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          1. China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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            基于裝配式建筑太陽能輔助空氣源熱泵系統特性分析

            • 作者:
            • 中國暖通空調網
            • 發布時間:
            • 2021-03-04

            張玉菡1,張偉捷1,吳金順2,潘嵩3,呂闖2,張維亞2

            1 河北工程大學能源與環境工程學院;2 華北科技學院建筑工程學院;3 北京工業大學建筑工程學院

                   【摘  要】生態環保是京津冀地區協同發展的重點領域之一,能源的生產消費與生態環保息息相關,其中農村能源是能源體系的重要組成部分。為了解決新農村能源利用尤其是采暖問題,本文提出了一種應用太陽能輔助空氣源熱泵輻射系統供暖的裝配式一體房,并對該裝配式建筑的采暖系統進行監測,針對系統太陽能集熱部分、空氣源熱泵部分以及毛細管網輻射采暖部分的運行特性進行分析。結果表明本系統太陽能集熱器對供暖期間的貢獻率為35.4%,空氣源熱泵供暖期間貢獻率為65.6%,該系統能夠達到用戶對住宅的采暖需求,對京津冀地區能源體系的完善意義重大。

                   【關鍵字】太陽能、空氣源熱泵、毛細管網、裝配式、運行特性

            0 引言

                   生態環保是京津冀地區協同發展三大效率的重點領域之一,其中能源的生產和消費直接與生態環境保護息息相關[1]。農村能源是我國能源體系的重要組成部分,長期以來,農村建筑一直為磚混式建筑,建筑建設一直處于自由無序、粗放型狀態,消耗大量能源資源,造成環境污染,工程質量堪憂,亟待轉型發展[2]。而裝配式建筑是標準化設計、工業化生產、機械化安裝、信息化管理的現代化建造方式。發展農村裝配式建筑是農房建設轉型升級的重要載體,能夠全面提升農房質量、帶動農村經濟發展的、降低資源消耗的重要舉措。

                   京津冀地區農村采暖方式主要為煤炭小型鍋爐[3],該采暖方式運行成本高、系統壽命短、環境污染嚴重。低碳能源的開發與利用是解決能源與環保問題的重要手段,清潔可再生能源技術的應用越來越收到人們的重視,太陽能與熱泵等技術的應用越來越廣泛。然而常規太陽能采暖受環境因素影響大,且不能全天運行,而熱泵作為一種高效節能裝置,也有其固有的缺點,若將其與太陽能供暖系統有機結合,在解決太陽能供熱不足問題的同時[4],還能夠解決熱泵一部分問題。

                   針對上述兩個方面,本文提出一種應用太陽能輔助空氣源熱泵系統的裝配式一體房。并在供暖期間對系統相關參數進行測試,對其運行特性進行分析。

            1 系統介紹

                   1.1 裝配房簡介


            圖1-1 裝配式一體房

                   該建筑位于北京某地區,建筑主體由航運集裝箱改造而成,建筑面積為36㎡,12m×3m×3m(長×寬×高),墻厚10cm,門窗均為三層真空保溫玻璃,如圖1-1所示。

                   1.2 太陽能輔助空氣源熱泵系統簡介

                   該裝配式建筑所采用的采暖系統為太陽能輔助空氣源熱泵輻射采暖系統,其中太陽能集熱器與空氣源熱泵并聯,太陽能集熱器所收集的熱量貯存在水箱,空氣源熱泵通過將吸收的空氣能通過管道循環貯存在蓄熱水箱,蓄熱水箱通過循環水泵供給室內熱量。采暖末端為立面毛細管,其系統圖如圖1-2所示。

            2 系統測試

                   為了對該系統的熱力學性能、運行效果進行分析,對本系統的太陽能集熱器溫度、毛細管網回水溫度、室內溫度,空氣源熱泵制冷劑進、出口溫度進行測試,測試時間為2018年2月4日0:00至2018年2月7日24:00。該系統白天運行太陽能集熱系統(9:30-17:00),夜晚運行空氣源熱泵系統。系統為智能控制系統,主要運行功能為:當蓄熱水箱水溫<55℃時啟動水泵P1,當蓄熱水箱水溫≥60℃時關閉水泵P1;當房間內溫度<25℃時啟動P2,當房間內溫度≥30℃時,關閉P2;當蓄熱水箱水溫<35℃,且太陽能集熱器內水溫與蓄熱水箱內水溫溫差小于1.5℃時開啟空氣源熱泵,當蓄熱水箱內溫度≥40℃或太陽能集熱器內水溫于蓄熱水箱內水溫≥2.0℃時關閉空氣源熱泵。


            圖1-2 太陽能輔助空氣源熱泵輻射采暖系統圖

            圖2-1 太陽能集熱器內水溫                                 圖2-2 工質進口溫度

                   2.1 太陽能集熱器水溫

                   太陽能集熱系統在白天運行(9:30-17:00),太陽能集熱器太陽能集熱系統內水溫如圖2-1所示。由圖2-1可以看出,在太陽能集熱系統運行期間,太陽能集熱器內水溫在30-140℃之間,而蓄熱水箱內水溫不高于70攝氏度,在這期間,太陽能集熱器能夠將所集熱量通過循環系統貯存到蓄熱水箱中。

                   2.2 空氣源熱泵工質溫度

                   空氣源熱泵在晚上和太陽能集熱器供熱量不足時運行,對空氣源熱泵工質與換熱器之間進出口溫度進行監測,對監測數據溫度數據進行整理,如圖2-2,2-3所示??梢钥闯隹諝庠礋岜迷?8:00-8:00運行,其工質進入換熱器的溫度在30~65℃之間,出口溫度基本在20~30℃之間。以2月4號工質進出口溫度為例(圖2-4),可以看出,在太陽能集熱系統運行期間空氣源熱泵系統基本不運行。


            圖2-3 工質出口溫度                                               圖2-4 工質進出口溫度

                   2.3 蓄熱水箱溫度

                   蓄熱水箱將太陽能集熱系統與空氣源熱泵系統所集熱量貯存起來,通過供熱系統供給室內,蓄熱水箱采用實時集熱實時放熱模式,其水溫隨時間的變化曲線如圖2-5所示,從圖中可以看出,在空氣源熱泵運行期間,水箱的溫度在35~40℃之間,在太陽能集器運行期間,其水溫隨著時間推移先升高后降低,在下午14:00左右達到最大值。


            圖2-5 蓄熱水箱溫度                                               圖2-6 室內溫度

                   2.4 室內溫度

                   供熱系統通過里面毛細管網供暖,測試期間對建筑東側及中間大廳是室內溫度進行監測,監測結果如圖2-6所示,從圖中可以看出室內溫度在20~30℃之間,在太陽能集熱器運行期間室內溫度先上升再降低,再下午14:00-16:00期間室內溫度基本在26℃以上,太陽能集熱器停止運行后,室內溫度逐漸下降至次日7:00左右達到最低值約21℃。

            3 系統運行分析

                   通過對實驗系統的測試,可以知道,在太陽能集熱系統運行期間,太陽能集熱器內水溫在40-140℃之間(圖2-1),經水循環后使蓄熱水箱內水溫在40℃以上,通過末端散熱后,室內溫度在26~30℃之間波動(圖2-6),因此太陽能集熱系統能夠長時間對該建筑進行供暖。圖2-1所示2月4號的太陽能集熱器溫度幅度波動較大,這是由于當天天氣狀況所致,但當天蓄熱水箱的溫度仍在40℃之上,室內溫度仍在20℃之上。所以在常規天氣狀況下,太陽能集熱系統能夠保證長時間的集熱,且能夠提供裝配房足夠的熱量,在本系統中,太陽能集熱系統供熱時間為9:00-18:00,即供熱時間占總的35.4%。

                   通過對圖2-2,2-3,2-4進行分析,可以看出在空氣源熱泵運行期間,其換熱工質基本在30~60℃之間波動,經過換熱器后工質溫度下降至35℃之下。低溫水經換熱器后供給蓄熱水箱,能夠使蓄熱水箱內水溫維持在35~40℃(圖2-5),進而長期穩定的通過循環系統供給室內熱量,保證室內溫度在20℃之上。因此,在京津冀地區,空氣源熱泵能夠在常規天氣下供給裝配房充足穩定的熱量,在本該系統中空氣源熱泵供暖時間占總的64.6%。

                   通過對圖2-6進行分析,可以看出裝配房室內溫度均在20℃之上,高于普通住宅之內采暖溫度。本系統末端采用立面毛細管網如圖3-1所示,由于毛細管網的高密度性,在相同熱舒適情況下,可以適當降低循環水溫度,由圖2-5所示,可以看出循環水水溫在30℃之上即可保證室內溫度在20℃以上,這大大提高了系統的運行效率。


            圖3-1 立面毛細管網

            4 結論

                   經過對本系統運行數據監測及分析,可以得到以下結論:

                   (1)太陽能集熱系統運行期間,蓄熱水箱的溫度在40℃以上,室內溫度基本維持在26~30℃,能夠保證用戶對熱量的需求,最終太陽能供熱時間占總的35.4%;

                   (2)空氣源熱泵運行期間,蓄熱水箱溫度維持在35~40℃之間,室內溫度在20℃以上,將空氣源熱泵在京津冀地區應用于該類型的裝配式建筑,能夠保證用戶對熱量的需求,最終空氣源熱泵供熱時間占總的64.6%;

                   (3)安裝立面毛細管網末端,能夠大幅度降低采暖系統對溫度的要求,在本類型的裝配式建筑中,采用立面毛細管網末端進行供暖,循環水系統在30℃以上即可保證室內溫度在20℃以上;

                   (4)太陽能輔助空氣源熱泵系統能夠保證該類型建筑在京津冀地區的供暖需求,由于系統所用能源為潔凈可再生能源,因此對京津冀地區能源利用體系的完善意義重大。

                   本文對太陽能輔助空氣源熱泵系統的裝配式一體房供暖期間的數據進行了分析,但仍存在部分缺點,如系統運行期間并未對電能等能源的消耗進行監測分析,因此不能定量分析本系統的節能效益。由于監測時間較短,且沒有季節性跨度,不能準確分析該系統的供冷效果。這些問題將會在后續研究。

            參考文獻:

                   [1]嚴曉輝,李政,謝克昌.京津冀農村能源體制機制問題初探[J].中國能源,2016,38(01):32-36.
                   [2]谷竟成,陳科良,仝杰.農村裝配建筑發展應用研究[J].農村經濟與科技11,2017,28(07):251-253.
                   [3]李萌.京津冀農村清潔能源供熱采暖成本降低路徑研究[J].城市,2017(03):70-77
                   [4]李楠,田昕,王皆騰.北京某農村住宅空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統的運行性能[J].運行管理.2017(47)

                   備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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