太阳能+地源热泵并联热水系统的应用实验

  0 引言

 

  太阳能+地源热泵混合热水系统将地源热泵与太阳能结合在一起, 既可以克服热泵长期运行造成地下土壤温度的降低(或升高), 给土壤温度场一个恢复期, 并且可以减小地埋管换热器的埋地深度和占地面积;又可以避免太阳能受天气、季节、日照时间以及昼夜变化的影响, 实现连续供暖和供应生活热水。

 

  目前, 我国已有部分学者对太阳能热泵系统进行了理论和模拟研究[ 1-2] , 然而, 针对工程上太阳能+地源热泵混合热水系统运行特性的研究并不多见, 因此, 为了更好地推广太阳能+地源热泵混合热水系统, 有必要对结合实际工程应用的太阳能+地源热泵混合系统运行特性进行研究,为其优化设计提供实验支持。

 

  1.1 太阳能+地源热泵并联热水系统实验平台

 

  笔者对原有太阳能+燃油锅炉热水系统进行改造, 建立了可同时为384 名学生提供生活热水的太阳能+地源热泵并联热水系统实验平台。

 

  广东工业大学某学生公寓常年居住学生约384 名, 按每天人均需热水45 L 计, 一天所需热水约18 t ;由于自来水温度与空气温度近似相等, 气象局的资料显示, 广州地区年平均气温约为22 ℃, 取年平均温度作为自来水的温度,所需热水的温度为50 ℃, 故每天热负荷为2 116.8 MJ。

 

  原有太阳能集热板的面积为160 m2 , 正南朝向, 倾角为45°;地源热泵系统中, 热泵机组功率为8 .2 kW ;该学生公寓地下2～ 30 m 左右的浅层以细质砂石土为主, 地下水位为4 ～ 5 m , 属于富水土壤, 换热效果好, 采用竖直U 形地埋管换热器, 各换热井布置如图2 所示。

 

  图2 换热井布置

 

  系统运行规则设置如下:由循环泵7、太阳能集热板8以及太阳能水箱9 组成的太阳能热水系统在白天(06:00 —18 :00)自动循环吸热。凌晨01 :00电磁阀10 打开, 太阳能水箱9 往地热水箱13 补水。地热水箱13 中装有温度感应探头, 感应温度若低于设定温度(50 ℃), 则启动地源热泵系统, 对地热水箱13 中的水进行循环加热, 至设定温度后停机。04:00 启动太阳能补水阀(原有系统), 往太阳能水箱自动补自来水, 直至太阳能水箱高位水位开关响应(太阳能水箱补满), 切断电磁阀。18 :00 是学生用水时间, 启动供水泵12 , 往楼顶的小水箱11 补水, 小水箱装有水位开关, 可以根据水位开关的响应实现自动补水。

 

  为了开展实验研究, 在各地埋管换热器的进出水口均设有热电阻, 同时还加钻测温井以监测地下温度场的变化情况。采用计算机24 h 自动记录进出水口的水温变化情况以及地下温度场的变化情况。

 

  1.2 实验方案

 

  分两阶段分别测试系统的运行特性, 第一阶段是2007年11 月8 -22 日(共15 天), 属晚秋转入冬季;第二阶段为2007 年12 月28 日至2008 年1 月3 日(共8 天), 属冬季中期。测试内容包括:太阳能热水系统在冬季的运行效率;太阳能+地源热泵并联系统在冬季的运行效率;太阳能与地源热泵系统在制热中的贡献情况;地源热泵系统在冬季的运行特性;地下温度场的变化情况等。

 

  1.3 实验测试装置

 

  在地热水箱, 热泵机组冷水进出水口、冷却水进出水口, 以及每个地埋管换热器的进出水口, 地下测温井均装有pt100 型热电阻探头, 用于记录相应温度变化情况。热电阻探头的输出端连接至XMZ-J8 型温度巡检仪, 再将温度巡检仪的数据线连接到计算机, 可以实现自动记录数据功能, 温度监测系统如图3 所示。使用1333/ 1333R 型太阳能辐照仪测量太阳能每日辐照量;使用LXS-15E 型旋翼式热水表记录冷水循环水流量;使用DT862-4 型电度表记录机组的总能耗。