太阳能—土壤源复合式热泵制热特性实验研究

刘 寅， 崔四齐， 周光辉

(中原工学院， 郑州 450007)

太阳能—土壤源复合式热泵制热特性实验研究

刘 寅， 崔四齐， 周光辉

(中原工学院， 郑州 450007)

针对太阳能热泵和地源热泵应用中的问题，设计了以壳-套管三介质复合换热器为核心部件的太阳能-土壤源复合式热泵系统，并进行了冬季制热性能的实验研究。结果表明，在热源侧总循环水流量不变的条件下，与单一土壤源热泵相比，太阳能-土壤源复合式热泵系统制热量提高了16.5%，COP提高了17%。

太阳能；土壤源；热泵；换热器；制热特性

太阳能热泵和地源热泵因其具有高效、节能和环保等特点，在建筑物空调、采暖中被广泛应用。但是，在实际推广应用过程中，单一热源的太阳能热泵和地源热泵均存在突出问题。主要体现为：太阳能热泵因受环境气候条件变化的影响，运行过程中存在间歇性和不稳定性问题[1]；而地埋管地源热泵存在地下埋管面积较大、土壤的温度场得不到有效恢复、初投资较大以及地下水源热泵运行中存在用水量过大、回水困难、水泵功耗高等局限性[2]。

基于太阳能热泵和地源热泵运行过程中存在的问题，考虑到太阳能和浅层地热能作为热泵热源时可以互相弥补自身的不足[3-11]，提出太阳能-土壤源复合式热泵系统(Solar-Ground Compound Heat Pump System，SGCHP)。以自行开发设计的壳-套管三介质复合换热器[12]为核心部件,实现了对太阳能、浅层地热能两种可再生能源的同步利用。研究结果表明，在冬季采暖工况下，与单纯利用地埋管地源热泵相比，该复合式热泵系统既减少了地下埋管面积和地下水的循环量，又提高了系统的制热量及运行效率。而且，对于冷热负荷差别比较大的区域，可以实现地下埋管的土壤吸、排热量大体平衡，提高资源的利用率[2]。

1 系统组成与测试

1.1 系统组成

图1为太阳能-土壤源复合式热泵系统原理图。

1.变频压缩机；2.四通换向阀；3.冷凝器；4.电子膨胀阀；5.壳-套管三介质复合换热器；6.太阳能集热器；7.蓄热水箱；8.换热盘管；9.淋浴器；10.室内侧换热器；11.地埋管U形换热器；12、13、14、15.循环水泵；16.电磁阀

该系统主要包括热泵机组系统、太阳能集热系统、土壤源换热系统和室内供热系统4大部分。其中，热泵机组系统由变频压缩机、四通换向阀、冷凝器、壳-套管三介质复合换热器、电子膨胀阀及连接管路组成；太阳能集热系统由太阳能集热器、蓄热水箱、换热盘管、循环水泵、电磁阀及连接管路组成[13]；土壤源换热系统由地埋管U形换热器、循环水泵、电磁阀及连接管路

组成；室内供热系统由室内侧换热器、循环水泵、电磁阀及连接管路组成。

为了进行连续性能测试实验且达到系统最佳匹配[14]，本实验测试系统中的制冷压缩机采用大金全封闭涡旋式变频压缩机[15]，频率范围为30～125 Hz，制冷剂为R22；太阳能集热系统、土壤源换热系统和室内侧供热系统提供的循环水均采用体积为4 m3的恒温水浴来模拟；冷凝器根据压缩机频率的变化可采用2P套管换热器、3P或4P板式换热器；壳-套管三介质复合换热器为该系统的核心部件，为自行设计开发。图2为该复合换热器原理图，该换热器结合管壳式换热器和套管式换热器[16]的各自特点，以管壳式换热器为基础，采用4个管板，在管壳式换热器的换热管内另外套装一根换热管。其中，换热器的内管、端盖、外管板构成太阳能水热源的通道，外管、壳体、折流板和内管板之间形成的空腔为地埋管水热源的通道，内、外管板之间以及内管与外管之间的环形空腔为热泵工质的通道[13]。

1.壳体；2.外管；3.内管；4.内管板；5.外管板；6.折流板；7.分层隔板；8.太阳能水通道；9.热泵工质通道；10.地埋管水通道

1.2 系统测试

为了实现对太阳能-土壤源复合式热泵与单一土壤源热泵的制热性能比较，依据水源热泵机组实验工况(GB/T 19409-2003)和壳—套管三介质复合换热器的技术要求，设定太阳能-土壤源复合式热泵系统实验工况(见表1)。

表1 太阳能—土壤源复合式热泵机组的实验工况

2 实验结果与分析

图3、图4所示为太阳能-土壤源复合式热泵系统的制热量和COP变化曲线，反映了两个观测指标在不同太阳能进口温度下，随着地埋管水流量、太阳能水流量变化的情况。由图3、图4可知，当太阳能水流量为0(太阳能集热系统不提供热量)、地埋管水流量为1 m3/h时，热泵系统为单一土壤源工作模式，即为单一土壤源热泵额定工作工况。此时热泵系统的制热量为8.17 kW、COP为3.47。随着地埋管水流量的减少和太阳能水流量的增加，在热源侧总水流量不变的条件下，当地埋管水和太阳能水进口温度均为15 ℃时，复合式热泵系统的制热量、COP相对于单一土壤源热泵额定工况略微下降；地埋管水流量和太阳能水流量均为0.5 m3/h时，性能曲线处于最低点；此时复合式热泵系统的制热量为8.0 kW、COP为3.35，相对于单一土壤源热泵额定工况，分别降低了2.1%和3.5%。但当地埋管水保持进口温度15 ℃、太阳能水进口温度高于15 ℃时，热泵系统的制热量、COP相对于单一土壤源热泵均得到提高；在太阳水进口温度提高到20 ℃、地埋管水流量和太阳能水流量均为0.5 m3/h时，复合式热泵系统的制热量为8.92 kW、COP为3.79，相对于单一土壤源热泵额定工况，均提高了9.2%。同样，在太阳能水进口温度提高到25 ℃、地埋管水流量和太阳能水流量均为0.5 m3/h时，复合式热泵系统的制热量提高了16.5%、COP提高了17%。由此可见，在热源侧总水流量不变的条件下，不低于15 ℃太阳能热源水的有效补入，不仅等比例减少了地埋管水流量，还较大地提高了热泵系统的制热量和COP。

图3 制热量随系统水流量及进口温度的变化曲线

图4 COP随系统水流量及进口温度的变化曲线

3 结 语

以壳-套管三介质复合换热器为核心部件的太阳能-土壤源复合式热泵系统，可以同时从土壤源换热系统和太阳能集热器系统取热。由于太阳能热源承担了蒸发器的一部分负荷，减少了地下埋管面积和地下水的循环量，解决了冷热负荷不平衡率引起的地埋管地源热泵的热失衡问题[17]，提高了热泵系统运行的可靠性、稳定性和经济性。

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(责任编辑：陆俊杰)

Experiment Study on Heating Performance of
Solar-ground Compound Heat Pump System

LIU Yin, CUI Si-qi, ZHOU Guang-hui

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007，China)

Based on respective prominent problems in the actual application of solar energy heat pump and ground source heat pump, Solar-Ground Compound Heat Pump System which core unit is shell-casing pipe three medium compound heat exchanger is designed. And the heating experiment in winter is conducted. The results show that the heat supply quantity of Solar-Ground Compound Heat Pump System may rise by 16.5% and COP can increase by 17% than single ground source heat pump when the total water flow of heat source side is constant.

solar energy; ground source; heat pump; heat exchanger; heating performance

2015-08-30

刘寅(1974-)，男，河南长垣人，副教授，博士，主要研究方向为空调节能新技术与热能综合利用。

刘寅：博士，副教授，硕士生导师，中原工学院青年拔尖人才，中国制冷学会高级会员，河南省生态城市与绿色建筑委员会常务副主任，郑州市地能应用工程技术研究中心主任，河南省热泵空调工程技术研究中心学术委员会委员，河南省优秀科技特派员，河南省青年骨干教师，河南省教育厅学术技术带头人。主要从事空调节能新技术、可再生能源利用、热能综合利用、绿色建筑等方面的研究，参加“十一五”国家科技支撑计划重大项目1项，国家自然科学基金项目2项，主持及参与河南省重点科技攻关项目、国家重点实验室项目等12项，地厅级项目5项。获得国家授权发明专利6项、实用新型专利17项，获河南省科技进步二等奖1项，河南省建设科技进步奖一等奖2项，河南省教育厅科技成果一等奖2项、二等奖2项。发表论文78篇，被SCI、EI收录26篇。

1671-6906(2015)06-0006-04

TK 512

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.002