太阳能、蓄热与地源热泵组合系统供热空调设计与应用

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1、太阳能蓄热与地源热泵组合系统供热空调设计与应用天津大学机械工程学院李新国，赵军天津市房屋鉴定设计院吕强天津华厦建设发展股份有限公司王健摘要：在天津地区针对一建筑物设计建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统（SGCHPSS）的示范工程与数据采集系统。结合建筑特点与用途设计太阳能热利用与蓄热利用，将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中，为冬季当太阳能不足时通过热泵加以提升利用，实现太阳能的转移利用。初步实验得到夏季蓄热时：集热器进、出口温度，日蓄热时间，蓄热功率及系统耗功等。关键词：太阳能、蓄热与地源热泵组合系统（SGCHPSS）；土壤跨季节蓄热；地源热泵1引言能源、环境与节能

2、已是全球面临的紧迫和重要工作，要加强新能源与可再生能源的利用，减少常规能源的消耗！实施能量短期或长期蓄存以达到能量补充和再利用目的。太阳能的蓄热与向土壤跨季节蓄热利用，可加强太阳能利用的深度与广度，将太阳能热利用变为可控和可掌握。跨季节蓄热太阳能集中供热系统（简称CSHPSS）主要是通过一定的存储媒介，如热水型蓄热、砾石-水蓄热、埋管土壤蓄热和蓄水层蓄热等，进行太阳能量存储，以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的[1~2]。在欧洲，CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已达到40~60%，CSHPSS系统已成为国际上比较流行、极具发

3、展潜力与大规模利用太阳能的首选系统之一，并相继建造了一些示范工程[3]。以地源热泵为中心，在对埋地换热器及与地下土壤间传热研究工作的基础上，国内对土壤的蓄能也开展了初步的研究[4~6]。2太阳能、蓄热与地源热泵组合系统（SGCHPSS）2.1SGCHPSS系统简介在天津地区针对一建筑物建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统（SGCHPSS）示范工程，总建筑面积5666m2，共3层。5包含有办公室、图书室、会议室等常规空调区域，和篮球馆、乒乓球室、重量训练区等休闲区域，还有游泳池、洗浴等常年需要热水供应的娱乐区域。建筑物冬季设计热负荷为433.7kW，夏季设计冷负荷为46

4、1.7kW。图1为SGCHPSS系统的组成与示范工程应用。图１太阳能、蓄热与地源热泵组合系统（SGCHPSS）SGCHPSS组合系统由太阳能集热系统、地下埋管、地源热泵、热水和末端系统五部分组成。SGCHPSS系统中，太阳能集热选用600m2的平板型太阳能集热器，蓄热水箱为10m3；地源热泵系统有2台水-水式水源热泵机组，负担1层的大厅、游泳池、篮球馆等大空间的采暖空调负荷；2、3层各房间的采暖空调分别由小型的水-空气式水源热泵机组来承担。地下U型埋管换热器由60口埋深20m的双U型桩埋管和48口埋深120m的双U型井埋管组成，其中井埋管中有8口为蓄热井。2.2太阳

5、能集热和土壤跨季节蓄热系统SGCHPSS组合系统将太阳能蓄热与跨季节蓄热及与地源热泵有机地结合起来。充分利用太阳能和浅层地表能，将太阳能的跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一。将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中，提高土壤冬季热源温度，以提高地源热泵效率，实现太阳能的转移利用。52.3数据采集与测量根据该示范工程建设的目的和用途，开发了一套PLC自动数据采集系统，对系统温度、流量和电耗的数据进行采集与测量，有温度测点20个、流量测点4个和功率测点3个。图2为地源热泵系统测点布置与数据采集显示画面。计算机数据采集与监控画面在

6、工控组态软件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）的基础上编写。MCGS系统在基于Microsoft的平台上运行，通过硬件设备对现场数据进行采集，经过一系列用户指定的处理方式，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、报表输出等多种方式提供采集与测量数据。图2地源热泵系统数据采集画面3太阳能集热实验与分析SGCHPSS示范工程建成后于2006年7月份开始运行，本文对2006年夏季7~9月份数据进行初步分析。数据采集期间，系统每天从9点开始运行，17点停止运行，每天运行8小时。3.1太阳能集热温度、功率与蓄热图3为太阳能集热器进、

7、出口温度及集热功率变化曲线。可看到，一天中太阳能集热器的出口温度先增到一个极值，然后开始逐渐减小；集热器进口温度即为集热水箱温度，表明太阳能出口温度达到最大值后，随热水的供应，集热水箱温度（进口温度）基本上稳定不变。从图中还可以看到11点至15点左右期间集热器的出口温度均高于50℃，持续时长约为4小时。也就是说在这个阶段集热器的出口温度均高于设定的蓄热温度为50℃，可以向地下土壤蓄热。由于测试期间水箱温度测点出问题，不能准确测定集热水箱温度，近似推算出在9月初系统的日蓄热时间至少为4个小时。9月份太阳能集热器的集热功率最大值可以达到80kW，最大值出现在11时左