太阳能热泵供暖实验平台设计

魏毅立， 马利斌

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

太阳能热泵供暖实验平台设计

魏毅立， 马利斌

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

开发了一套与科研教学相结合的太阳能热泵供暖平台。平台由太阳能平板集热器、变频器、压缩机、水箱、电子膨胀阀、检测系统以及DSP控制系统构成。太阳能作为平台的低温热源，通过热泵转化成高温热源，在此过程中检测工质和环境温度，流量、压力以及太阳能辐照强度，依据检测量通过DSP控制过热度与压缩机功率。实验平台将理论教学与实践教学相结合，为学生提供热力系数测定与控制理论实验的同时，既夯实了学生的理论基础，又提高了学生的实践应用能力。

太阳能平板集热器； 热泵； 太阳能热泵供暖； 实验平台

0 引 言

太阳能与热泵的结合更为高效地利用了太阳能，是有效的节能方式，对太阳能的利用有着重要的意义。本文利用太阳能与热泵设计了一套太阳能热泵供暖实验平台，在实际背景下，平台一方面满足居民的供暖需求；另一方面提供热能动力工程和自动化专业的实验教学。使学生在实践基础上学习，相对于传统实验，增加了学生专业知识在实际项目中的应用，有利于专业知识的学以致用以及增加工程经验。

1 实验平台设计

太阳能热泵供暖实验平台主要由太阳能集热器、热泵、蓄热装置、检测装置以及控制装置组成。平台以位于包头市和平村，复式两层结构，单层面积为80 m2的房屋为设计对象。在屋顶建立太阳能热泵供暖房，房屋呈倒扣脚型，长为8.8 m(南北)，宽为7.7 m(东西)，房屋正南方向装有平板集热器，在供暖房内装设热泵，控制系统，水箱等其他硬件设施，其房屋设计结构如图1所示。

图1 房屋设计结构图

根据设计结构图建造太阳能热泵供暖房，实物图如图2所示。

图2 太阳能热泵供暖房实物图

1.1 平板集热器设计

根据房屋实际面积设计平板集热器尺寸，宽7.46 m，长6.21 m，设计集热面积46 m2。根据GBT6424-2007[1]平板型太阳能集热器的设计要求设计平板集热器，因为平板集热器面积较大，所以将吸热板分成4部分拼装，盖板玻璃分成12部分密封拼装。集热器吸热板采用蛇管式，根据王补宣等[2]对平板集热器的分析，使用铝材作为集热器吸热板的材料。参考国标GBT3880-2012[3]，选用牌号1080A的铝合金板材，厚度为5 mm，长为5.92 m，宽为1.8 m。管材选择GBT6424-2007推荐的外径φ25，内径φ21的铝合金管材，管材可承受1.5 MPa的压力。参考翅片的设计规范JBT11249-2012[4]，根据方铎荣[5]对平板集热器的结构优化参数，确定管与管之间间距为130 mm。吸热板为配合房屋整体颜色效果，涂有红色防锈漆。

孟凡基等[6]分析了集热器的盖板材料，得出低铁钢化玻璃是特别适合用作集热器的盖板材料。综合GBT6424-2007[1]中对盖板材料的的推荐，选用双层中空低铁钢化玻璃，其透过率可达90%。由于盖板由12部分组合拼接而成，故每部分玻璃盖板长为2 m，宽为1.9 m，厚度为1 cm。根据魏生贤等[7]对盖板与吸热板间距的分析，确定玻璃盖板与吸热板间距为2 cm。

为保证集热器良好的集热效果，减少热损失，在集热器的两侧装有6 cm厚的酚醛保温泡沫，上、 下以及吸热板的底部装有5 cm厚的酚醛保温泡沫，之后通过水泥将集热器固定在供暖房上。集热器的倾角根据包头地区纬度设计为45°，其结构设计图如图3所示。

根据结构设计图建造太阳能平板集热器，实物图如图4所示。

图3 平板集热器结构设计图

图4 太阳能平板集热器实物图

1.2 热泵系统设计

设计采用直膨式热泵系统，系统包括过滤器、压缩机、油分器、水箱、储液罐和电子膨胀阀等。系统总体设计图如图5所示。

图5 系统总体设计图

系统设计预期平板集热器工质进口温度4 ℃，出口温度30 ℃，压缩机出口工质温度60 ℃，因此,选择工质应满足蒸发温度大于4 ℃，制热温度在70 ℃，对环境影响小的工质。对比多种工质，最终选择R134a为系统使用的工质。为满足系统设计要求，平板集热器和管道内的压力应保持0.35 MPa，此时R134a的蒸发温度为5 ℃。采用液相容积法[8]计算工质R134a的充注量，根据下式计算出工质R134a在压力0.35 MPa时的充注量为9.5 kg,即

(1)

式中:ρL为冷凝温度和蒸发温度的平均值下工质的饱和液密度(kg/m3);VPL为热泵稳定运行时冷凝器出口到节流阀出口之间的液相管路、部件的总容积(L)；VE为蒸发器工质侧的容积(L)；VC为冷凝器工质侧的容积(L)。

由于水分和杂质的存在会对热泵的性能和寿命带来不利的影响，故干燥器和过滤器是热泵必须的装置。选用艾默生A-TDS-4811的干燥过滤桶，该干燥过滤桶可更换滤芯，通过干燥过滤桶对平板集热器出口的工质过滤干燥，主要过滤平板集热器中的灰尘及杂质,储液罐之后同样要接过滤器，由于是储液罐后属于高压部分，故选用艾默生EK-084S高压过滤器。

压缩机是热泵的心脏，回转式压缩机结构简单、体积小、质量轻和可靠性高，为防止工质的泄露，选择封闭涡旋式的压缩机。热泵供暖热负荷为供暖负荷，根据国家规定的行业设计规范CJJ 34-2002《城市热力网设计规范》[9]中对住宅热负荷的计算方法，结合实际供暖面积可得到供暖热负荷：

(2)

式中：Qh为供暖用1 d热负荷(MJ/d);qh为采暖热指标(W/m2);A为采暖建筑物的建筑面积(m2)。

则可得到系统需提供的热负荷为30 kW，阴天时，供暖负荷主要由热泵系统承担，可得热泵所要求的最大制热量为30 kW。根据热泵最大制热量30 kW，进口温度30 ℃，出口温度60 ℃，选择丹佛斯SZ090S4VC压缩机作为热泵系统压缩机，功率为7.63 kW，工作的最高温度为65 ℃，制冷量为24.4 kW，则热泵系统压缩机的制热量=制冷量+压缩机功率为32 kW，满足该热泵要求[10]。

通过压缩机产生的高温气体携带有润滑油，需要通过油分离器将润滑油分离出来，选择与压缩机配套接口的派尔克PKW型螺旋式油分离器。

选择水作为供暖介质，工质与水通过蓄热水箱换热，蓄热水箱选择盘管式，材质选择钢材[11]，中间夹有5 cm厚的酚醛保温材料，水箱的体积通过下式计算:

(3)

式中:Q1为水箱储存的热量(J);c为水的比热容[4.2 kJ/(kg·℃)];ρ为水的密度(103kg/m3);V为水箱容积(m3);ΔT为水箱储存的热量(J)。

选择冬季午时2 h作为计算水箱容积的基准，冬季午时45°下平板集热器倾斜面辐照量平均为3.6 MJ/(m2·h)，集热器有效集热面积为42 m2，设计供暖水温为55 ℃，回水温度为35 ℃，温度差ΔT为20 ℃，根据式(3)可计算出蓄热水箱容积为3.6 m3，设计蓄热水箱为圆柱型，底面直径为1.6 m，高为1.8 m[12]，其结构如图6所示。

图6 蓄热水箱设计图

储液器安装在蓄热水箱之后，用来储存工质液体，以适应工况变化和减少工质的补充次数，系统中工质选择R134a，5 ℃时R134a体积质量为0.782 2×10-3m3/kg，工质充注量为9.5 kg，因此,工质充注量为7.430 9 L，据此选择ZOER的ZRS-8L的储液罐。

管道选择内径为21 mm，外径为25 mm的钢管，最大可承受1.5 MPa的压力[13]，根据管道尺寸选择合适的阀门，为保证实验安全，均选择手动阀门，系统调试成功后改换电动阀。

为了保证压缩机的安全运转，防止液击现象，应具有一定的过热度，电子膨胀阀可以更灵敏地调节过热度，选择DPF14电子膨胀阀[14]。

通过变频器调节压缩机容量，变频器根据压缩机的功率选择，压缩机功率为7.63 kW，因此选择SOB-V600功率为11 kW变频器。

根据平板集热器与热泵系统的选型，参照各选型参数，设计太阳能热泵供暖实验平台效果如图7所示。

图7 太阳能热泵供暖实验平台效果图

1.3 测量与控制系统

平台需要测量环境与工质的温度，环境温度采用DHT22数字温湿度传感器，测量范围为-20～80 ℃。工质温度采用1/10B级PT100铂电阻温度传感器，测量范围为-30～200 ℃。测量工质压力传感器选用HM20压力传感器，测量范围为0～20 MPa。热水循环流量测量选用REXLUG20系类涡轮流量传感器，测量范围为0.8～10 m3/h。太阳能辐射强度由JIBQ-2型太阳能总辐射表测量[15]。

测量的数据送入控制器中，控制器选择DSP28335，调节变频器控制压缩机功率，控制电子膨胀阀控制过热度[16]。

按照上述选型与结构设计图建造热泵平台，平台实物如图8所示。

图8 热泵平台实物图

2 实验平台的主要功能

(1) 掌握太阳能与热泵结合技术，太阳能热泵运行的基本原理，掌握实践中常用的热工测量仪表的使用与安装。

(2) 通过测量的温度、压力、辐照强度以及流量计算过热度、平台能效比以及太阳能平板集热器效率等热力性能参数。

(3) 太阳能热泵供暖平台的综合性能研究，研究电子膨胀阀不同开度下与压缩机不同功率下对太阳能热泵系统的影响。分析外部参数包括环境温度、太阳能辐照强度等与内部参数蒸发温度、过热度等对太阳能热泵系统的影响。

(4) 建成实训实验室，指导学生掌握控制器DSP28335的编程和实际项目的应用。

(5) 在实验平台上研究不同的控制策略对太阳能热泵系统的影响，有利于学生加深对控制理论的理解，掌握控制理论的程序实现与应用。

3 结 语

太阳能热泵供暖平台有机的结合了太阳能与热泵技术，实时检测太阳能热泵系统的温度、压力和流量等，通过DSP实现了系统的智能控制，使实验平台操作更为简单，更为智能。实验平台主要是面向热能动力工程和自动化专业的学生实践教学使用，培养学生的实际操作能力，增强理论学习的深度，有助于增加学生学习兴趣、动手能力和工程经验，有利于培养应用型学生，同时平台也可用在课程设计、毕业设计以及相关科研工作。

[1] GB/T 6424-2007，平板型太阳能集热器[S].

[2] 王补宣,石德惠.平板集热器最佳结构参数与经济性能的分析[J].太阳能学报,1981(3):229-235.

[3] GB/T 3880-2012，一般工业用铝及铝合金板、带材[S].

[4] JB/T 11249-2012，翅片管式换热设备技术规范[S].

[5] 方铎荣,李元哲.平板集热器铁管板式集热板的最佳化[J].太阳能学报,1983(3):301-307.

[6] 孟凡基,王显龙,卜宪标.太阳能集热器用玻璃的光学性能分析和改善[J].玻璃与搪瓷,2013(4):36-40.

[7] 魏生贤,李 明,刘江涛.高效平板集热器件吸热面与透明盖板间距优化[J].太阳能学报,2011(9):1413-1418.

[8] 陈 东. 热泵技术及其应用[M]. 北京:化学工业出版社,2005:12.

[9] CJJ 34-2002，城市热力网设计规范[S].

[10] 金 旭.双级压缩空气源热泵采暖系统实验研究[D].大连理工大学，2009.

[11] 刘艳峰,王登甲. 太阳能地面采暖系统蓄热水箱容积分析[J].太阳能学报,2009(12):1636-1639.

[12] 江辉民,王 洋.蓄热水箱的设计与实验分析[J]. 建筑热能通风空调,2006(2):74-78.

[13] 吴士玉,李红才.供暖与空调水系统金属管道的选择[J].暖通空调,2011(6):76-77,39.

[14] 张乐平,张早校.电子膨胀阀流量特性及选型的分析[J].流体机械,2000(12):51-53,28-4.

[15] 徐艳聪.热工测量方法分析与改进[J].无线互联科技,2013(12):74.

[16] 陈庆杰.太阳能热泵制热量预测模型及控制策略研究[D].长沙：中南大学,2012.

Experimental Platform Design for Solar Energy Heat Pump Heating

WEIYili，MALibin

(College Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Neimenggu, China)

A set of practical solar energy heat pump heating platform which can be applied in science research and teaching is designed and developed. The platform consists of the plate solar collector, inverter, compressor, water tank, electronic expansion valve, detecting system and DSP control system. Solar energy provides low temperature heat source, and it is transferred into high temperature heat source by heat pump. In the process, working medium and temperature, flow, pressure, and solar radiation intensity are measured, based on the measuring results, the DSP controls degree of superheat and compressor power. The experiment platform organically combines theory teaching with practice teaching, and provides students a method of thermal coefficient measurement and an experiment of control theory study. At the same time, the students’ theoretical basis and practical application ability are strengthened.

plate solar collector； heat pump； solar energy heat pump heating； experiment platform

2016-06-30

魏毅立(1962-)，男，内蒙古包头人，博士，教授，现主要研究太阳能热泵供暖，太阳能热发电、电力电子及电机传动、变频调速系统、风力发电。Tel.:13019552088; E-mail:weiyili2088@126.com

TK 323；G 482

A

1006-7167(2017)03-0066-04