太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究

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1、太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究肖静静张永新王侃宏　　1、引言地源热泵作为一项高效、节能，有利于环境保护和资源可持续发展的空调冷热源技术，既能在冬季供暖、又能在夏季空调制冷，具有良好的发展前景。夏季通过将热量转移到地下，冬季通过对土壤的低品位的热量进行提升，可以满足冬夏季采暖空调要求两种运行模式，具有较使用常规能源节能的优势。经过多年的研究，地源热泵系统在技术上已经趋于成熟，而且经过示范与实践，确认了地源热泵系统具有节能、环保、自然资源再利用、舒适、安全、性能稳定、

2、清洁、使用灵活等很多优点。采用土壤泵为建筑物供热可以减少一次能源的消耗量。通过直接燃烧矿物燃料给建筑物供热时，即使在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率最高也不会超过100%，如果利用矿物燃料燃烧产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵机组把从作为低温热源的大地中提取低品位的热能转化为高品位能为建筑物供热，热泵的供热系数可达或更高[1]。太阳能–地源热泵了(SESHPS)系统则是以太阳能和大地为复合热源的热泵系统，属于太阳能和地热能综合利用的一种形式。太阳能与土壤热的结合具有很好的互补性，太阳能可以提

3、升地源热泵进口流体温度，从而高热泵机组的运行效率；大地提供的能量可以补偿太阳能的间歇性，使得太阳能热泵在阴雨天及夜晚仍能正常运行；同时，土壤还可以将日间富余太阳能暂时储存，不仅能起到恢复土壤温度的作用，而且可以减小其他辅助热源或蓄热装置的容量[2]。为克服太阳能随昼夜间断及阴雨、多云天气出现不稳定性以及在地球表面能量的低密度性，在太阳能–地源热泵供热系统中设置蓄热装置是解决上述问题的有效方法之一。一般来讲，物质的潜热要比显热大得多，因此储热装置如果采用相变材料作为蓄热介质时其体积可以大为缩小，不仅可以减少蓄热装置所占

4、据的建筑空间，还可以降低设备初投资[3]。本文介绍利用太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验台进行以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热及蓄热装置通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验，白天利用真空管太阳能集热器提高集热器内循环水的温度，高温循环水通过蓄热装置中的螺旋盘管与装置内的石蜡进行换热，循环水释放热量温度降低，石蜡吸收循环水的热量后温度升高，达到其相变温度后发生相变，由固态变为液态，将热量贮存其中；夜晚蓄热装置中的螺旋盘管通过一小型板式换热器与地源热泵地埋管侧冷水进行换热，在一定程度上提高

5、了地埋管侧循环水的温度，并缓解了地下温度场在地源热泵连续运行工况下温度偏低的状况，从而提高地源热泵供暖系统的运行效率。　　2、实验系统介绍本实验台位于某省能源研究所实验室，由地源热泵系统、太阳能集热器系统、空调末端、蓄热装置和数据采集系统等部分组成。　　实验系统图1为实验台的系统图，如图所示，实验系统中所用地源热泵机组型号为DNQWSR－4，在名义工况下，制热量为，制热输入功率为。热泵机组的地埋管侧及负荷侧的水泵G、H为屏蔽泵，额定功率均为100W，流量为52L/min，扬程为6m。地埋管与热泵机组的水路连接以及风机

6、盘管与热泵机组的水路连接均采用PPR管道；地埋管采用单U形HDPE高密度聚氯乙烯管，管径32mm，深度为21m，埋管间距5m。热泵机组与地埋管的水路循环通过板式换热器既可以与真空管集热器的循环水路进行换热，也可以与蓄热体内的盘管环路进行换热，这种转换由阀门A、B、C的开关来进行控制：当白天蓄热装置进行蓄热时，阀门A、C关闭，阀门B打开，太阳能集热器中的循环水在泵E的作用下与蓄热装置中的盘管组成回路，对石蜡进行加热，石蜡温度升高时行显热蓄热，当石蜡温度上升到其相变温度时，发生由固态到液态的相变，此时进行潜热蓄热，当石蜡

7、全部熔化后，液态石蜡继续吸热进行液态下的显热蓄热过程；当夜晚蓄热装置进行放热时，阀门A、C打开(为防止夜晚温度过低将连接集热器的管路冻坏，泵E在集热器中的水温度过低时将启动，使连接集热器的管路中的水流动循环，防止冻坏，此时需将阀门A打开)，阀门B关闭，蓄热装置中盘管与板式换热器在泵F的作用下组成循环回路，与热泵机组的蒸发器的部分出水(通过换热器的蒸发器低温水的流量可由阀门D来调节)通过换热器进行换热，蓄热装置中的石蜡通过盘管中的中介水将热量传递给蒸发器侧冷水，冷水温度升高，石蜡温度降低先释放其液态时的显热蓄热，石蜡温

8、度降低到其相变温度时，将释放其潜热蓄热，当石蜡全部凝固后，将释放其固态时的显热蓄热。蓄热装置呈圆柱形，高为，直径为，除去盘管及装置顶部的剩余空间，装置内共盛有20#相变专用石蜡35L(液态时体积)，装置内用PE-X管作为换热盘管，装置顶部、底部及外侧加厚聚乙烯保温层。真空管集热器设置在实验楼4层楼顶，每根集热器真空管直径φ为47mm，长为，共5