太阳能水源热泵系统供暖应用分析

张龙 张子平 龚凯

摘 要：文章介绍了青海某小区太阳能水源热泵供暖系统。该系统由太阳能集热器、水源热泵、储热水箱、控制系统、末端设备等几部分组成。介绍了系统的3种运行工况。通过对集热系统监测，得出了太阳能集热系统效率，太阳能保证率；通过太阳能热泵系统运行分析，得出该系统具有较高的COP。

关键词：太阳能；热泵；集热器

1 系统构成

本系统设计目的是为满足青海省乐都市某小区冬季供暖的需求，系统主要由真空管太阳能集热器、热泵机组、储热水箱、自动控制系统等几大部分组成。

2 系统分析

2.1 太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能供热采暖系统中吸收太阳辐射并将所产生的热能传递给传热介质的装置，根据集热器的防冻、承压、减少换热损失、初投资等要求，选用玻璃真空管集热器。其集热器效率为：

（1）

式中集热器单独吸热时的平均效率，m为集热器加热水的质量，kg；cw为水的平均比热容，kj/kg℃；ΔT为集热器温升，℃；AC为太阳能集热器的有效采光面积，m2；Ieff（t）为太阳辐照度。

2.2 储热水箱传热计算分析

系统设置了玻璃钢储热水箱。集热器与水箱之间无换热器。水箱内水的焓增量等于集热器传给水箱的热量减去水箱传给负荷的热量热损失，写成数学形式为：

当系统无负荷运行时： （2）

当系统有负荷运行时： （3）

式中，m水箱的水量；Q蓄热水箱提供的供暖负荷；U水箱的热损失系数；AS水箱的表面积；ts水箱温度；Ta环境温度。

2.3 太阳能水源热泵系统性能计算

由于太阳能本身能量密度低，受时间、天气等条件限制，要使系统能够全天候的工作，辅助系统是必不可少的。本系统采用了一台水源热泵机组作为辅助。在太阳能完全不能利用的极端情况下，热泵能完全满足供暖需求。系统COP为：

（4）

式中COPh为热泵综合性能系数；Qc（t）为热泵冷凝器侧的放热功率，KW；W（t）为热泵压缩机功率，kw。

3 工程实例分析

3.1 系统方案设计

本系统安装在青海省某小区，建筑物为一栋居民楼，系统用于24户居民共计3200m2冬季供暖。供暖末端采用地板辐射系统，循环水温要求在35～45℃之间，能够满足冬季房屋不低于18℃的要求。经计算，选取了功率40KW，制热量为160KW的水源热泵机组；集热器面积为400m2；玻璃钢储热水箱体积为40m3。

3.2 系统运行方案

该太阳能水源热泵系统的运行原理为集热器将太阳辐射能转化为热能，被循环系统中的水吸收，直接将热量交换并储存在储热水箱。太阳能部分的换热循环采用温差控制。集热器和储热水箱中安装感温探头，当集热器中水温比水箱水温高出15℃时，循环泵开始循环，当温差下降到10℃时关闭循环泵。

3.3 集热系统效率检测方法及数据处理

集热系统效率：在测试期间内太阳能集热系统有用得热量与同一测试期内投射在太阳能集热器上的太阳辐照量之比。集热系统效率用下式计算：

（5）

式中：？浊-集热系统效率，%；QC-测试期内太阳能集热系统的有用得热量，MJ；A-太阳能集热器采光面积，m2；H-测试期内每平米太阳能集热器采光面上的太阳辐照量，MJ/m2。

3.4 日太阳辐照量H检测方法

在屋顶无任何遮挡处，与集热器相同倾角安装一个用以记录太阳辐照量的总辐射表。总辐射表自动记录每天的太阳辐照量，此值再乘以集热器采光面积即为有效测试期间投射到集热器采光面积上的太阳辐照量H。

3.5 采暖季太阳能保证率计算

采暖季太阳能保证率：太阳能采暖系统中由太阳能集热系统提供的热量QC与系统采暖耗热量QW之比。采暖季工况太阳能保证率用下式计算：

（6）

3.6检测结果

采暖季测试期间集热系统得热量、集热系统效率、采暖耗能量、太阳能保证率检测结果如表1。

表1 太阳能部分数据检测结果

在系统运行期间，每个月选取有代表性的8天进行性能测试，冬季共测试了40组数据，从图2可以看出，热泵系统的冬季供暖cop可以达4.98左右。

图2 系统供暖时的性能系数

4结束语

（1）太阳能热泵系统根据当地日照条件强弱和建筑物采暖负荷变化采用不同运行模式，即可提高热泵运行效率，又能提高太阳能利用率。使得太阳能通过热泵提升后合理应用。（2）通过对集热系统的监测及数据计算，得出了该系统在冬季集热效率在20%以上，太阳能保证率在40%以上。对太阳能热泵系统的运行数据分析，得出了该系统运行具有较高的cop值，节能效果显著。（3）青海地区的气候和水源地质条件是决定太阳能热泵系统的关键因素，通过后期跟踪监测，该系统在青海地区具有良好的应用前景。

参考文献

[1]何梓年.太阳能热利用[M].北京：中国科学技术大学出版社，2009.

[2]曲世琳，马飞，吉玉宝，等.基于太阳能热泵技术的严寒地区供暖系统改造设计与实测分析[J].南京理工大学学报，2010.

[3]李哉洪，白宁，马伟斌，等.大型太阳能空调/热泵系统[J].太阳能学报，2006.

作者简介：张龙（1988，1-），男，江西乐平人，硕士研究生。