温室太阳能热泵供暖系统热力性能研究

2021-09-28高俊晨贾少刚

中国设备工程 2021年18期

高俊晨，贾少刚

（1.湖州志宏自动化科技有限公司，浙江湖州 313000；2.中国船级社质量认证公司青岛分公司，山东青岛 266071）

温室甲鱼养殖业曾是浙北地区农村的主导产业，因甲鱼适宜的生长温度为32℃左右，因此一年中大部分时间必须为温室进行加热使之达到甲鱼适宜的生长温度。使用土炉和锅炉供热是浙北农村甲鱼养殖普遍采用的加温方式，其消耗了大量煤炭、热效率低且造成了环境污染。因此，在农业温室领域推广利用清洁能源和节能供暖技术是其可持续发展的必然需求。太阳能和热泵技术的有机结合应用有很好的互补性，不但提高了热泵和系统性能，且系统的稳定性更好。面对当前严峻的能源与环境问题，太阳能热泵技术的应用意义重大，其应用领域也越来越多。在湖州职业技术学院内构建了甲鱼养殖实验温室，结合温室需维持在30～35℃的需求，构建了太阳能热泵供暖系统（以下简称系统），对系统在水产养殖温室冬季供暖中的热力性能进行了研究分析，得出系统主要设备在典型工况下的热力性能数值，为系统的实际应用和优化提供依据。

1 系统介绍

1.1 温室和太阳能热泵系统简述

实验养殖温室采用100mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）作为温室四周墙壁和顶棚的保温材料，EPS板的内外两侧采用彩钢板夹紧以起到支撑与隔离外界的作用。温室结构示意图见图1，温室顶棚呈斜面，南北墙和顶棚为长方形，东西墙为梯形，温室长8430mm，温室宽4230mm，温室内部总面积为33.1m2，养殖池面积30m2，温室四周墙体与顶棚面积总计为76.2m2。

图1 温室结构示意图

太阳能热泵供暖系统系统主要由太阳能集热器、热泵、蓄热水箱、供暖水箱、循环泵等部件组成，图2为系统实物图，图3为系统结构，表1为系统主要部件规格参数。系统中太阳能集热介质采用闭式循环，蓄热水箱负责太阳能的存储；热泵设置了1个空气源蒸发器和1个水源蒸发器；供暖水箱中的热水通过风机盘管向温室供暖。

表1 太阳能热泵系统主要部件规格参数

图2 太阳能热泵系统实物图

图3 太阳能热泵系统结构示意图

1.2 系统数据采集

为了对系统主要设备进行热力性能分析，需要采集工质流量、温度等参数。结合图1，相关参数传感器的设置如表2所示，系统共设置了34个温度传感器、4个流量传感器、1个太阳辐照度传感器、6个电量传感器，所有的参数信号通过处理后由触摸屏实现数据的显示与存储。

表2 系统的数据采集

2 热力学模型

2.1 集热器效率数学模型

集热器集热效率ηc是在一定时间内吸收的有用热能与入射在集热器表面上的太阳辐射能之比，其计算公式如式1所示。

式中，Q1为集热器有效利用的能量，W；AC为集热器面积，m2；GT为太阳能瞬时辐照度，W/m2；τ为时间，s。

集热器瞬时集热效率ηi以吸热面上瞬时辐照度和集热介质的质量流量及集热器进出口温差定义，集热器瞬时效率方程如式2所示。

式中，qm为集热介质的质量流量，kg/s；Cp,f为集热介质的定压比热容，J/(kg·K)；T1为集热器进口温度，℃；T2为集热器出口温度，℃。

2.2 热泵性能系数数学模型

热泵性能系数COP是热泵机组制热量与其消耗能量的比值，该参数是评价热泵节能性最重要的指标之一，计算公式式为如式3所示。

式中，QL为热泵冷凝器侧制热量，此处取供暖水箱的得热量，kJ；E1、E2、E3见表2所示。

2.3 水箱数学模型

蓄热水箱或者供暖水箱在在一定时间内的得热量QS计算方程如下：

式中，Vs为水箱的容积，m3；Te为水箱终温，℃；Tb为水箱初温，℃；Cp,0为水的定压比热容，J/(kg·K)；ρ0为水的密度，kg/m3。

2.4 系统性能系数数学模型

太阳能热泵系统的性能系数COPS是温室获得的热量与系统消耗的能量的比值，计算公式为如式3所示。

式中，QG为温室的得热量，此处不考虑传热损失，取值为QL，；E1、E2、E3、E4、E5、E6见表2所示。

3 实验结果与分析

3.1 集热器效率

利用太阳能来加热蓄热水箱中的水来研究集热器的效率，在晴好天气条件下开展实验，相关实验数据见表3所示，可知：（1）蓄热水箱温度变化范围为20～60℃时，集热器效率可达41.3%～43.6%；蓄热水箱温度变化范围为48～62℃时，集热器效率为35.7%。影响集热器效率的主要因素是蓄热水箱的水温，随着水箱水温的升高集热器效率逐渐下降，制取60℃以下的热水时集热器效率较高。（2）太阳辐照度对集热器效率影响不大，辐照度高于500W·m-2时集热器效率保持稳定。

表3 太阳能集热器效率实验结果

3.2 串联运行模式下热泵性能系数COPw

冬季期间系统主要以串联形式运行，串联运行模式下热泵水源蒸发器启用，以蓄热水箱中的水作为低温热源运行，热泵加热供暖水箱中的水达到50～60℃后用以向温室供暖，相关实验数据见表4所示，可知：（1）热泵COPw可达3.28～4.5。当供暖水箱温度从16.6℃升至57.2℃时COPw可达4.5，当供暖水箱从45℃升至59℃时COPw也可达3.3左右。图3所示为热泵COPw与供暖水箱水温之间的关系，随着水温逐渐高，热泵COPw逐渐降低，当水温达到60℃时COPw仅有2.5左右，热泵的性能系数下降明显，因此热泵制取60℃及以下的热水时经济性较高。（2）蒸发器侧低温热源温度对热泵COPw的影响很小，低温热源温度范围为10.8～33.4℃，在此范围内均能保证蒸发器中制冷剂与低温热源之间良好的热交换。

表4 串联运行模式下热泵性能实验结果

图4 2017-12-09日实验数据图

3.3 空气源热泵运行性能系数COPh

空气源运行模式下热泵空气源蒸发器启用，以空气作为低温热源运行，热泵加热供暖水箱中的水达到50～60℃后用以向温室供暖，相关实验数据见表5所示，可知：（1）当供暖水箱水温从46℃升至60℃时，COPh仅为1.7左右，而类似情况下COPw为3.30。当供暖水箱水温从20℃升至60℃时，COPh在2.8～3.0之间，而类似情况下COPw为4.0～4.5。（2）在相近的供暖水箱温升情况下，影响COPh的主要因素为环境温度，环境温度越高越有利于蒸发器的吸热，COPh就越高且运行时间越短。