太阳能吸收式热泵系统

太阳能吸收式热泵系统（精选八篇）

太阳能吸收式热泵系统 篇1

关键词：海水淡化,吸收式热泵,淡水成本

海水淡化技术随水资源危机的加剧得到了快速发展。对于低温多效 蒸发海水 淡化 ( Low Temperature Multi - Effec Distillation,LT - MED) 系统,通常情况下,由于热电厂汽轮机组的各级抽汽压力往往要高于LT - MED系统所需的加热蒸汽压力,因此需采用有效的措施来解决蒸汽参数不匹配的问题。同时,海水淡化系统的产品淡水或末效二次蒸汽存在大量的余热,若不加以利用,会造成能源的浪费。

溴化锂(lithium bromide,Li Br) 吸收式热泵(Absorption Vapo Compression,ABVC)多效蒸发海水淡化技术(MED - ABVC) 不仅能解决加热蒸汽参数不匹配的问题,还能有效回收产品淡水或末效二次蒸汽的余热。实现了对不同品质的能量进行梯级利用。目前国内外主要从工艺流程、性能系数等方面[1,2,3,4]对吸收式热泵海水淡化技术进行了研究,但均未从经济性角度分析。该文建立了带单效溴化锂吸收式热泵多效蒸发海水淡化(MED - ABVC)系统,分析了不同溴化锂浓溶液浓度对系统的影响,并与不带吸收式热泵的海水淡化系统进行了性能与经济比较。

1物理模型

图1为溴化锂MED - ABVC系统示意图,该系统是通过消耗少量高温热源作为吸收式热泵的驱动热源,回收海水淡化系统的末效二次蒸汽的低温热源,将低品位热源转化为高品位热能,再将产生的高品位热能作为多效蒸发海水淡化系统第一效蒸发器内的加热热源,对进料海水进行多效蒸发,生产淡水。 该系统包括多效蒸发海水淡化和溴化锂吸收式热泵两个热力循环,这两个循环匹配相连构成一个新的循环系统。

该海水淡化装置的热力循环过程见文献[5],在此不做详述。溴化锂吸收式热泵装置的热力循环又分为溶液循环和循环工质这两个部分: 其中溶液循环部分见文献[6],在此不做详述,现只介绍循环工质部分: 从海水淡化装置第一效蒸发器出来的部分冷凝水经过节流阀后进入热泵蒸发器中,吸收末效二次蒸汽释放的汽化潜热而蒸发,产生的水蒸汽导入吸收器中, 并通过溶液循环回到发生器,发生器中Li Br稀溶液吸收驱动蒸汽释放的汽化潜热而蒸发,产生蒸汽A。而从海水淡化装置第一效蒸发器出来的另一部分冷凝水经过节流阀后进入热泵吸收器中,吸热而蒸发,产生蒸汽B。由热泵发生器产生的蒸汽A和热泵吸收器产生的蒸汽B一起作为从海水淡化装置第一效蒸发器的加热蒸汽,开始下一个循环。

2数学模型

本文的海水淡化热力计算数学模型和成本数学模型采用文献[5,6]的算法,溴化锂吸收式热泵的成本数学模型见文献[7], 在此只介绍溴化锂吸收式热泵装置的热力计算数学模型。计算中遵守能量守恒定律,入、出设备的能量应相等; 同时也遵守质量守恒定律。

(1) 冷凝器中(海水淡化装置第一效蒸发器):

其中,M、h、C、t分别表示质量流量(kg/s)、焓值(k J/ kg) 、比热( k J / kg · k) 和温度 ( ℃ ); 下标g、a、bin、con、d、 bout分别表示发生器产生的蒸汽、吸收器产生的蒸汽、冷凝器入口海水、冷凝器凝结水、冷凝器中产生的二次蒸汽、冷凝器出口海水。

(2) 蒸发器中:

其中,Mr、γn分别表示末效二次蒸汽的质量流量和冷凝潜热; h1'表示蒸发压力下饱和蒸汽焓值。

(3) 吸收器中:

式中:

其中,ε1、ε2分别表示溴化锂稀、浓溶液质量浓度; h8、 h2分别表示溶液热交换器出口浓溶液焓值、吸收器出口稀溶液焓值。

(4) 发生器中:

其中,h4、h4'、h7分别表示发生器出口浓溶液焓值、发生器出口水蒸气焓值和溶液热交换器出口稀溶液焓值; Mq、γq分别表示驱动蒸汽质量流量和冷凝潜热。

(5) 溶液热交换器中:

其中,QH表示溶液热交换器的换热量。

3结果与分析

3.1LiBr浓溶液浓度的影响

本文海水淡化装置的基本计算参数见文献[5]; 热泵的动力蒸汽采用我国华能北京热电厂的汽轮机第5级抽汽为驱动热源[7],其动力蒸汽压力为0. 261,温度为129 ℃ 。当海水淡化装置为7效,在其它参数相同的情况下,改变Li Br浓溶液质量浓度从61% ~ 63% 变化,研究了其对MED - ABVC系统的影响。

由图2 ~ 图4可知: 随着Li Br浓溶液浓度的增加,发生器产生的蒸汽(产汽A) 压力降低,与其对应的饱和蒸汽温度降低; 所需动力蒸汽量减少,造水比(单位动力蒸汽的产水量)升高,海水淡化装置蒸发器总面积增加,综合效果是淡水成本增加。主要原因是:

(1) 在电厂抽汽的动力蒸汽温度保持恒定的情况下,发生器出口Li Br浓溶液温度也不变,Li Br浓溶液浓度的增加,导致放气范围增加,发生器内的压力降低,这一点可由溴化锂水溶液的物理性质图上看到[8],故相对应的饱和水蒸汽温度降低。

(2) 在溴化锂稀溶液浓度和热泵蒸发器蒸发压力保持恒定的情况下,吸收器产生的饱和蒸汽(产汽B)温度维持不变,发生器饱和蒸汽温度的降低将导致进入海水淡化装置的加热蒸汽温度降低,传热温差减小,蒸发器传热总面积增加,从而增加了蒸发器设备的折旧费用。

(3) 加热蒸汽温度的降低将导致其汽化潜热略有增加,故加热蒸汽流量略有减少,从而所需动力蒸汽量也减少,降低了动力蒸汽费用; 在淡水产量一定情况下,动力蒸汽量的减少提高了造水比。

(4) 动力蒸汽费用和蒸发器设备的折旧费用是影响淡水成本的主要因素。从图4可以看出,蒸发器折旧费用是决定性因素,所以两者的综合效果就是淡水成本增大。

3.2两种系统比较

表1对MED - ABVC系统和MED系统进行了性能和经济比较。对于MED系统,为了防止海水在较高温度下对金属材料的腐蚀[1],热电厂汽轮机的抽汽进入系统前需喷入低于70 ℃ 的饱和水,使其成为低于70 ℃ 的饱和蒸汽,为了使两种系统具有可比性,MED系统采用65 ℃ 的饱和蒸汽作为加热蒸汽。 结果表明: 在其他参 数相同的 情况下,与MED系统相比, MED - ABVC系统的动力蒸汽量减少40. 6% ,淡水成本节省16. 5% ,有效的提高了系统的经济性。

4结论

(1) 提高Li Br浓溶液浓度,会导致发生器产生的蒸汽压力降低,与其对应的饱和蒸汽温度降低; 从而蒸发器传热总面积增加,增加了蒸发器设备的折旧费用。

(2) 提高Li Br浓溶液浓度,所需动力蒸汽量减少,降低了动力蒸汽费用,但蒸发器折旧费用是决定性因素,所以两者的综合效果就是淡水成本增加。

(3) 相同条件下,在该文的计算范围内,MED - ABVC系统的经济性优于MED系统,MED - ABVC系统淡水成本可节省16. 5% 。

参考文献

[1]苏庆善,王瑞偏,梁锡华,等.Li Br吸收式热泵海水淡化工艺流程的研究[J].清华大学学报,1995,35(6):37-41.

[2]Faisal A1-Juwayhel,Hisham E1-Dessouky,Hisham ttouney.Analysis of single-effect evaporator desalination systems comvined with vapor compression heat pumps[J].Desalination,1997,114:253-275.

[3]Faisal Mandani,Hisham Ettouney,Hisham EI-Dessouky.Li Br-H2O absorption heat pump for single-effect evaporation desalination process[J].Desalination,2000,128:161-176.

[4]杨洛鹏,沈胜强,克劳·根特斯.吸收式热泵多效蒸发海水淡化热力性能研究[J].太阳能学报,2007,28(6):612-615.

[5]张小曼,刘晓华,沈沁.带热压缩串联低温多效海水淡化系统热力性能[J].化学工程,2011,39(8):40-43

[6]张小曼,沈沁.海水淡化与水源热泵联合系统性能与成本研究[J].化学工程,2013,41(1):42-45.

[7]郑体宽.热力发电厂[M].北京:中国电力出版社,2008:251-253.

太阳能吸收式热泵系统 篇2

关键词：太阳能；热泵系统；节能分析；热水箱设计

中图分类号： TU832 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

在经济社会发展的同时，节能成为世界工业发展的首要任务。太阳能热泵热水系统结合了太阳能利用技术和热泵技术两者的优点，是一种新型节能环保的热水系统。在“十二五”规划上，节能减排成为我国的新兴产业，同时还提出很多节能措施，这些措施能够减少能源消耗，在一定程度上缓解自然污染、环境破坏的速度。尤其是太阳能和热泵系统，它们的应用使生活热水节能量达到45%以上，本文将根据相关资源分布情况，来详细分析太阳能与热泵系统的节能。

一、太阳能与热泵系统节能分析

太阳能与热泵系统，是热水箱的重要组成部分，对太阳能与热泵系统进行能量控制，将有利于完善和改进热水系统，使热水箱能够最大限度发挥供热功能。太阳能与热泵系统节能作为“节能减排”的主要目标，我国早在2001年就提出太阳能、热泵系统在建筑一体化中的节能措施。我国对太阳能资源分布和太阳能评估做了详细的调查和分析，并得出相关结果和结论[1]。

（一）太阳能资源分布情况分析

1、太阳能资源丰富区。资源丰富区是指太阳辐照量在6700MJ/m2.a以上的地区，是太阳能资源等级最高的地区。例如新疆南部、西藏北部、甘肃、青海等海拔高的地区。海拔高缩短了太阳与地面的照射距离，使这些地区能够接受更多的日照，提高了太阳辐照量。

2、太阳能资源较富区。是指太阳辐照量在5400-6700MJ/m2.a之间的地区，这些地区大多是靠北的山丘地区，最具有代表性的地区有内蒙古呼伦贝尔、北京、天津、山西等有一定海拔的地区。这些地区是太阳能应用得最多的地区，因为这些地区除了自然环境优势外，还有经济发达的优势。

3、太阳能资源一般区。是指太阳辐照量在4200-5400MJ/m2.a之间的地区，这些地区海拔一般较低，并且处于平原地区，例如黑龙江、山东、安徽、湖南、福建等。这些地区太阳照射的距离较长，太阳辐照量相对较低。

4、太阳能资源贫乏区。是指太阳辐照量低于4200MJ/m2.a以下的地区，这些地区大多分布在盆地或盆地附近的地区，因为大多盆地的海拔都低于地平面，增加了这些地区与太阳的距离，使太阳辐照量降低。例如四川、贵州西部、云南南部、广西等地。

（二）一般热泵系统制热系数分析

热泵系统制热系数是指热泵COP值与环境温度值的正比例关系。例如，某热泵厂家提供的压输机制热系数中，热泵COP值与环境温度值的关系分析中发现，当环境温度低于10℃时，COP值才刚好达到2.0；环境温度达到20℃时，COP值达到3.0；环境温度达到30℃时，COP值达到4.0；环境温度超过30℃时，COP值超过4.0。从这些数据不难看出，环境温度值与COP值是呈正比例关系，并且是以1：10%的比例增加[2]。

COP值是衡量热泵系统供热的指标，也是衡量热泵系统的节能指标，该指标随着环境温度的提高而提高的特点，与太阳能随着太阳辐照量增加而增加的特点具有一致性。两者都需要太阳提供一个温度较高的环境，才能更好的进行供热工作，因此有效的节能方法，是以太阳能为供热主体，以热泵系统供热为辅助。

（三）太阳能与热泵系统节能评估

太阳能与热泵系统节能评估，要求明确掌握太阳辐照量、集热器面积、集热器效率、环境温度、COP值等指标[3]。该评价是太阳能与热泵系统节能的目标和标准，下面将简单分析太阳能与热泵系统节能的评估，并做出相关的数据分析。

这里以云南东部某地区为例，该地区集热器的热效率平均为60%，按照春夏秋冬季节的相关温度数据，推算出集热器面积，集热器热效率与面积，决定太阳能可承受的热能消耗为热水箱供热量的60%，热泵系统为40%。该地区年平均气温为20℃，可以判断当地实际太阳照射时间和面积，并得出太阳能与热泵供热系统全年大约节能86.8%，实际节能72.5%。

二、热水箱设计

（一）热水箱设计存在的问题

传统热水箱的设计，要求太阳能与热泵系统同时使用一个热水箱，这在很大程度上影响了太阳能与热泵系统的供热效率。因为在供热过程中，太阳能供热不足时，才会使用热泵系统供热，使供热过程复杂，延缓了供热速度。为了提高供热速度，很多用户不得不花精力去增加太阳能与热泵系统的供应量，导致热水箱设计时出现很多问题，集中体现在工程造价和热量控制两方面。

一方面，为了提高太阳能与热泵系统供热量，设计师会花资金去设计一个更大的热水器供用户使用，供热量提高了，但造价一般用户难以接受，这样会导致用户量下降。另一方面，热量的控制主要受季节影响。夏季太阳能提供的热量就能满足用户的需求，无需热泵系统提供热量，属于节能效果最佳的季节；秋季，大部分的热量是太阳能提供的，少数热量是由热泵系统提供。

（二）热水箱设计的措施

第一，增设热水箱，热水箱可以分成两个，分别供太阳能和热泵系统使用，其水箱的容量可达10t，这样做的目的是为了减少扩大水箱体积带来的额外花费，在一定程度上控制了热水箱的工程造价，以便用户能够接受。同时，也降低了太阳能与热泵系统的供热成本，提高了供热效率，满足用户的热量使用需求。第二，用真空管将两个水箱连接起来，两水箱的连接是为了解决因季节变化而不能及时供热的问题，两个水箱分别吸收太阳、热泵系统提供的热能，一般先使用太阳能提供的热量，储存热泵系统提供的热量，解决冬季热量供应不及时的问题。

该设计与传统水箱的设计相比，具有很多的优势，在这里笔者简单总结如下：第一，能够使太阳能得到充分利用，最大限度节约了热能；第二，该系统集太阳能热水箱、热泵系统热水箱于一体，两者是相互联系的，可以进行统一控制，不需要另行设计；第三，为热泵系统提供了足够的加热时间和空间。

结语

开发新能源和节能是寻求能源出路的两大重要途径 ，太阳能热泵供热系统以其显著的节能性和环保性具有广阔的发展前景。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，太阳能与热泵系统是热水箱最重要的供热源，它的节能直接影响“节能减排”目标的实现。因此，要加强太阳能与热泵系统的节能力度。本文通过分析太阳辐照量、集热器热效率、集热器面积、环境温度和COP值等指标，可以计算出相对条件下太阳能与热泵系统的节能量，为热水箱的改进设计提供依据。

参考文献

[1]郑荣进，庄麟，池清，等.温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析[J].农业机械学报，2013，04：233-238+232.

[2]肖菊，丁文萍，杨敏芝.工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013，06：829-832.

[3]熊慧灵，刘何清，李永存.太阳能-溶液-热泵干燥系统节能分析[J].建筑节能，2015，05：56-60.

作者简介

太阳能吸收式热泵系统 篇3

分布式能源系统作为一种新型的能源供应方式越来越受到人们的关注, 其应用也越来越广泛, 其中系统中发电机组发电过程会产生温度为80～90℃的循环缸套水。传统的冷却中温缸套水的方式是用闭式冷却塔冷却, 期间会消耗大量电功, 当然也是耗能的过程。在这种情况下, 如果能充分利用这部分中温缸套水的余热, 不仅可以节约电能, 而且可以提高余热利用率, 进而提高分布式能源系统整体效率。而第二类吸收式热泵技术是回收低品位热能的有效技术之一, 它以中、低温的废热作为驱动热源产生较高温度的热能, 而不需要消耗其他高品位能源, 节能效果显著。所以在分布式能源系统中应用第二类吸收式热泵, 将会大大促进分布式能源系统的推广。

1 第二类吸收式热泵定义及特点

第二类吸收式热泵Absorption Heat Transformer (AHT) , 即升温型热泵:利用大量中间废热和低温热源的热势差, 制取热量少, 但温度高于中间废热的热量, 从而提高了部分废热的品位。简而言之就是利用大量的中温热源产生少量能被利用的高温热能, 将部分中热能转移到更高温位, 从而提高了热源的利用品味。相比其他热泵, 不需要更高温度的热源来驱动, 但需要较低温度的冷却水。

2 二类热泵在分布式能源系统中的应用

AHT在冶金行业、酒精工业以及橡胶加工等工业领域都已经有了成功的应用, 随着对二类热泵研究的深入, 我们开始着眼于在其他方面的应用。纺织行业一直是用电大户, 同时车间对温湿度要求非常严格, 因此纺织行业对冷、热、电3个方面的需求相对比较集中, 适合分布式能源系统的发展, 下面举例说明二类热泵首次在纺织行业分布式能源系统中的应用。

2.1 安徽某工业园分布式能源站工程实例

安徽某工业园分布式能源站冬季系统工况流程如图1所示。

由于二类热泵在冬季使用, 因此仅就冬季工况对工业园分布式能源系统作简单的概述。系统共配置8台内燃发电机组, 总净发电量为8 400 kW, 废烟气的排气温度为550℃;余热锅炉回收烟气余热, 产生2.5 MPa, 400℃的过热蒸汽6.2 t/h, 过热蒸汽驱动背压式汽轮机继续发电, 由于提高了汽轮机的排气压力, 蒸汽中用于发电的热能相应减少, 所以发电量只有420 kW, 但是热电循环中乏汽的热量得到了充分的利用。乏汽喷水减温后成为饱和蒸汽用于车间加湿。利用后的尾气温度为170℃, 通过换热器将12℃的自来水加热到85℃, 作为余热锅炉和二类热泵的补水, 剩余尾气排入大气, 排气温度降为100℃。这样可以充分利用缸套水的热量, 用二类热泵将缸套水的余热提取出来, 将85℃水提升为110℃的饱和蒸汽, 将低品位的水热变成高品位的蒸汽热, 用于车间加湿。系统冬季运行时, 能量需求主要集中于发电和蒸汽。

2.2 二类热泵的原理及应用

第二类吸收式热泵主要由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器和溶液热交换器5个主要设备组成。单级AHT应用方案流程为:自发电机组出来的缸套余热水 (温度84℃, 流量500 m3/h) 一部分进入AHT系统的发生器, 一部分再进入蒸发器中, 放热后的热水 (温度为79℃) 与来自发生器的另一部分热水混合并经水泵返回至发电机组取热;自来水 (温度18℃, 流量224 m3/h) 作为循环冷却水, 经水泵送至冷凝器取热, 取热后温度升高至24℃, 排入环境中冷却, 冷却后重新返回至冷凝器;吸收器出口的饱和蒸汽 (压力0.15 MPa, 温度111.38℃, 流量2.0 t/h) 进入分汽缸, 用作车间的加湿, 自来水经烟气加热成85℃, 通过水泵持续不断地送至吸收器, 重新吸热成饱和蒸汽, 如此循环。

二类热泵的热平衡关系式为 (忽略泵的电功耗) :

式中——吸收器热负荷;

——冷凝器热负荷;

——蒸发器热负荷;

—发生器热负荷。

性能系数为:

从上式可以看出, 第二类吸收式热泵的性能系数一定是小于1的, 但因为二类热泵中所使用的热量全部为缸套水废热, 而得到的是品位较高、可利用的蒸汽, 因此可获得很好的节能和经济效益。工程具体数据如下:

蒸发器和发生器热负荷即缸套水的余热:

吸收器热负荷:

式中m——缸套水循环水量 (kg/h) ;

h1——0.15 MPa饱和蒸汽的焓值 (k J/kg) ;

——85℃常压水的焓值 (kJ/kg) ;

W——二类热泵补水的流量 (kg/h) 。

系统性能系数:COP=获得的热量/消耗的热量=1 350.4/2 916.7=0.463;COP值与上式的理论结果相符。

2.3 二类热泵对系统整体效率的影响

从热力学第一定律和第二定律的角度对工业园冬季工况DES系统的效率进行分析, 分别定义为:

第一定律效率= (电力输出+热能输出) / (天然气消耗率×天然气热值)

第二定律效率= (电力输出+热输出) / (天然气消耗率×天然气)

(1) 假如不加二类热泵子系统, 烟气以170℃排放, 且发电机组启动闭式冷却塔, 闭式冷却塔电功率为100 kW, 系统的供热出力为6.5 t/h, 0.2 MPa饱和蒸汽拥有的焓值, 此处取天然气低位热值为35 564 kJ/m3, 如表1所示。

从第一定律的角度上看, 增加二类热泵后系统的效率提高了6.7%。

(2) 从第二定律的角度上考虑, 主要是损失的比较。天然气所包含的是DES系统消耗的总, 整个过程中系统各部位的损失主要来自2个方面:一是散热和泄漏, 二是过程的不可逆性。冬季工况能量的流程图如图2所示。

T0—环境温度T1—内燃发电机烟气出口温度T2—余热锅炉烟气出口温度T3—换热器烟气出口温度Qt—消耗天然气热值Q1—排出的高温烟气的热能Q2—中温烟气的热能Q3—低温尾气的热能Qh—换热器产生热水的热能E1、E2、E3分别为对应烟气热水的。

相比较而言, 系统无二类热泵时多损失的主要是闭式冷却塔的电功率 (100 kW) 和100～170℃的烟气的热 (表2) 。其中:

电和电能相等:

170℃烟气散热损为:

中温烟气与低温尾气的分别为:

总的损失率为:

从第二定律的角度来看, 无二类热泵时系统损失增加4.4%。

以上从第一定律和第二定律的角度上分析了增加二类热泵子系统后分布式能源系统的性能都有一定的提高。

3 结论

本文对溴化锂第二类吸收式热泵在分布式能源系统中的应用进行了分析, 对回收缸套水的方案进行了计算, 并结合工业园区的工程实例进行了实际应用。本文所利用的第二类吸收式热泵是以约84℃缸套废水作为驱动热源, 所进行的研究不但是对回收余热的一种新方式进行研究, 而且也是对第二类吸收式热泵在分布式能源系统运行过程情况的探索式应用。系统在正常稳定的运行工况下, 可在性能系数COP为0.463时获得0.15 MPa的饱和蒸汽。系统运行中综合考虑了缸套水的回收效果, 在不影响发电机组正常运行的前提下利用缸套水的余热, 将系统的整体效率提高6.7%, 从另一个角度上减少了4.4%的损。第二类吸收式热泵不需要耗费高温热源便可回收机组的废热, 能够以其独特的优势提高分布式能源系统的整体性能。从长远的角度来看, 第二类吸收式热泵作为节能的一个主要举措, 在分布式能源系统中将有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]肖永勤, 韩世庆, 刘明军.溴化锂吸收式热泵在集中供热系统中的应用及节能性分析.制冷与空调, 2012, 12 (4)

基于化学热泵的太阳能综合利用系统 篇4

据测算, 使用一平方米太阳能热水器, 相当于每年节约120公斤标准煤。2007年发改委的《可再生能源中长期发展规划》中明确提出到2020年, 全国太阳能热水器总集热面积达到约3亿平方米, 加上其他太阳能热利用, 年替代能源量达到6000万吨标准煤。资料显示, 太阳能热水器销售量在2007年已经达到1200万平方米, 并以每年20%-30%的速度迅猛发展。太阳能热水器不但设备简单易用, 而且为国家节约了大量资源, 是家用设备从常规能源体系转向可再生、绿色能源体系的一项成功案例。

与此同时, 市场上新兴的热泵热水器与传统热水器相比已有较大的节能效果, 但是其制热效率受到环境条件的制约, 效率较低。并且由于光照时间与光照强度的不稳定性, 太阳能热水器往往不能和用户需求相契合, 白白损失了大量的能量。

基于以上背景, 我们希望通过太阳能与化学热泵的巧妙结合来补足目前主流太阳能热水器的缺点, 大幅度提高太阳能的使用效率, 实现全方位、多功能的利用, 不仅可以加热生活用水, 而且可以制冷制热。化学热力循环系统也可以实现不受时间限制的高密度、高转化率的储能。没有污染、造价不高的太阳能化学热泵系统弥补了传统供热空调系统大量消耗常规能源的缺点, 响应了国内建设不耗能生态建筑的号召, 对解决环境危机和能源短缺有相当的意义。

2 设计方案

2.1 设计思路

本设计充分利用了化学热泵与太阳能结合的作用, 将化学热泵的作用最大化, 这不仅实现了普通热泵的供暖作用, 还能够用于制冷和蓄热。

2.2 工作原理

整个循环过程可分为解离期和络合期。在解离期, 处于中温TM (约40-45℃) 的氯化钙二甲醇络合物被高温TH (约110-130℃) 热源加热至接近TH, 发生解离反应, 吸收热量QH, 释放出气体工质甲醇。该气体被冷却降温至中温TM, 冷凝放出热量QM2, 变成液体甲醇, 随后循环进入络合期。蒸发器中液态甲醇在低温TL (约10-5℃) 下蒸发, 从环境中吸收热量QL, 取得制冷效应。汽化的甲醇与解离的产物氯化钙发生络合反应放出热量QM1, 同时床层逐渐被冷却至TM, 至此完成一个循环。其结果是系统消耗了高温热量QH, 除了直接传热给中温热源TM外还从低温热源TL中吸收热量QL, 产生额外供热量, 达到增热和制冷的目的。

2.3 工质对选择

以氯化钙甲醇络合物作为工质的热泵系统有许多优点:

(1) 甲醇有较低的冰点 (-98℃) , 热泵循环既可用于供热, 又可用于致冷;

(2) 甲醇蒸气有较高的冷凝温度 (64.7℃) , 即使夏季气温高达40℃, 以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来;

(3) 室温下甲醇有较高的饱和蒸气压, 使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压, 不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统, 在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险。

2.4 装置简介

如图1所示, 此系统由两个循环系统组成。一个是太阳能热水循环系统, 一个是化学热力循环系统。

运行过程如下:

1中的甲醇液体温度约为40-50℃, 经过12进入6内, 此时甲醇温度可降至-15℃左右, 7通过传热介质进入6与甲醇进行热交换, 6中甲醇蒸发吸热, 此时可以起到制冷作用。

1-甲醇贮存器;2-冷凝器;3-蓄热水箱;4-太阳能集热器;5-吸收/发生器;6-蒸发器;7-冰箱或其他低温热源;9-管道开关;10-单向阀;11-蒸汽阀;8、12-膨胀阀

打开11后, 甲醇蒸气通过11进入5中, 与5中的无水氯化钙结合形成氯化钙二甲醇放出大量的反应热。此时, 3中的冷水进入5, 吸收反应放出的热量后升温至45℃左右, 回到3中供用户使用。

4在吸收太阳能之后通过传热介质进入5中, 5中的络合物吸热至一定程度后分解, 反应产生温度约为130℃甲醇蒸气。蒸气通过10后进入分叉管, 由于10只能单向通过, 从而保证了蒸发后的甲醇不会冷凝回流至5。关于进入分叉管的甲醇蒸气, 在冬季, 室内温度低, 则关闭8打开9, 甲醇蒸气通过2将温度传递给水, 可将水加热至约50-60℃, 继而通过暖气片给室内供暖。而在夏季, 由于不需要供暖, 则关闭9打开8使甲醇降温冷凝后直接进入贮存在1中。从而完成一个循环过程。

3 应用前景

3.1 利用甲醇作为循环工质, 充分利用甲醇相变释放的潜热

甲醇作为一种良好的相变材料, 能够很好的适应吸热放热的需求;第一, 甲醇有较低的冰点, 在热泵循环中既可用于供热又可用于致冷;第二, 甲醇蒸气有较高的冷凝温度, 即使夏季气温高达40℃, 以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来;第三, 室温下甲醇有较高的饱和蒸气压, 使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压, 不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统;在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险;第四, 甲醇的反应温度广, 与主要工业金属不发生反应, 因此对系统设备不具有腐蚀性;第五, 甲醇的含量丰富, 造价低, 系统一段运行时间后维护成本较低;第六, 甲醇是绿色物质, 在正常情况下是无色有酒精气味的液体, 使用不会对地球的热平衡以及周围环境造成影响。

3.2 利用甲醇贮存箱可以在无太阳能输入的情况下提供热量

甲醇贮存箱中的液态甲醇在阀门开启的情况下, 进入蒸发器内与低温热源换热, 在低压条件下吸收低品位热量蒸发, 在反应器中与无水氯化钙结合放出高品位的化学能, 从而完成热泵的作用。而所有的能量均来自于太阳能对于氯化钙二甲醇络合物的分解, 由此达到了太阳能的贮存作用。

摘要：随着经济发展, 我国的能源需求在不断增长、化石能源消耗带来的环境压力在不断加剧, 新能源和可再生能源的开发利用必将越来越受到重视。然而由于太阳能的不连续性和对天气的依赖性, 普通的太阳能热水器在夜间和连续阴雨天无法正常工作, 需要开启电加热辅助, 消耗电能, 不节能也不环保, 由此, 我们对太阳能化学热泵进行了一系列研究。

关键词：能源,太阳能,化学热泵

参考文献

[1]李占勇.化学热泵干燥[J].化工进展, 2006 (26) :436-439.

[2]张军, 魏新利, 孟祥睿, 马新灵.低品位热能利用技术[M].北京:化学工业出版社2012.

太阳能吸收式热泵系统 篇5

国内外一些专家学者对太阳能制冷低温储粮进行了研究, 提出了不同的太阳能谷物除湿冷却试验装置及数学模型。Biswas等人早在1984年就设计了一种可用于空气调节的太阳能再生的紧读型低压除湿床, 并分析了太阳能再生除湿系统在热湿地区应用的可行性。此后, Isnail等人研究了一种太阳能再生的谷物除湿冷却装置, 采用该系统可使环境空气的湿球温度下降4℃以上。Thorpe提出了一种简易太阳能再生的谷物除湿系统的模型, 并研究分析了该类装置在热湿地区谷物储藏的应用潜力。Thoruwa等人建造了一台集热面积为92 m2的太阳能再生开式除湿器用于粮食储藏, 该除湿器在热湿地区能够将环境空气的相对湿度下降到40%左右。此外, Dai、Chen等人也试图将除湿冷却系统用于低温储粮, 并进行了系统性能模拟与分析。1978年, 美国沸石动力公司的Tcehmev建成第一台以沸石水为工质对的间歇式太阳能吸附制冷装置, 以其结构简单、运行效率较高、噪音小、无运动部件、寿命长、无须考虑腐蚀、可以仅依靠太阳能进行间歇式循环制冷等优点而引起了人们的广泛关注。1989年, Shelton提出了热波循环, 在该循环方式中, 吸附床沿流体流程存在很大的温度梯度, 可以被看作由一系列能独立进行热交换的小吸附床组成。两个吸附床反向运行, 各自只有一小部分进行热交换, 另一部分保持其自身温度, 这样能最大限度利用吸附过程放出的热量, 以便更充分回热。虽然热波循环在理论上得到了较好的论证, 但未能在实际应用方面取得进展。国内王如竹等人研究了采用分子筛-水和硅胶-水分别作为两级循环的工质对以及两级循环都采用分子筛-水为工质对的两种双效复叠式吸附制冷循环。研究结果也表明选择合适的加热温度和中间温度及两级冷凝压力可使COP达到1.2左右。这些有关太阳能制冷用于低温储粮的研究, 主要侧重于在热湿地区对环境空气进行除湿, 以增强夜间粮仓机械通风时仓内粮堆的冷却效果。

1 粮仓冷负荷计算

以上海地区为例, 计算稻谷仓储中应用太阳能制冷的建设投资;仓储类型为平房仓, 实现准低温储粮, 即粮温在20℃为设计目标。

1.1 复冷时间的确定

从上海气象条件来看, 4月下旬至10月底绝大多数白天日最高气温超过20℃, 5月初至10月中旬日最高气温超过25℃。通过机械通风降温和“初冷”的粮食, 其上层和四周垂直层的粮温在4月末只有14~l5℃, 但到6月上旬达到20℃, 7月上旬即达到25℃, 到8月末超过30℃。因此, “复冷”应选择在7月初开始, 时间不宜超过1个半月, 宜控制在1个月内完成。

1.2 典型仓储的仓内冷负荷

以平房仓为例, 准低温平房仓轴线尺寸 (长×宽) 为:66m×27m, 占地尺寸长×宽为:66.7m×27.3m, 占地面积1 821m2, 檐口高度10.9m, 房顶尖高度13.9m, 房顶面积1 934.3 m2 (见图1) , 储存稻谷7 448t。

考虑到粮食的导热系数较低, 经机械通风和“初冷”降温后的粮层在春末夏初时受室外气温升高而产生的粮温变化缓慢, 即内层粮食仍在20℃以内。为便于计算, 假设室外气温变化在粮层内的穿透厚度为粮堆各向尺寸的1/5。因此, 平房仓待复冷粮食体积为粮堆体积的89/125。

准低温仓的热负荷主要来自围护结构传热而引起的耗冷量Q1, 粮食冷却而引起的耗冷量Q2, 粮食储存呼吸热而引起的耗冷量Q3及管理操作而引起的耗冷量Q4, 总耗冷量Q总=Q1+Q2+Q3+Q4。

其中围护结构传热而产生的冷负荷Q1

式中:Qq为外墙传热产生的冷负荷, W;Qf为屋顶传热形成的冷负荷, W;Qd为地坪传热形成的冷负荷,

W。

式中:K为外墙传热系数, W/ (m2·℃) , 根据库内外温差取0.55;F为传热面积, m2, 按朝向分别计算;twp为夏季室外平均温度, ℃;Jp为太阳平均辐射强度, 与地理位置及墙的朝向有关, W/m2, 水平面为333W/m2, 东、西、南、北4外墙分别为174、174、128、79 W/m2;ρ为材料外表面对太阳辐射热的吸收系数, 青灰色水泥屋面与墙面ρ=0.7;αw为墙外表面换热系数, W/ (m2·℃) , 室外平均风速2.5~3m/s时W/ (m2·℃) ;tn为准低温库内要求的温度, ℃, 取20℃;Kdi、Fdi分别为按照距外墙0~2、2~4、4~6和6m以上的距离划分的内外4个区域的分段传热系数和地坪面积, 本例中4个区域的传热系数分别为0.46、0.23、0.12和0.07 W/ (m2·℃) 。

粮食呼吸产生的冷负荷Q3按式 (5) 计算

式中:G为储粮总数, t;q为单位质量粮食的呼吸热, 对于15℃时含水量15%的大米q=0.37W/t。

操作管理产生的冷负荷Q4按式 (6) 计算

式中:Qz为库内照明产生的冷负荷, W;Qk为库房开门产生的冷负荷, W;qz为单位面积由照明产生的热量, 对于非生产性库房, qz=3W/m2;F为库房截面积, m2;c为系数, 与库房性质有关, 对于非生产性库房c=0.35;qk为库房单位面积开门产生的热量, 当F>100m2时, qk=3.5W/m2。

以上各式代入数值后, 经计算, 各项负荷列于表1中。

在实际配置制冷设备时, 一般应有一定的安全系数, 以确保准低温仓能达到设定的温度要求, 因此, 制冷设备的制冷量为

1.3 设备选型及建设投资

1.3.1 吸收式制冷机

以冷负荷计算中的平房仓冷负荷确定设备选型。由上文可知, 采用吸收式制冷机有利于实现以太阳能作为热源进行制冷的应用。根据《实用供热空调设计手册》中的选型原则, 太阳能吸收式空调采用远大开发生产的太阳能吸收式空调系统。据调查, 压缩式机组、燃气吸收式机组、太阳能吸收式机组的价格依次增高。太阳能吸收式机组的价格约为同等制冷量直燃式机组价格的1.5~1.7倍, 约为电动压缩式机组价格的2.4~3倍, 且随着制冷量的增大, 价格差距相应扩大。太阳能吸收式机组在机组投资上并不具有优势。双效机较单效机初投资更多, 考虑到单效机的性能系数仅0.6左右, 而双效机可达1.1~1.2, 本方案仍采用双效机, 初投资约30万元。

1.3.2 太阳能集热器

一般来说, 平板集热器的适用温度范围较真空管集热器要低, 真空管在中、高温工况下仍有较好的工作性能。根据太阳能吸收式制冷所需的热源温度要求, 采用真空管集热器更为有利。真空管 (Φ47) 集热器单位面积初投资在1 600~2 000元。假设双效机的性能系数为1.2, 则需要从热源提取的热量为Q

上海市当地纬度平面上太阳总辐射月平均日辐照量为16MJ/m2·d (7月份) , 热水温度为150℃时集热器效率约40%, 假设仅春末夏初复冷时采用太阳能制冷, 为了简化系统组成和降低初投资, 系统不设蓄冷装置, 仅在白天使用太阳能, 夜间采用其他辅助冷却措施, 太阳能保证率为50%, 据此估算所需集热器面积A集

因此, 集热器造价约177.1万元。

1.3.3 辅助热源系统

冷却期间当光照条件不足时, 需采用其他辅助冷却措施保证降温过程的连续性。采用燃油锅炉作为辅助热源, 选用国产双良吨燃油锅炉一台, 初投资约7万元。

1.3.4 粮库降温设备

采用超薄吊顶冷风机对粮库送风, 平房仓配超薄吊顶冷风机 (10~15kW) 15台, 顶送风形式。设备投资约12万元。主要设备及造价见表2。

2 太阳能制冷与常规制冷方案的建设投资对比

2.1 谷物冷却机降温储粮方案

谷物冷却机一般有制冷系统、通风系统、自动控制系统和移动式机架组成。制冷系统主要包含压缩机、蒸发器、冷凝器和管路、控制阀等。谷冷机在制冷系统中装备有后加热器, 以调节输出空气的相对湿度。通风系统向粮堆输送空气, 动力一般为离心式风机, 配有风量调节装置, 以使得风量与各冷机的制冷量相匹配, 输出恒温恒湿空气。其制冷系统方案配置见表3。

2.2 水源冷水机组制冷系统降温储粮方案

利用江水将水源冷水机组冷凝器中的高温高压的制冷剂蒸汽降温, 冷却采用直流式;冷水机组生产出7℃左右的冷水, 再用冷水泵把冷水输送到粮库用来降温末端换热设备, 回风经冷水降温后通过送风道把冷风送到粮库内, 回风可循环使用, 冷水回水12℃再回到制冷机组降温。其制冷系统方案配置及制冷机组性能见表4。

2.3 浅层地能直膨冷风机组制冷系统降温储粮方案

浅层地能储粮系统, 是利用地下浅层土壤夏季低于环境温度的特性, 从中提取冷量并进一步降低温度后实现粮仓的降温。浅层地能的采集有打井或地埋管两种方式, 采用地下水形式, 整个系统要打流量为40m3/h左右两口水井。其制冷系统方案配置见表5。

以上计算中未包括水阀件、风阀件、送回风管、连接管道、保温材料等材料的价格。

3 太阳能制冷与其他粮库制冷方案运行费用比较

各种方案的运行费用的差异主要来自能耗费用, 以主要设备即锅炉、制冷机的能耗为准进行比较, 各种能源价格及单位热量费用见表6。

因此, 太阳能+燃油锅炉制冷方案的年运行费用为:耗油量=

P油=4 000/t×3 374÷1 000t=1.35万元

谷物冷却机制冷方案的年运行费用为:

耗油量=36.4kW×3×24h×30=78 624k W·h

P电=0.61/ (k W·h) ×78 624k W·h=4.8万元

水源热泵机组制冷方案的年运行费用为:

耗油量=68.5kW×24h×30=49 320k W·h

P电=0.61/ (k W·h) ×49 320k W·h=3.01万元

浅层地能直膨式冷风机组制冷方案的年运行费用为:

耗油量=79.5kW×24h×30=57 240k W·h

P电=0.61/ (k W·h) ×57 240k W·h=3.49万元

综上, 太阳能+燃油锅炉、谷物冷却机、水源热泵和地能直膨式冷却4种方案的初投资和主机运行费用对比见表7。

注:不包括水泵等输送设备耗电和维护费用。

4 小结

综上所述, 采用太阳能制冷实现粮仓的冷却这一方案在初投资方面并无优势, 但运行费用最低。水源热泵一般只适用于有地表水富存的地区, 如沿江、河、湖泊等地区, 同时, 当地水质的优劣对系统长期运行性能的稳定性有重要影响。与谷物冷却机方案相比, 太阳能方案需14~15年收回多出的投资, 而太阳能系统的使用年限一般在20年以上, 完全可在寿命周期内收回成本。直膨式地能冷却方案的初投资和运行费用在四种方案中均适中, 但是, 这类系统只适于有丰富的地下水赋存的地区。而且, 随着对环境、资源保护力度的加大, 我国对地下水开采的限制日趋严格, 这是不利于其推广的现实因素。应当看到, 太阳能系统是一种无污染的绿色能源系统, 也是国家支持的建设方向, 其利用不受其他自然资源条件的限制, 与现有电制冷系统相比, 大大降低了运行费用, 可望在使用寿命内收回投资。目前, 该系统的不足之处在于太阳能集热器成本过高, 研制出高效、低成本的集热器材料是降低太阳能制冷系统初投资的关键。太阳能制冷技术的应用, 就目前状况而言以吸收式制冷最为有利。虽然系统COP较低, 但输入的是免费天然热源, 可以收回投资, 是有光明前景的一种储粮用供冷方式。

摘要：针对平房仓计算了准低温储粮冷负荷, 对采用太阳能吸收式制冷系统的设备初投资和运行费用进行了计算, 并与常见的其他制冷系统进行了经济性比较, 分析了目前太阳能吸式收式制冷技术在准低温储粮应用中面临的问题和前景。

关键词：太阳能,吸收式制冷,准低温储粮,经济性

参考文献

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[2]G.R.Thorpe, The modelling and potential applications of a simple solar regenerated grain cooling device[J].Postharvest Biology and Technology, 1998, 13 (2) :151～168.

[3]T.F.N.Thoruwa, C.M.Johnstone, A.D.Grant, et al.Novel, low cost CaCl2based desiccants for solar crop drying applications[J].Renewable Energy, 2000, 19 (4) :513～520.

太阳能吸收式热泵系统 篇6

该文以温室的太阳能与水源热泵技术结合为加温系统,根据阜新地区不同的天气情况下的温度,对所研究的系统装置进行了温室加温试验,旨在为太阳能水源热泵联合运行的温室加温系统应用提供一定的数据资料。

1 温室系统

试验系统应用于阜新清河门地区的一栋温室,温室跨度10 m,东西长60 m,南北宽20 m,轴线面积1 200 m2,温室内有不同品种蔬菜植物。

连栋温室内种植不同种类的蔬菜,每种蔬菜对温度的适应范围也不同。表1为连栋温室内不同蔬菜作物对温度条件的要求。

通过对温室内各种蔬菜适应温度的分析,最终将温室白天的温度控制在20～30℃,夜晚温度控制在10～20℃,将温度控制在这个范围内从整体来看比较适合温室作物的生长。

1.1 系统原理

太阳能水源热泵连栋温室由四部分组成:集热系统、蓄热系统、辅助加热系统和供热系统(见图1)。

1.太阳能集热器;2.蓄热水箱;3.补水箱;4.补热电磁阀;5.散热管道;6.温度传感器;7.储水箱;8.供热泵;9.集热阀;10.蒸发器;11.温室 1.Solar energy collector;2.Heat storage tank;3.Filling water tank;4.Heat electromagnetic valve;5.Heat pipe;6.Temperature sensor;7.Storage water tank;8.Heat pump;9.Collection hot valve;10.Evaporator;11.Green hause

太阳能集热器和循环管道构成了温室的集热系统,供热系统由散热管道和供热泵组成。为了使温度变化平缓,在集热和供热系统之间设置有蓄热系统,蓄热水箱包括水源热泵的蒸发器和自动补水箱。当处于阴雪天气时太阳能不能完全供应所需要热量时开启水源热泵加热系统,同时还有传感器、电磁阀等辅助设备。

太阳能供热系统中所需地下水总量为:

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式中,m为热泵机组按制热最大工况运行时所需的地下水总水量(kg·s-1);tg1为井水温度15℃;tg2为回灌水水温,5℃;cp为水的定压比热4.2×103J·kg-1;Qh为建筑物供暖热负荷;COP为热泵机组的制热性能系数3.5。

1.2 系统的运行方式

太阳能热泵联合加热温室,供暖采用热水供热形式,运行方式为:白天太阳辐射强烈时,开启集热阀,集热器接受太阳辐射能,不断与蓄热水箱换热,提高蓄热水箱内的水温,当温室需要供热时,由水源热泵机组先将蓄热水箱内的水温加热至设定温度,然后开启供热泵,对温室进行供热。当阴天或者夜间时,直接开启水源热泵对蓄热水箱进行补热,当水箱达到预设温度时开启供热泵对温室进行供热。这个运行方式是将太阳能集热系统与水源热泵补热系统进行有机结合,优先利用太阳能,辅助热泵机组在不同天气条件下满足温室补热的要求。

2 温室系统加温效果分析

图2为阜新市2011年1月份某晴天与阴天的温度变化,对试验温室进行了系统供暖效果试验,分别选取晴天和阴雪天条件温室内的气温变化情况进行分析。

通过对试验温室的不同测量点的温度测量,绘制出阜新地区在不同天气情况下,试验温室的温度变化曲线。

图3为晴天的气温变化,白天8∶00～18∶00,温室的平均温度在22℃左右,主要受太阳辐射影响。18∶00左右,温度下降速度开始加快,此时,太阳能热水箱内水温不再升高,终温40℃。21∶00左右,热泵自行启动,说明温室温度低于下限16℃,此时热泵系统处于启动/停止变化状态。使温室内部的温度处于恒定值。

图4所示为阴天的气温变化,阴天时温室内温度变化不大,这是由于阴天太阳辐射量少,温室内的气温变化主要受热泵机组的影响。

上述结果表明,无论是晴天或阴天,试验温室内的温度均显著高于室外,都能够满足室内作物生长的需要。

3 经济性分析

一般说来,热泵比燃煤供热锅炉节能,但同时增加了设备投资费用[4]。必须对热泵经济效益做出综合评价,现从能耗费用方面进行分析。

热负荷计算公式[5]:

Qh=αAk(t2-t1)

式中,α为温度修正系数,取1.0;k为围护结构冬季(夏季)传热系数,取3 m2·℃-1;A为围护结构传热面积,1 200 m2;t2为冬季温室室内设计温度 23℃;t1为冬季室外干球温度-20℃;Qh=154 800 kJ。

能耗费用是指热泵或其它锅炉等加热同一热量时所需要的燃料费用,又称动力费用或加热费用[6]。现把用热泵、煤、太阳能热泵联合3种供暖方式,在1 h里加热所需相同热量154 800 kJ时所需的费用作一比较。

(1)单独采用热泵,所需功率:

W=Q/(860×ε)

其中ε=4,则W=45 kW,阜新市农业用电单价为0.6元·(kWh)-1,则电费为27元。

(2)采用煤,燃料用量为B=Q/(6 700×η)=25.67 kg,若煤的价格为500元·t-1,0.5元·kg-1,则煤费为12.8元。

(3)采用太阳能热泵联合系统,温室需要的热量分为太阳能供给与热泵机组供给,热泵供给热量为77 400 kJ,则热泵所需的电费为13.5元。

由以上预算可知:能耗费用为单独热泵>太阳能热泵联合系统>采用煤,采用太阳能热泵联合系统的费用虽然比燃煤锅炉用的费用稍高,但是没有环境污染;单独使用热泵费用要比燃煤、太阳能热泵联合系统费用高出近一倍,总体来看太阳能热泵联合系统节能环保。

4 结论

该文介绍了适用于温室的新型太阳能水源热泵联合加温装置,并在阜新地区对装置系统的温室加热效果进行了试验研究,得出结论是:

(1)阜新地区地下水资源非常丰富,水温最高可达71.7℃,这为温室供热提供了良好的自然地理条件。

(2)系统性能测试结果表明,在阜新最冷月1月,太阳能集热器和蓄热水箱工作情况良好。

(3)从加温效果看,无论晴天还是阴天,太阳能水源热泵系统都能满足温室作物生长需求,且加温过程较稳定;系统充分利用清洁能源太阳能,太阳能集热器能够大大提高蓄热水箱内水的初温。

水源热泵温室利用系统是一套可适时控制温室内的温度,并且清洁无污染的温度调节系统。该研究从经济性和技术性两方面阐述了水源热泵技术在温室内温度调节方面应用的可推广性,有一定的实用性。

摘要：为了探索太阳能-水源热泵技术在设施农业领域的应用方法和发展潜力,寻求解决温室加温费用高、存在污染等问题的方法,对一种用于温室的太阳能和水源热泵联合加温系统进行了试验研究。结果表明:此项研究对太阳能-水源热泵这项新能源技术在农业领域的应用具有重要的意义,可减少连栋温室水源热泵加温系统一次性投资和运行成本,降低能源消耗,为太阳能水源热泵联合作为温室有效的加温系统提供了一定的理论依据。

关键词：太阳能,传热,水源热泵,温室

参考文献

[1]蔡龙俊,鲁雅萍.农业温室供热系统的研究与设计[J].建筑热能通风空调,2001(2):23-25.

[2]陈冰,罗小林,毕方琳,等.温室太阳能与空气源热泵联合加热系统的试验[J].中国农业科技导报,2011,13(1):55-59.

[3]路爱平,许丕伟.辽宁阜新市东梁区地热普查DR-1地热报告[R].沈阳:东北煤田地质局一O七勘探队,2002.

[4]黄余余.地源热泵系统效益分析研究[D].西安:西安理工大学,2010.

[5]陈鸿羽.水源热泵的适用性研究分析[D].武汉:长安大学,2000.

太阳能和地源热泵采暖系统初步设计 篇7

太阳能地源热泵采暖系统由太阳能和地源热泵作为热源，通过太阳能集热器、地源热泵、水箱、连接管道、控制系统和发热末端等构成。将太阳能所采集的热源和地源热泵采集的热源通过管道将热源储存在水箱内，然后通过热水输送到发热末端，提供建筑供热的需求。

本系统设计主要考虑采用地暖形式供热。

一般要求:

要求建筑屋面等具有足够面积摆放相应面积的太阳能集热器，以便于提供足够的热量。而地源热泵可以作为热源的补充，提供建筑采暖所需要的热量。

安装太阳能采暖系统的建筑，其朝向宜为南向。建筑的体形和空间组合避免安装太阳能集热器部位应满足太阳能集热器有不少于4 h日照射数的要求，不得受其他建筑物或树木的遮挡。

而对于使用采暖系统的建筑物，其外墙、门窗系统均需要做保温处理。

2 太阳能热泵系统采暖系统的初步设计方案

2.1 太阳能热泵集热要求

系统选型主要考虑以下因素:

1)太阳能集热器类型;2)系统工作方式，自然循环或强制循环，闭式系统或开式系统;3)换热方式，直接系统或间接系统;4)备份热源，电加热器、燃气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、热泵等;5)管材和水箱材质。

我们主要采用太阳能真空管集热器采集，地源热泵作为热源作热源补充，并采用强制循环系统，间接换热方式进行换热处理。

水箱采用不锈钢保温水箱，PPR保温管道进行热源的存储与运输。

采用自动控制系统控制热源的采集和使用。

2.2 太阳能蓄能采暖方式

从太阳能蓄能的经济性考虑，我们提倡采用采暖当天蓄能采暖方式，而不采用其他的例如周蓄能方式。

当天蓄能采暖:

当天蓄能采暖是利用太阳能地源热泵集热器将当天的热能收集到水箱内储存起来，满足第二日建筑末端的供热需求。当日太阳能不足的情形下，则由地源热泵提供热源补充。

3 供热负荷及容量确定

太阳能采暖系统供热负荷计算主要分两种用途，一是用于确定太阳能集热器面积，另一种用于设计备份热源和热水管路。

以当天蓄能采暖方式为例确定供暖热负荷。

3.1 供暖热负荷的确定

供暖系统的设计热负荷可用下式表示:Q=Q1+Q2+Q3+(-Qd)。

其中，Q1为墙壁散热量;Q2为开关门散热量;Q3为排气孔耗热量;Qd为太阳辐射进入室内的热量。此系统是以辐射采暖为主(占60%以上)，辅以对流传热。

据《暖通规范》及实际工程设计情况，在工程中，在仅知道建筑的总面积的情况下可采用以下采暖热指标进行计算。

建筑物热指标推荐表(2003技术措施:暖通空调)见表1。

室外-9℃(太原)的条件下，供暖需求量，用这个值去配置供暖设备，相当于在最大条件下的出力。

太原冬天室外平均-1.6℃，室内保证16℃，这时的规定平方米指标20.6 W。

3.2 每日耗热量计算

以太原地区节能建筑面积5 000 m2教室为例。

热指标q=20.6 W/m2。

热负荷Q=q·A(5 000 m2)=103 000 W。

每日热量Qr=103 k W×3 600×10 h=3 708 000 k J。

时间取值:以太原教室作息习惯考虑，早8点到下午6点教室使用，故以上公式中取10 h。可根据实际情况更改，如24 h。

太原的冬季(1月、2月、3月、12月)日照辐射量平均为10 364.4 k J/m2(集热器受热面上的辐照量为水平面上的辐照量做一修正:10 364.4 k J/m2×1.2=12 437.2 k J/m2)。

太原市太阳辐照资料。

根据国家气象中心提供的辐射资料，太原(区站号:53772;东经:11233;北纬:3747;观测点海拔高度:778.3 m)的月日均及年总辐射数据(单位:MJ/m2)见表2。

太阳能的集热效率为47%。

太阳能集热面积S=3 708 000 k J/(12 437 k J/m×47%)=634.35 m2。

3.3 辅助热源———地源热泵容量确定

热负荷Q=q·A(5 000 m2)=103 000 W。

地源热泵每日工作10 h，则需要配备的地源热泵W=103 k W。

4 水箱的确定

循环进口温度以45℃为宜，水箱内的温度应当保持在50℃。根据相关计算公式得出:水箱容量=26 218.04 L。

所以取:30 t储热水箱。

5 太阳能采暖系统辅材的确定

5.1 管路

太阳能采暖系统采用的管材和管件符合产品要求，管道的工作压力和工作温度不得大于产品标准标定的允许工作压力和工作温度。

太阳能集热系统管道一般采用钢管、薄壁不锈钢、塑钢热水管、塑料与金属复合管等。以乙二醇为主要成分的防冻液系统不宜采用镀锌钢管。

热水管道应选用耐腐蚀并符合卫生要求的管道，一般可采用薄壁铜管、薄壁不锈钢、塑料热水管、塑料与金属复合管等。

设计时，应在系统管路必要位置设置排气装置、泄水装置、温度计、压力表、安全阀、膨胀水箱等辅助设备。闭式系统应设置膨胀罐或泄压阀。

5.2 管路保温

太阳能热水系统的集热系统连接管道、水箱、供水管道均应保温。常用的保温材料采用PES保温。

6 供热末端确定

本系统方案采用地暖方式采暖。

太阳能系统效率与集热器种类和工质的工作温度密切相关，太阳能供热采暖系统的散热部件按以下原则选用:

1)太阳能供热采暖系统应优先选用低温辐射供暖系统。

2)水—空气处理设备和散热器系统宜使用在60℃～80℃工作温度下效率较高的太阳能集热器，如高效平板太阳能集热器或热管真空管太阳能集热器。该系统适合夏热冬冷或温暖地区。

3)热风采暖系统适宜低层建筑或局部场所需要供暖的场合。

6.1 低温辐射供暖系统的设计要点

太阳能采暖系统较适宜低温辐射供热。供水温度不宜超过60℃，供回水温差10℃左右为宜，太阳能供热采暖系统供水温度宜采用35℃～50℃;供热系统的工作压力不得超过0.8 MPa;地表温度平均温度计算值应符合表3的规定。

℃

6.2 地面构造

地面构造由楼板或与土壤相邻的地面、绝热层、加热管、填充层、找平层和面层组成。与土壤相邻的地面，必须设绝缘热层，且绝缘热层下部必须设置防潮层。

直接与室外空气相邻的楼板，必须设置绝缘层。

对卫生间、洗衣间、浴室和游泳馆等潮湿房间，在填充层上部应设置隔离层。

当工程允许地面按双向散热进行设计时，各楼层间的楼板上部可不设绝缘层。

绝热层采用聚苯乙烯泡沫塑料板，容重不小于20 kg/m，压缩强度不小于100 k Pa，热导率不大于0.41 W/(m·℃)。绝热层厚度应满足:楼层之间楼板上的绝热层不小于20 mm，与土壤或室外空气相邻的地板上的绝热层不小于40 mm。

在与内外墙、柱及过门等垂直部件交接处应敷设不间断的伸缩缝，伸缩缝宽度不应小于20 mm，伸缩缝宜采用聚苯乙烯或高发泡聚乙烯泡沫塑料。

当地面面积超过30 m2或边长超过6 m时，应设置伸缩缝，伸缩缝宽度不宜小于8 mm，伸缩缝宜采用高发泡聚乙烯泡沫塑料或内满填弹性膨胀膏。

填充层的材料宜采用C15豆石混凝土，豆石粒径不宜大于12 mm。填充层的厚度不宜小于50 mm。如地面荷载大于20 k N/m2时，应会同结构设计人员采用加固措施。

面层宜采用热阻小于0.05(m2·℃)/W的材料。例如:花岗石、大理石、陶瓷砖等的热阻为0.02(m2·℃)/W。

摘要：通过对太阳能地源热泵采暖系统的简要介绍,就该系统的初步设计方案进行了论述,并对供热负荷及容量确定、水箱的确定、辅材及供热末端的确定作了探讨,以保证地源热泵系统的正常运行。

关键词：地源热泵系统,太阳能,供热负荷

参考文献

太阳能吸收式热泵系统 篇8

人类赖以生存的环境日益遭到破坏, 能源紧缺、环境污染, 严重地影响了我国乃至世界的发展。近年来寻找新兴替代能源无论从经济角度, 还是国家战略角度而言, 已经刻不容缓。

自GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》实施以来, 地源热泵在我国取得了健康快速的发展和应用[1]。然而, 地源热泵系统在长期使用过程中会从地下过多地取热或向地下过多地散热, 造成地下温度场的波动, 降低机组的COP值, 增加系统的能耗[2]。本文提出蓄热型太阳能地源热泵系统的设计方案。该方案克服了地源热泵系统或太阳能热泵系统单独运行时能效低等缺陷, 提高了地源热泵系统的工作性能[3], 实现系统的优化, 增加对可再生能源的利用率。

1 系统设计

如图1所示, 本新型系统由地源热泵机组、蓄热水箱、太阳能集热器、地埋管换热器、控制和采集系统、冷热水循环系统和室内机等部分组成[4]。

本系统适合全年使用, 冬季和夏季适用于空调和热水供应, 过渡季节可以供应热水, 并将多余能量以热能的形式存储于太阳能蓄水箱内, 作为冬季供暖或热水供应。在系统工作时, 优先使用蓄热型太阳能系统, 这不仅为土壤温度场提供了恢复期, 而且最大限度地利用了可再生能源太阳能。

夏季, 系统通过室内机将空气中的热量送入热泵机组进行热交换, 在热泵机组蒸发器中通过冷冻水吸热, 用于室内制冷;冷凝器中通过冷却水交换热量产生热水送入分水器, 部分冷凝热通过太阳能系统中的蓄热水箱来回收利用, 水箱为蒸发式冷凝器, 通过换热盘管上的水膜蒸发以相变的方式带走冷凝热, 产生的冷却水进入集水器, 同时遗留在水箱内部的循环水将通过显热吸热的方式升温至40℃左右, 产生的热水可以为居民提供生活热水, 用掉的水可以通过在蓄热水箱的下部设置由浮球阀控制的补水装置及时有效地补充, 这比较适合于新建宾馆、酒店、商住楼等有热水需要的公共建筑;另一部分冷凝热则通过地埋管换热器进行热交换, 由此形成的冷却水通过集水器又回到热泵机组, 至此完成制冷循环。

冬季, 其供热模式主要有三种: (1) 在太阳能强度满足要求时, 单独使用太阳能系统来运行, 蓄热水箱内, 进风口封闭, 箱体保温, 上部风机停机, 供应热水 (蓄热水箱内换热管置于热水内) 。一部分热水可作为空调器蒸发器的热源, 另一部分作为生活热水; (2) 地源热泵系统与太阳能系统并联或串联运行, 采用太阳能蓄热水箱和地下埋管通过热管换热器并联, 室内机则完成室内供热, 在蓄热水箱内设置温度传感器, 以此来控制生活热水的最低需求温度, 这样可以实现室内供热时热水也正常供应; (3) 在连续长期阴雨天时单独使用地源热泵系统供暖, 该系统机组热源则为地下埋管换热器, 通过埋管换热器与蓄热水箱串联来实现生活热水的供应。

2 系统实验研究

为了对新系统进行实验研究, 在徐州地区设计并建立一套实验系统, 选择徐州市植物园地源热泵施工现场实验室作为本系统实验的模拟房间。该房间的面积为20 m2。夏季平均日 (取6、7、8月的平均值) 太阳辐射量为15.52 MJ/m2, 冬季平均日 (取12、1、2月的平均值) 太阳辐射量为7.68MJ/m2[5]。徐州地区, 单位总建筑冷负荷取90 W/m2, 单位总建筑热负荷取80 W/m2。则夏季空调冷负荷为:Q0=20×90=1.8 k W;冬季热负荷为:Q0=20×80=1.6 k W。

为了较好地与常规空气源热泵空调进行性能比较, 夏季制冷量取Φ0=3.5 k W, 冬季供热量取Φ0=3.5× (1+10%) =3.85 k W进行设计概算。建成的实验装置部分实物如图2~3所示。实验井埋管参数如表1所示。

水箱及连接管路水箱中盘管换热器相关参数:6 mm的铜管外加铝翅片, 翅片厚度1 mm、距离2 mm, 铜管排列为蛇形插排, 上下4层。盘管整体尺寸:长×宽×高=50cm×52 cm×14 cm。铜管的表面积S铜=NLπD=40×0.53×3.1415926×0.01=0.67 m2, 翅片的面积为:

换热面积的大小, 则根据流体与翅片接触的大小水利半径确定, 一般可取换热面积S=2 m2。

采用最佳设计负荷计算方法计算最佳埋管长度[6]:

式中K1=1+ (C1-1) ×0.4;

C1—负荷强度的峰均比;

K1———修正因子;

qt———平均负荷强度。

3 实验结果和数据处理

通过实验, 得到不同条件下各个影响因素与系统的制冷或供热性能系数COP间的关系:

1) 在室内机制冷模式设置20℃、换热盘管迎面风量62.37 L/h、冷水23.4℃的条件下研究循环水泵流量与系统制冷系数之间的关系, 如图4所示。

2) 在室内机制冷模式设置20℃、换热盘管迎面风量62.37 L/h、循环水量设置497.63 L/h的条件下研究喷管喷淋温度与系统制冷系数之间的关系, 如图5所示。

3) 在室内机制冷模式设置20℃、喷管喷淋温度25.695℃、循环水量设置497 L/h、风温度23.6℃的条件下研究换热盘管的迎风风量与系统制冷系数之间的关系, 如图6所示。

4) 室内机制冷模式设置20℃、喷管喷淋温度23.707℃、循环水量设置497 L/h、风温度23.6℃的条件下研究换热盘管面积与系统制冷系数之间的关系, 如图7所示。

5) 在室温25.4℃、室内机供热模式设置30℃、喷管喷淋温度28.22℃的条件下研究循环水泵流量与系统供热系数之间的关系, 如图8所示。

6) 在室温25.4℃、室内机供热模式设置30℃、循环水量设置497.63 L/h的条件下研究喷管喷淋温度与系统供热系数之间的关系, 如图9所示。

7) 在室温25.4℃、室内机供热模式设置30℃、循环水量设置497.63 L/h、喷管喷淋温度25.59℃条件下研究换热盘管面积与系统供热系数之间的关系, 如图10所示。

由此以上实验结果分析可知, 对应本蓄热型太阳能地源热泵耦合系统的各因素匹配关系为:水泵选择循环流量为542.87L/h、风机风量为31.59L/h、喷淋温度制冷为22.3℃、供热为24.1℃、换热面积为1.6 m2。

4 系统经济性分析

针对太阳能与地源热泵联合供热模式, 土耳其Edge U-niversity的Onder Ozgener和Arif Hepbasli教授发表了关于太阳能辅助地源热泵温室供热的系统, 该复合系统的效率约为71.8%[7,8]。

本实验房间冬季热负荷为1.7 k W, 系统运行过程中热泵机组承担80%的热负荷, 系统的运行时间为1年, 其初投资约为15 630元, 若使用地源热泵系统单独运行, 其初投资约为11 000元。电费以0.8元/度计算, 本系统运行成本约为1843.2元, 而单独使用地源热泵系统其运行成本约为2 764.8元。总费用是指系统的实际年投资费用与运行费用之和 (假设热泵的运行寿命为25年) 。在比较系统的运行费用时需考虑利率对计算的影响, 因此采用年终值公式进行计算[9]。分析如表2。

元

因此, 该新型太阳能地源热泵耦合系统虽然初投资比地源热泵系统高, 但是用太阳能代替了部分电能, 从而起到了节能的作用, 提高了可再生能源的利用率, 适合全年使用。不过随着科技的发展, 该系统的初投资会降低, 那么投资回收期也会相应地减少, 届时, 该复合系统将会得到更广泛地推广。

5 结论

1) 该系统能满足全年生活热水供应及供暖, 与传统太阳能热泵空调系统相比, 系统供暖不需用电来加热热水;

2) 夏季工况时, 系统通过“降膜法换热”实现高效换热, 满足制冷需求及生活热水供应;冬季工况时, 水箱底部设置的温度传感器能保证系统一直处于最佳换热状态, 实现高品质供暖;

3) 太阳能集热器与地埋管换热器的运行, 是一个较为复杂的传热、传质动态过程, 由于系统各部件相互耦合, 因此系统的运行效果与集热器和地埋管换热器的效率、热泵机组的工作效率、房间的负荷大小以及土壤中的换热方式等诸多因素有关;

4) 不同流量下地下埋管侧阻力测试结果表明:随流量的增加, 埋管侧阻力亦增大。因此, 建议在满足紊流和排气的情况下, 尽量选用较小流量, 实现节能运行。

参考文献

[1]GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].

[2]张佩芳.地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探[J].制冷与空调, 2003, 3 (3) :12-15.

[3]张伟, 朱家玲, 胡涛.太阳能与土壤源耦合供暖系统的实验研究[J].太阳能学报, 2011, 32 (4) :496-500.

[4]张东海, 高蓬辉.太阳能与地源热泵耦合系统实验台设计[J].实验技术与管理, 2011, 28 (9) :59-62.

[5]张利华, 刘杰, 张仁祖.徐州地区太阳辐射状况评估[J].江西农业学报, 2010, 21 (3) :114-117.

[6]徐坚, 俞亚南.动态负荷下地源热泵系统的优化设计[J].浙江大学学报, 2010, 44 (6) :1197-1200.

[7]Onder Ozgener, Arif Hepbasli.Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system[J].Energy and Buildings, 2005, 37:101-110.

[8]Onder Ozgener, Arif Hepbasli.Exergoeconomican alysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system[J].Applied Thermal Engineering, 2005, 25:1459-1471.