太阳能+地源热泵并联热水系统冬季运行特性测试

冬季太阳能热水系统的运行情况

 

  5 分别为两个测试阶段太阳能热水温升与当天太阳能辐照量的关系。可以看出, 太阳能热水的温升幅度随太阳能辐照量的增大而增大。两个测试阶段平均每天太阳能辐照量分别为11.5 M J/(m2 · d)和10 .1 MJ/(m2 · d),属于较低水平, 使得太阳能热水系统在循环一天后, 热水温升幅度保持在8 ～ 18 ℃。

 

  第一阶段和第二阶段记录的白天平均气温和太阳能下水温度变化图。其中太阳能下水温度指的是太阳能热水系统循环一天后(06:00— 18:00)被加热水的温度。

 

  可以看出, 太阳能下水温度变化与室外温度变化基本一致。

 

  第一阶段平均气温为22 ℃, 太阳能下水温度保持在35 ℃左右;第二阶段平均气温为13 ℃, 太阳能下水温度保持在25 ℃左右。从图6, 7 可以明显看出, 测试期间太阳能系统循环一天以后, 水温最高达38 ℃, 无法达到生活热水的标准, 不能直接提供给学生使用。图4 ～ 7 说明在太阳能辐照量不足、环境温度较低的冬季, 仅依靠太阳能无法把热水加热到50 ℃, 须开启辅助加热系统。

 

  太阳能+地源热泵整体系统的运行特性

 

  性能系数COP 只作为描述机组的效率指标, 定义太阳能+地源热泵整套系统的效率E , 其计算公式为E = 整套系统的输出功率整套系统的输入功率(1)

 

  第一阶段地源热泵机组的性能系数保持在4.5 左右, 系统整体的换热效率平均在10.0 左右,有时高达16 .0 , 这说明在晚秋刚入冬时期, 太阳能对系统图8 第一阶段系统制热效率变化热水温度的提升的贡献较地源热泵系统的大, 因此, 此阶段宜采用太阳能为主、地源热泵为辅的运行模式。由图9 可以看出, 第二阶段地源热泵机组的性能系数保持在3.0 左右, 系统整体的换热效率不高, 平均在5.0 左右, 有时下降到4 .0 左右, 这说明太阳能对系统热水温度提升的贡献较地源热泵系统的小, 因此, 此阶段宜采用太阳能为辅、地源热泵为主的运行模式或完全采用地源热泵的运行模式。

 

  地源热泵地埋管换热器运行特性分析

 

  冷水进、出水温度变化情况分别是2007 年11 月15 日和2007 年12 月29 日地源热泵连续运行3 h 后地下冷水进、出水温度变化曲线。

 

  系统刚启动时, 由于土壤的热惰性, 土壤向地埋管换热器的传热率小于冷水向热泵机组的传热率, 地埋管换热器内冷水进、出水温度均在下降。随着冷水温度的下降, 土壤与冷水的温差加大, 土壤向冷水的传热量也随之加大, 当土壤向冷水的传热量等于冷水向机组蒸发器的传热量时, 冷水的进、出水温度就会保持相对稳定。从图10 , 11 可以看出, 系统运行60 min 以后, 冷水进、出水温度基本保持稳定, 图10 的进、出水温度保持在10 ～ 14 ℃, 图11 的进、出水温度保持在5～ 11 ℃ 。系统运行稳定后, 图10 进、出水温度比图11 的高, 其原因主要是第一阶段采用太阳能为主、地源热泵为辅的运行模式, 地源热泵日均运行时间较短, 地埋管换热器周围土壤温度场恢复较好, 而第二阶段采用太阳能为辅、地源热泵为主的运行模式, 地源热泵日均运行时间长, 地埋管换热器周围土壤温度场恢复较差。图11说明广州地区地源热泵在冬季运行时, 地埋管换热器冷水温度始终保持在0 ℃以上, 因此, 在广州地区全年使用地源热泵系统均可以不用添加防冻剂。

 

  地埋管换热器周围土壤温度场为了测试地埋管换热器吸收热量对周围土壤温度场的影响, 在11#井东、南、西、北四个方向上, 距换热井中心距离为0.6, 1.2, 2 .0 m , 深度为5 , 10 m 处埋设热电阻探头,如图12 所示。图中黑色实心圆圈代表埋地pt100 型热电阻探头, 测量误差为±0 .5 ℃。  图13 , 14 分别为两个阶段11 #井地埋管换热器周围土壤温度场的变化曲线。由于地层结构的复杂性以及地下水渗流状况的存在, 不同深度的温度值略有不同, 故取换热井周围四个方向上, 与换热井中心线距离相同且与深度相同的4 个点的平均温度, 比如与换热井中心的距离为1.2m 、埋深为5 m 的点的温度就等于换热井东、南、西、北四个方向上, 距换热井中心距离为1 .2 m 、埋深为5 m 的点的温度平均值, 并记为1 .2 m-5 m 处温度。在记录图13 和图14的数据时, 11 #井地埋管换热器里面循环冷水的流量为0 .

 

  1 L/ s。记录图13 中的数据时, 地源热泵机组的平均启停时间比为1 ∶2。图13 显示, 0.6 m-5 m 处的温度始终保持在24 ℃, 0 .6 m-10 m 处的温度始终保持在18 ℃, 1 .2 m-5m 处的温度始终保持在23 ℃, 1.2 m-10 m 处的温度始终保持在22 ℃, 从此阶段的数据看, 设置热电阻探头的点的温度没有发生变化, 说明此阶段地埋管换热器的热辐射半径不超过0 .6m 。这是由于机组日均运行时间较短, 停       机时间较长, 地下温度场恢复较好。记录图14 中的数据时, 地源热泵机组的平均启停时间比为2 ∶1 。图14 显示, 地埋管换热器1 .2 m-5 m 处的温度始终保持在23 ℃, 1 .2 m-10m 处的温度始终保持在22 ℃, 说明此阶段地埋管换热器的热辐射半径没有超出1 .2 m ;0.6 m-5 m 处的温度初始阶段保持在23 ℃, 系统运行至第5 天时, 下降到22 ℃, 说明地埋管换热器在5 m 深处的热辐射半径已经超出0 .6 m ;0.6 m-10 m 处的温度初始阶段保持在18 ℃, 系统运行至第7 天时, 下降到17 ℃, 由此可以看出由于地层结构的复杂性, 各地层热物性参数的不同以及地下渗流的存在, 使得地埋管换热器在不同深度的热辐射半径不同, 但运行到第7 天时热辐射半径已经超过了0.6 m 。这是由于地源热泵在冬季为主热源, 机组运行时间较长, 停机时间较短, 地下温度场恢复不充分所造成的。由于地下温度场得失热量不平衡会引起地源热泵系统运行性能的不稳定性, 因此建议冬季热泵机组运行时, 启停时间比应不大于1 ∶1 。考虑到地源热泵启动时间的减少会影响系统的制热量, 因此地源热泵系统在设计时应保证足够的富余量, 使系统满足冬季的能量需求。

 

  太阳能热水系统在太阳能辐照量不足、环境温度较低的冬季, 无法满足加热生活热水的需求, 而建成的太阳能+地源热泵并联热水系统不但在冬季可以满足学生公寓对生活热水的需求, 而且系统的换热效率均值达4 .0以上。

 

  太阳能+地源热泵并联热水系统在冬季初期, 可采用太阳能为主、地源热泵为辅的运行模式;随着天气逐渐变冷, 应采用地源热泵为主、太阳能为辅, 或完全采用地源热泵为系统制热的运行模式。

 

  在广州地区使用地源热泵系统, 冬季运行时, 由于地埋管换热器的冷水温度始终保持在0 ℃以上, 因此地下循环冷水无需添加防冻剂。

 

  为了保持地下温度场的平衡, 地源热泵系统的设计中应保证足够的富余量, 使系统满足冬季的热量需求。

 

  所设计的地源热泵系统在冬季运行时, 地埋管换热器的单位长度热流量可达60 W/ m 以上, 冬季依然可能保证正常的热水供应, 因此地源热泵系统在此类地区的应用前景非常看好。