以， 投 射 到 单 根 集热 管上 的总 太 阳辐 照度 为 ： 式 中 为 外管的表 面 积 ； !N 裙 芏 曰肪车亩 粤 骰蝗认凳 琖 ； 为 外管表 面 温

17、度， 要 实 现 贮存 热 量 的增 加 ， 可以利 用以下 途 径 ： 增 加 贮存 介 质 的比热 、或者提高 参 与贮存 的介 质 质 量 、 也 可以扩大 其初 始温度 差 。 一蓄热 水 箱的散热 面 积 ， 一蓄热 水 箱的温度和 环 境温度 。 讹 籉 籺式 中 卜一集热 器 控制 函数， 丢 艘籷 蓄热 水 箱内水 的温度；对 蓄 热 水 箱列能 量 平 衡方 程 为 ： 集热 器 玻 璃 管内液体出 温度对 热 泵机 组 列能 量 平 衡方 程 口 【 颉 坏 虎 鬉 百 】。 胍煌摺 期 本 章 小结 工 程 概 况 及设 计要 求 蝗照帐 笔 小时 ； 属于 太 阳能较

18、丰 富区 。 一年 四 季中 ， 冬季 总 辐 射 最 少 最 小值出 现 在 月 ， 为 ， 夏 季 最 多 ， 春季多 于 秋季 。 地 区 年 总 辐 射 相 对 稳定， 而且 稳定性 最 好 的地 区 对 应总 辐 射 最 多 的地区 ， 表 现 出 “愈 多 愈 稳” 的分 布 特点。 地 区 属于 太 阳能 资 源较 丰 富区 。 具 有较 高的利图 西 北地 区 太 阳能 资 源空间 分 布 一方 面 ， 太 阳能 供 暖系统 的优点是 充 分 利用可再 生 能源， 一次 性能源使 用率最 低 诵 蟹延 玫 ， 不足 方 面 ： 但 由于 受 气 候 影响因素 ， 每 年 都 有

19、 次 总 计 天 左 右时 间 室 内温度 满足 不了 要 求 ， 影响供 暖效 果使 太 阳能 供 暖的应用受 到 很 大 的影响。 受 场 地 条 件 限 制 没 有足 够的面 积 安装太 阳能 集热 板 ， 相应地 初 投 资 较 高 。 层 人工 填土 钪 ： 土 黄色 灰黑 色， 上 部 有 左 右的沥青路 面 ，松散， 稍 湿 ， 层 厚 甇 祝 骄 穸 萇 米。松散， 欠 固结 。 层 厚 叽 ， 平 均厚 度 。 判定其密实 度为 稍 密。 该 层 未 穿 透 ， 控制 厚 度 米。小区 内的浅部 地 质 水 文 地 质 情况 为 ： 第 四 系厚 度 米， 岩性 自 上 而下

20、 为 ：杂 填土 ， 粉 砂 土 、 砾 石 、 卵 砾 石 。 米以下 为 第 三 系紫红色泥 岩。 小区 内主 要 缕 骄 彝 馄 拢 妫 籋 凰 矫嫣 裟 茏芊 湓 缕 骄 辗 樟浚 琈 ； 一月 日 照小时 数， 籏 大 气 晴 朗 指数。 建筑 负荷 计 算 入 的冷空气 而消 耗的热 量 。当室 内温度 比室 外温度 高 时 ， 就 会通过 围护 结 构向 外传 递 热 量 ， 这部 分 热 量就 被 称 为 围护 结 构传 热 耗热 量 。 通常在工 程 设 计 的实 际案例 中 ， 在计 算 供 热 系统设 计热 负荷 时 ， 一般 计算 围护 结 构基 本 传 热 量 以及附

21、 加 传 热 量 两 个 部 分 。 !J夷 谖 峁 瓜嘤 认凳 齕 】 ；瓦 ， 瓦 室 内及室 外采 暖设 计温度 。 痬 煌 獯埃 簁 痬 煌 馇 剑 簁 痬 ； 地 面 ： 九 乙灰大 冻 土 深 度： ； 围护 结 构平 均传 热 系数： ： 痬 妫 宦 澹簁 地 面 ： 乙 在我国 目 前 应 用较 多 的太 阳能 集热 器 主 要 是 平 板 式 集热 器 和 真空管式 集热 痗 坏稹式 中 一为 直接系统 集热 器 总 面 积 ， ； 。 一为 基 于 总 面 积 的集热 器 平 均集热 效率， ；代 入 公式 计 算 则 有 太 阳能 储水 箱的容积 一般 是 根 据太 阳集

22、热 器 面 积 选 配 ； 若 水 箱容积 配 比过 大 ， 河 北工 程 大 学 硕士 学 位 论 文地 下 水 换热 系统 浅层 地 热 能计 算 公式 为 ： 水 的密度 痬 根 据当地 的地 下 水 平 均温度 ， 取 可利 用的温差 为 则 有最 大 地 下 水 循 环 需水 量 为 ： ， 一径 机 房 内核 心设 备是 水 源热 泵机 组 ， 水 源热 泵机 组 的选 型跟地 下 水 的温度 以及可满足 热 负荷 的需要 。 叵 滤 肴缺没 檠 吩 砑 图 水 源热 泵机 组 换热 原 理 图水 源热 泵机 组 技 术 参 数表 ， 根 据不同 的空调 末 端 形 式 选择热 泵

23、机 房 主 要 集热 系统 得 热 量 ； 系统 常规热 源耗能 量 ； 采 暖房 间 室 内温度 ； 集热 系统 效率； 太 阳能 保证 率。所有测试 仪 器 包括 温度 自 记 仪 、风杯 式 风速 仪 、钢卷尺 、温度 测量 系统 、超表 主 要 检测设 备一览表 量 计， 在集热 循环 进、 回 水 管上 分 别 安装温度 传 感器 ， 与流 量 计结 合 测量 集热 系及供 回 水 温度 。用于 测量 管路 的超 声 波流 量 计 丁 采 暖供 回 水 温差 ， 。 集热 系统 效率检测方 法 及数据处理 图 用于 记 录 太 阳辐 照量 的总 辐 射 表式 中 ： 集热 系统 效率

24、， ； 一一测试 期内太 阳能 集热 系统 的有用得 热 量 ， ；彳 一一太 阳能 集热 器 采 光 面 积 ， ； 采 暖季 工 况 太 阳能 保证 率用下 式 计 算 ： 系统 常规热 源耗能 量 用下 式 计 算所 以， 系统 应 提 供 给用户 的热 量 表 室 内日 平 均温度 检测结 果 复合 系统 运 行 特性研 究热 泵系统 、室 内循 环 系统 、地 下 水 热 交 换系统 。 太 阳能 集热 器 系统 采 用全玻 璃 真空管式 集热 器 ， 将 水 箱中 的水 加 热 。 采 用温差 强 迫 循 环 方 式 ， 当太 阳能 集热 模块中 的水 温高 于 水 箱低部 温度

25、度 缮 瓒 时 ， 水 泵循 环 ， 将 集热 模块 中 被 太阳能 加 热 的水 打 入 水 箱， 如 此 反 复循 环 加 热 水 箱中 的水 。 图 是 工 程 项目中 的全玻 璃 真空管太 阳能 集热 器 。 图 系统 温度 监 测图 图 通过 实 验实 测， 采 集不同 运 行 模式 下 的室 内温度 及热 源的温度 变 化 ， 得 出 青海乐 都 地 区 太 阳能 集热 器 得 热 实 时 值， 及需要 热 泵机 组 补充 的热 量 ， 确定了 最 佳的运 行 模式 。 ： ： ： ： ： 表 低沉髁 考觳 馐 菟 渌 陨希 韵 鹿 时 间 保第 二天 能继 续 使 用， 晚 上

26、宜 采 用地 下 水 源热 泵供 暖。 时 间 ： ： ： ： ： ： ： ： 水 箱温度 温度 月 日 室 内温度 、 水 箱温度 及太 阳能 集热 器 出 水 温度 曲 线 表 系统 温度 检测数据水 箱水 温 。 陨希 以下 工 况 根 据数据监 测可以看 出 ， 由于 机 组 启动 即使 能效比高 ， 比单 独 使 用水 源热 泵节 能。 此 种 方 案是 在上 一种 方 案连 续 使 用温度 下 降 的情况 下 ， 适 用于 短期阴 雨 天 。 是 水 箱和 集热 器 之 间 ， 另 一路 在水 箱和 机 组 蒸发 器 之 间 。 一路 是 加 热 ， 另 一路 是去热 。 而水 箱

27、水 温的平 衡要 取决于 太 阳辐 照度 、室 外温度 、管路 热 损、水 箱保温材 料等 因素 。 白天 水 箱水 充 当热 泵机 组 低位 热 源， 夜间 由于 没有集热 系统 加 热 ，水 箱水 温下 降 ， 当下 降 至 接近 地 下 水 温时 ， 采 用地 下 水 源热 泵供 暖。 此 时 ， 井水温度 为 蒸发 器 进水 温度 。图 系统 交 替 运 行 模式 一些 温度 变 化 本 章 小结 素， 因此 分 析太 阳能 水 源热 泵供 暖系统 的经 济性还 是 很 有必 要 。 还 需要 与其他供暖系统 相 比较 ， 通过 对 比分 析确定使 用太 阳能 水 源热 泵进行 系统

28、供 暖的经 济可行在进行 经 济性分 析时 ， 涉 及到 的费 用主 要 有初 期投 资 和 年 运 行 费 用。 初 期投资 包含 着土 建费 、设 备购 买 费 、相 关的安装费 用和 其他费 用， 例 如 设 计费 、监 理费 和 其他不可预 见 的费 用等 等 ， 主 要 是 刚开 始时 系统 各 部 分 投 资 的总 值。 年 运 行费 用包 含 了 系统 所有部 分 的运 行 费 用， 例 如 ， 水 费 、电 费 、材 料费 、排 污 费 、管理 费 、 工 质 费 、 工 作 人员工 资 及设 备维 修等 等 也 包 含 在内。 系统 环 境 效益评 估 监 测需要 获 得 如 下 参 数： 系统 节 能量 ； 太 阳能 保证 率。由于 不同 能源的单 位 质 量 含 碳量 是 不相