太阳能辅助地源热泵运行特性研究

太阳能辅助地源热泵运行特性研究0 引言太阳能辅助地源热泵系统是以太阳能和土壤热为复合热源的热泵系统，属于太阳能和土壤能综合利用的一种形式。

文献[1][2][3]分别就此问题进行了不同程度的探讨。

太阳能辅助热源的采用，一方面提高了地源热泵进口流体的温度，从而提高运行效率；另一方面提高了用户侧出水或空气出口温度，提高了舒适性。

对太阳能辅助地源热泵运行特性的研究，旨在了解太阳能辅助地源热泵的热力循环和运行特性的基本规律。

为后续实验提供理论依据。

1 太阳能辅助地源热泵的系统流程采用地下U型埋管换热器的涡旋压缩式地源热泵、全玻璃真空管太阳能集热器的太阳能辅助地源热泵系统流程如图1.1所示。

图1.1 太阳能辅助地源热泵系统流程图该系统主要由四部分组成：地下埋管换热器闭式循环系统、涡旋压缩式热泵机组、太阳能集热系统和空调末端系统。

地下埋管换热器采用高密度聚乙烯塑料管，直径一般在25，32mm，埋管深度一般为40～120m。

夏季，热泵机组按制冷工况运行，空调末端装置回水通过蒸发器降温，机组冷凝器热量通过地下埋管换热器排至地下土壤。

冬季，通过循环水管道阀门切换，热泵机组按制热工况运行，空调末端装置回水通过冷凝器升温，蒸发器通过埋管换热器从地下土壤吸热。

当蒸发器入口温度低于设定的下限值时，启动太阳能集热系统，辅助供热设施运行，太阳能承担一部分负荷。

太阳能辅助地源热泵系统可通过调节蓄热水箱上的阀门实现两种运行模式的转换。

一种是太阳能在集热的同时进行供热；另一种是太阳能集热器先集热，将热量储存在蓄热水箱中，然后再供热。

通过调节图1.1上的阀门可以实现这两种情况的转换。

打开阀门1，关闭阀门2，经过太阳能集热器集热的水直接进入板式换热器，在板式换热器中放热后流经蓄热水箱回到太阳能集热器，实现的循环是太阳能集热器—板式换热器－蓄热水箱－太阳能集热器。

在此，蓄热水箱并不能起到蓄热的作用，只是将交换完热量的水暂时储存起来，以利于下一次的循环；而当打开阀门2，关闭阀门1时，从太阳能集热器汲取热量的水流入蓄热水箱，将热量蓄积在水中，到晚上和埋管换热器联合供热。

实现的循环是，白天：太阳能集热器－蓄热水箱－太阳能集热器；晚上：蓄热水箱－板式换热器－蓄热水箱。

2 地源热泵系统热力循环分析理想回热式热泵循环在压焓图上表示如图2.1图2.1 回热式热泵循环压焓图Fig.2.1 P-h figure of reheat heat pump circle制冷工质经压缩机由1点被绝热压缩到2点，在冷凝器内等压放热至3点，然后经过回热器等压冷却到4点，经节流阀绝热膨胀到5点，在蒸发器内等压吸热至6点，经回热器加热到1点。

对于图2.1所示的理想回热式热泵循环，循环的各组成部分性能如下： (1)蒸发器制冷量：56h h q e -= (kJ/kg) (2)冷凝器放热量：32h h q c -= (kJ/kg) (3)回热器换热量：1643h h h h q h -=-= (kJ/kg)(4)压缩机耗功量：12h h w c -= (kJ/kg) (5)循环性能系数：)/()(/1256h h h h w q COP c e --==确定了循环的相应状态点的参数后，便可通过上述公式确定出循环各组成部分的性能。

3 系统各部件性能研究3.1 地源热泵机组 3.1.1 蒸发器特性在蒸发器中，有如下关系：e e e r e o we i we w p e w e t F K G q t t c G Q ∆==-=)(,,,, (1)式中：Q e ——蒸发器吸热量，kJ ；G w,e ——冷却介质质量流量，kg/s ；c p,w ——冷却介质比热,kJ/kg •℃； t we,i ——冷却介质进口温度，℃； t we,o ——冷却介质出口温度，℃；q e ——制冷工质单位质量吸热量，kJ/kg ； G r ——制冷工质质量流量，kg/s ； K e ——蒸发器传热系数，kW/m 2•℃； Δt e ——蒸发器对数传热平均温差，℃； F e ——蒸发器面积，m 2。

3.1.2 冷凝器特性在冷凝器中，有如下关系：c c c r c o wc i wc w p c w c t F K G q t t c G Q ∆==-=)(,,,, (2)式中： Q c ——冷凝器放热量，kJ ；G w,c ——冷冻介质质量流量，kg/s ；c p,w ——冷冻介质比热,kJ/kg •℃；t wc,i ——冷冻介质进口温度，℃； t wc,o ——冷冻介质出口温度，℃；q c ——制冷工质单位质量放热量，kJ/kg ； K e ——蒸发器传热系数，kW/m 2•℃； Δt e ——蒸发器对数传热平均温差，℃； F e ——蒸发器面积，m 2。

3.1.3 热泵机组输入功率w G W r t = (3)式中： w ——制冷工质单位质量耗功量，kJ/kg 。

3.2 太阳能集热器全玻璃真空管太阳能集热器的能量平衡方程式为：L a m L p tA T T U IA T T MC ∆--=-)()(12ατα (4)式中： M ——闷晒水量，kg ；C p ——水的平均定压比热，J/(kg •℃)； T 1——水的初始温度，℃； T 2——水的终止温度，℃；Tm ——集热器内水的平均温度，℃； T α——周围空气的平均温度，℃； τ——玻璃管的太阳透射比； α——吸收涂层的太阳吸收比；I ——一天内照射在单位面积上的辐射能，J/㎡； A α——集热器采光面积，㎡；(A α=1.43A l )[5]U L ——（T 1-T 2）范围内平均热损系数，W/(m 2·℃)； Δt ——累积辐照时间，h ；A L ——吸热体表面积，m 2。

(内管表面积)根据相关样本和资料[4]~[6],玻璃真空集热管的有关参数为：τ＝0.90，α＝0.92，A α＝0.249m 2，A L ＝0.174m 2，经计算水温在20～80℃之间时U L ＝0.6～0.7 W/(m 2·℃)之间。

太阳能集热器的瞬时效率公式为：))(/(1a L T T I U --=ταη…………………………..(5) 3.3 蓄热水箱根据热力学第一定律，在Δτ时间段内，集热流体传给蓄热水箱的热量一部分用于提高水温，另一部分则通过水箱结构散失到环境中。

根据能量平衡关系，蓄热水箱的热平衡方程为：ττ∆-+∆=∆-)()(,,,,11a n w w w n w w w o s i s T T A K T c M T T c m (6)式中：m 1——集热流体的质量流量，kg/s ； c 1——集热流体的比热容，J/kg ·℃； T s,i ——蓄热水箱进口流体温度，℃； T s,o ——蓄热水箱出口流体温度，℃； Mw w ——蓄热水箱内水的质量，kg ；c W ——蓄热水箱内水的比热容，J/kg ·℃； ΔT w,n ——Δt 时间内水的温升，℃；K w ——蓄热水箱的热损系数，W/m 2·℃；A w ——蓄热水箱的散热面积，m 2； T w,n ——蓄热水箱的平均温度，℃。

4 太阳能辅助地源热泵系统性能研究4.1 地下埋管进出口水温对系统循环性能的影响热泵机组制热性能系数用COP h 来表示，考虑水泵耗电，用COP h’来表示热泵系统制热系数。

其不仅与蒸发温度和冷凝温度有关，还间接的受埋地盘管进出口水温的影响，正是冷却水和冷冻水温度最终影响着蒸发温度和冷凝温度，使得制热系数随之发生变化。

通过公式(1)、(2)、(3)和图2.1由EES(Engineering Equation Solver)软件模拟计算得出它们之间的关系。

由图4.1、4.2分析可得：① 随着埋地盘管进口水温的升高，即蒸发器出口水温升高，COP h 、COP h’均呈下降趋势；随埋地盘管出口温度升高，COP h 、COP h’呈上升趋势。

② 随着地下埋管出口水温越高，蒸发器进、出口水温差越大，蒸发温度升高，此时的换热器换热量增大。

图4.1 进口水温和cop h 、cop h ’的关系 图4.2 出口水温和cop h 、cop h ’的关系可见，当太阳能辅助设施加在地下埋管出口侧可以提高埋管出口的水温，加大进、出口水温差，进而提高蒸发温度，使系统的热力循环性能系数提高。

4.2 有、无蓄热对太阳能辅助地源热泵系统性能的影响通过公式(4)、(5)计算，可分别得出有、无蓄热时太阳能集热器的有效集热量和瞬时集热效率，计算时，假定无蓄热时，流入集热器的水温为原始水温。

两种工况比较见图4.3、4.4所示4.3集热器集热量随时间的变化规律图有效集热量随时间变化图0501001502002508:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时间集热量 k J无蓄热时瞬时集热量有蓄热时瞬时集热量瞬时集热效率变化规律0.740.760.780.80.820.848:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时间集热效率无蓄热时瞬时集热效率有蓄热时瞬时集热效率4.4有、无蓄热时集热效率随时间的变化规律从图4.3、4.4可以看出，蓄热装置对集热器集热量影响并不是很大，这是因为集热器的耗损系数随着集热温度的升高变化的幅度不是很大[5]。

但是，无蓄热的情况下集热器的集热效率较有蓄热时高，这是因为集热器的效率随着进口温度的降低而增大。

很显然，无蓄热时，集热器进口流体温度较低，所以集热效率较高；对于有蓄热情况下，随着水箱温度的逐渐升高，集热器进口流体温度也逐渐升高，所以有蓄热时，随着时间的推移，集热效率逐渐降低。

根据某天气温变化情况和上述公式计算得出，地源热泵系统单独运行、太阳能辅助地源热泵运行时有蓄热和无蓄热三种情况下机组cop的比较。

见图4.5所示：图4.5 三种情况下热泵机组cop变化情况图从上图4.5中可以看出，三种情况下，地源热泵系统单独运行时机组的cop最低；当太阳能辅助地源热泵运行时，就日间而言，无蓄热时热泵机组的性能系数要高于有蓄热时，这是因为日间收集到的太阳能富裕比较多，而土壤的传热比水要慢，导致日间热泵平均进口温度较高，而有蓄热时则将大部分富裕太阳能储存于水箱中，热泵进口流体温度相对要低。

对于在夜间，有蓄热时机组的cop稍高于无蓄热，这是因为与土壤相比，蓄热水箱的蓄放热特性要好，传热速度较快，而土壤虽也有储能特性，但其热容较大，蓄放热速度较慢，短期效果不明显。

就总体效果来看，有蓄热要优于无蓄热，这主要是因为增加蓄热水箱后，能更好地将日间富裕的太阳能储存起来以供夜间使用，热泵昼夜运行性能较稳定。

而且，可以将蓄热装置储存的富裕太阳能用于阴天或温度较低的天气，使地源热泵长期运行性能稳定。