一种新型的太阳能与地源热泵联合运行系统

2009年10月22 00:00:00 来源:中国制冷空调技术网

摘要:本文分析了太阳能与地源热泵的技术优点及存在的问题,针对目前常规太阳能与地源热泵联合运行系统的缺陷,构思出了一套以生态理念构建的复合式新型能源系统。进而论述了该新型能源系统的工作方式,并阐述了该新系统的技术经济性。最后指出研究及开发中存在的问题,展望了其应用前景。

1 引言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。在太阳辐射条件良好的情况下,以太阳能作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度,其系统的供热性能系数(COP)可达4以上。此外,在太阳能吸收式制冷系统中,以太阳能为驱动热源,不仅可以减小常规能源的消耗。而且还可以减轻由于采用氟利昂等人工合成工质而引发的地球温室效应和对大气臭氧层的破坏。但是太阳能有两个严重不足:一是能流密度低;二是其强度受各种因素的影响不能维持常量,这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高效节能环保型能源利用技术。通过输入少量的高品位电能,即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。冬季它可代替锅炉把地能中的低品位能“取”出,提高温度后,供给室内采暖;夏季则把室内的热量“取”出,释放到地能中去⋯。但是地源热泵长期运行将会使土壤温度场得不到有效恢复,蒸发温度及冷凝温度波动较大,热泵机组运行效率较低。

因此,如果能将太阳能与地源热泵构建在一起, “取长补短,合理补给”,设计出一套复合式新型供热制冷系统,那么该新型的能源供给系统不仅将具有各自所特有经济、环保的特性,还将具有明显的节能潜力。

2 太阳能与地源热泵联合运行新系统设计

2.1设计思路

目前,常规的太阳能与地源热泵联合运行系统多设计成夏季采用地源热泵系统制冷,冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热。但是在我国的南方地区,建筑物夏季所需冷负荷要远大于冬季所需热负荷,而热泵机组又往往都是制热量大于制冷量(通常热泵机组的制热量是制冷量的1.1~1.3倍)。因此在机组选择时,如果按夏季冷负荷标准选择机组,会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求。而若按照冬季热负荷标准选择,则会出现夏季制冷量不够。因此,地源热泵机组可按照冬季热负荷进行选择,夏季冷负荷不足部分以太阳能吸收式制冷作补充。这样不仅可以大大地降低地热换热器的初投资,而且还可以使地热换热器间歇运行,土壤温度场得到及时恢复。

近年来太阳能吸收式制冷技术已经逐渐成熟。在太阳能集热器方面,平板型集热器、真空管型集热器都已在市场上推广应用。在制冷机方面,适合于太阳能利用的吸收式制冷机也有了很大的发展,低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源温度只需60℃以上。同时,如以温度为80℃以上的热源驱动单效吸收式制冷机,其系统的COP值可达到0.7;而若温度低于80℃,可用其驱动双效吸收式制冷机,则系统的COP值约为0.35 。

因此,太阳能吸收式制冷技术应用在常规的太阳能与地源热泵联合运行系统中是可行的。作者沿用该思路,设计出了一套新型的太阳能与地源热泵联合供热制冷系统。即冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热,夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行制冷。

2.2新系统构成

太阳能与地源热泵联合供热制冷系统主要由以下系统构成:太阳能集热系统、吸收式制冷系统、地热换热系统、热泵机组系统和室内供热制冷系统。联合运行原理图如图1所示。

3 新系统工作流程分析

3.1夏季太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行在夏季,土壤经过冬季的蓄冷,地表浅层的土壤温度相对较低。通过输入少量的高品位电能,就可以将室内的低品位热量“取”出,释放到地能中去,进而使室内产生良好的制冷效果。同时,随着太阳辐射强度的逐渐增强,大气温度不断升高,建筑物对冷量的需求也越来越大。这样我们可以充分利用太阳能辐射强的特性,通过太阳能集热器将太阳能蓄积起来作为吸收式制冷系统的驱动热源,故夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行。其流程图如图2所示,由太阳能集热器、吸收式制冷系统、地热换热器、热泵机组和室内供冷系统组成。

在太阳能吸收式制冷系统中,太阳能集热器将太阳能转化为水的显热储存在热水箱中。如果太阳能集热器中的热水温度不足以驱动吸收式制冷机工作时,启动辅助加热系统将热水加热到一定温度,使制冷机工作。在地源热泵制冷系统中,盘管通过水循环将室内热量转移到蒸发器中。在蒸发器中,热泵中的制冷剂将热量吸收传递到冷凝器中,然后地热换热器中的水在冷凝器中跟制冷剂发生热交换,最终通过地热换热器将热量排放到土壤中,通过三套循环达到制冷目的。

文献[5]通过实验证明: 当地源热泵连续运行时,其制冷系数将随着制冷天数的增加而下降, 最终在相对较低的数值下趋于稳定。因此,在夏季优先采用太阳能吸收式制冷。这样可减少地源热泵的运行时间,使土壤温度场得到及时恢复,从而提高热泵机组的制冷系数。

3.2冬季太阳能热泵与地源热泵联合运行

在冬季,太阳辐射强度逐渐降低,集热器的集热量和集热效率较低,而建筑物热负荷需求较大。如果单独采用太阳能热泵供热,所能提供的热量不能满足建筑物的热负荷需求;若单独采用地源热泵供热,地热换热器经过长期的运行,土壤温度场得不到有效恢复,地温会随之不断降低,热泵机组的制热系数会不断下降。因此,可以将太阳能热泵与地源热泵联合运行,这样就可实现地热换热器的间歇运行,地温波动较小,保证了热泵机组的平稳运行。太阳能与地源热泵联合供热流程图如图3所示, 由太阳能集热器、地热换热器、热泵机组和室内供热系统组成。

该联合运行供热系统包含四套循环:a)太阳能热水循环。太阳能集热器中的水将太阳能吸收,升高到一定温度后存储在热水箱里,作为蒸发器的热源使用。b)地热换热器水循环。水通过在地热换热器中的循环,将地热能吸收,在蒸发器中将热量传递给制冷剂。c)制冷剂循环。热泵中的制冷剂在蒸发器中将太阳能和地热能吸收,将热量传递给冷凝器。d)室内水循环。通过水的循环将热量传递到室内,供采暖使用。经过以上四套循环系统,达到供热目的。

4 新系统的技术经济性分析

对于太阳能与地源热泵联合供热模式,土耳其Edge University的Onder Ozgener和Arif Hepbasli教授应用热力学能量平衡的分析方法得出:用于温室供热的太阳能与地源热泵联合供热系统的COP值大约为2.38,系统的效率约为71.8%”¨引。国内山东建筑工程学院的方肇洪教授等人对其经济性也做了详尽的分析,比较分析得出:如果采用太阳能与地源热泵联合供热的方案,地热换热器的设计可按采暖负荷的60%设计 ,而地热换热器的投资约占整个地源热泵系统的24%~--26%“ ,因此采用太阳能与地源热泵联合供热可以大大的节省地热换热器和机组的投资。同时,采用太阳能集热器辅助热源供热时,机组的蒸发温度提高,使得热泵压缩机的耗电量减少,节省了运行费用。

对于太阳能与地源热泵联合制冷模式,目前国内外还没有相关的学者对该联合运行模式进行研究,但对各自单独运行的研究较多。文献In]采用数值模拟的方法对小型的太阳能辅助的单效溴化锂吸收式制冷系统的可行性和经济性作了系统的分析,结果表明该小型制冷系统比常规压缩式制冷系统节能20%~27%;文献[12]的研究表明:太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统的COP值约为O.43。虽然其CoP值较低,但太阳能吸收式制冷系统的运行费用只是采用辅助热源和水泵等所消耗的电能,因此节能效果明显。地源热泵系统在全年的使用过程中能效比在3.3~4.52_间,也就是说每lkWh的热量输出,只需要0.22~0.30kwh电量,这比空气热源泵高出40%,其运行成本仅是中央空调系统的5096~60%“ 。因此,太阳能与地源热泵联合制冷可以为用户节省电费30%~50%。

此外,可充分利用夏天太阳能在制冷和供暖的同时提供生活热水,为用户节省购买空调和热水器的费用,同时还减少电费的支出。因此,太阳能与地源热泵联合供热制冷具有较高的经济性。

5 存在的问题

在该设计的联合运行新系统中,笔者认为还存在以下问题:

(1)该系统结构复杂,初投资较高。系统性能的可靠性、稳定性有待于实验进一步验证。其系统的经济性分析要根据各地区的太阳能资源和土壤的热物性条件、以及用户热负荷特点等各方面因素综合考虑。此外该新系统增加投资的回收年限问题还需要具体的示范工程作进一步的测算。

(2)控制策略问题。本文设计成夏季太阳能与地源热泵联合供冷模式。但是控制策略不同,运行效果及经济性也必然不同。因此,夏季联合供冷和单独采用地源热泵供冷两种方案的优劣,必须针对不同的气候条件和地质条件做出相应的研究,找出最佳的控制方案。

(3)太阳能集热器与埋地换热器联合运行,其过程是一个比较复杂的传热、传质动态过程,系统各部件相互耦合使得系统的运行效果不仅与集热器和埋地换热器的效率有关,而且与热泵机组的工作效率、房间的负荷大小及土壤中的换热方式有关。要对这一复杂系统的运行状况有全面了解,必须进行相应的模拟研究,开发相应的计算软件进行模拟。

6。结束语

目前,国内外还没有相关的学者将太阳能吸收式制冷技术应用在太阳能与地源热泵联合运行系统中。但是随着对两者联合运行模式的研究越来越深入,常规的太阳能与地源热泵联合供热制冷模式存在~定的缺陷。在这种研究背景下,本文设计的这种新型复合式能源系统可以弥补这一缺陷。通过以上对其联合运行模式和技术经济性 的分析,证明了该复合式能源系统在理论上是可行的,运行是经济的,并具有明显的节能潜力。因此,该复合式新型能源系统值得深入研究下去。

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