产学研背景下的住宅小型蓄能能源站构建*

张琳邡 纪河 张毅

摘  要  随着学科发展，培养学生的创新能力成为现代高等教育的首要目标。原有实验主要围绕某一课程内容设置，学生无法将专业知识融会贯通，不利于学生创新能力的培养。通过设计住宅小型蓄能能源站实验台，系统功能全面、开放性强，既能让学生加强对专业知识的理解与掌握，又能满足本科创新探索型实验教学的需求，提高学生发现与探究知识的能力，还可以为大学生创新训练计划、教师研究课题等提供研究平台，为小型蓄能能源站在住宅中推广运用奠定基础。

关键词  小型蓄能能源站；实验台；太阳能；空气源热泵系统

中图分类号：G642.423   文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）16-0049-04

0  引言

随着我国经济的高速发展，各方面都取得巨大成就，我国也成为世界上能源消费和污染排放大国。其中建筑能耗占全国总能耗的30%以上，而在建筑能耗中，采暖和空调的能耗约占建筑总能耗的65%。因此，采用新型能源与设备进行采暖、空调以及热水供应，成为目前研究的重点[1]。

在能源应用方面，公共建筑可选的节能方案有很多，但住宅建筑采暖和空调系统比较单一，住户大多数安装空调和太阳能热水器。空调主要利用热泵技术，将空气能作为冷热源，实现制热与制冷，但受环境、地区性差异和热源本身特点等因素的限制，其性能系数会降低。太阳能热水器通过集热器收集太阳的热能，进而给用户提供热水，但太阳能热水器运行会受天气干扰，无法实现全天的稳定运行。而且两套设备在建筑外部分散式安装，在一定程度上影响建筑美观。

越来越多的科研工作者对太阳能热泵系统进行研究，该技术已经日趋成熟，也得到越来越多普通老百姓的认可。但是在徐州地区，目前对太阳能热泵系统的研究尚少，而且缺乏在住宅中建立蓄能能源站的研究。本文设计一套太阳能、空气能蓄能系统，建立小型蓄能能源站，实现太阳能和热泵系统的高效利用，全年稳定运行。住宅小型蓄能能源站可以满足用户采暖、空调以及生活热水供应等多种需求，大学生可以利用该装置开展创新探索型实验及大学生创新训练计划，教师可以利用该装置进行相关课题研究，为小型蓄能能源站在住宅中推广运用奠定基础[2-8]。

1  实验台系统组成

住宅小型蓄能能源站实验台搭建初，考虑到该实验平台既要满足教师科研需求，又要满足平时住宅用户对室内环境冷热需求，为更好地收集用户对其优劣及改善方案反馈，该实验台设计为一个真实的住宅冷热源供应系统。该系统主要由太阳能集热系统、蓄能水箱、风冷热泵机组、冷热水循环系统、风机盘管、地板辐射管、控制和采集系统等组成，结构原理如图1所示。

太阳能集热系统采用真空管式的太阳能集热器，单管长1.8 m，共设置100根，一部分与室内洗浴系统相连，另一部分与蓄能水箱相连。蓄能水箱通过在不锈钢水箱外部添加隔热层制成，容量为1 t。太阳能集热器与蓄能水箱之间设置水泵和电磁阀，集热器出口和蓄能水箱内各设置温度传感器一个，利用温差（设置为5 ℃）控制集热热水循环泵和电磁阀的开启/关闭，使太阳能最大限度地发挥太阳能的优势。在太阳能能量充足时，温差大于所设温度值，电磁阀开启，循环泵运行，此时蓄能水箱不断储存热量；当太阳能能量不足时，温差小于所设温度值，电磁阀关闭，循环泵停止运行，太阳能停止向蓄能水箱输送热量。此外，在太阳能集热器侧布置太阳能总辐射量测试仪，用于监测太阳能总辐射情况，研究太阳能可利用资源总量情况，分析太阳能集热器集热效率和性能。

蓄能水箱另一端与风冷热泵机组连接后，再与室内末端装置相连，蓄能水箱与风冷热泵机组串联运行，风冷热泵机组进出口各设置温度传感器一个，通过供回水温度控制风冷热泵机组的开启和关闭。室内负荷侧设置风机盘管和地板辐射管，负荷侧供回水管道之间设置旁通管，旁通管上设置一个电磁阀，实现系统夜间低价电时蓄能模式的开启。此外，为了创造一个恒定、舒适的室内环境，每个房间内也设置温度传感器，实时检测室内的温度，进而控制风冷热泵机组的开启。

实验台还设置智能监控系统，利用智能记录仪完成各温度、流量、压差等参数的实时检测和动态显示，还可以通过智能监控系统控制整个系统的开启、关闭，以及相关控制参数的更改，进而改变不同的运行工况，研究住宅小型蓄能能源站的性能。

实验装置所用测试仪器如表1所示，建成的实验装置部分实物如图2所示。

2  实验系统原理

住宅小型蓄能能源站充分利用太阳能和空气能，同时利用峰谷电价特点，削峰填谷进行蓄能，满足用户夏季供冷、冬季供暖以及全年热水供应多种需求，实现能效的合理利用、系统的节能环保。系统运行主要分为制热工况、制冷工况和蓄能工况，具体工作原理如下。

1）制热工况：冬季可以满足用户采暖和生活热水供应的需求。太阳能集热器所获取的热量一部分供应生活热水，另一部分在集热器出口温度大于蓄能水箱温度5 ℃时，开启集热热水循环泵，将热量蓄热于蓄能水箱中。由于太阳能的不稳定性，蓄能水箱的热量不能完全靠太阳能，因此在蓄能水箱中设置温度传感器，当水温低于设定值（如35 ℃）时控制电磁阀开启风冷热泵机，保证室内采暖过程中热水的正常供应。最后，蓄能水箱中的热水进入室内侧的地板辐射管完成供热。可以看出，整个设计都是为了最大限度地利用太阳能供暖，风冷热泵机组作为补充，确保系统节能的最大化。此外，冬季采用地板辐射采暖，在相同条件下，室内计算温度可比对流采暖低2～3 ℃，同时供水温度也降低，相比传统的采暖方式，节能幅度约为20%。

2）制冷工况：夏季可以满足用户供冷和生活热水供应的需求。太阳能集热器所获取的热量主要供应生活热水，风冷热泵机组主要负责室内制冷，当蓄能水箱的水温高于设定值（如7 ℃）时，开启风冷热泵机组，室内侧通过风机盘管完成制冷。

3）蓄能工况：采用蓄冷蓄热技术实现电能的削峰填谷。在电网用电低谷期间，负荷侧供回水管道之间旁通管的电磁阀开启，风冷热泵机组在冬季把热能储存到蓄能水箱中，在夏季把冷量储存到蓄能水箱中。利用深夜电网的过剩廉价电力蓄能，将白天电网负荷高峰时的大量用电负荷移入深夜电网低谷时段，降低高峰负荷对电网的压力，提高负荷率，降低系统的运行费用[9-10]。

由此可以看出：针对太阳能和空气源热泵单独使用时存在的不足，住宅小型蓄能能源站扬长避短，将太阳能和空气源热泵系统的优势集合，节能效果显著，且有效地利用了蓄能技术，实现电能的削峰填谷。与传统系统相比，该系统具有以下特点：

1）太阳能集热器不仅可以为用户提供生活热水，还可以在冬季作为热源为用户供暖，也可以提升热泵机组在冬季运行的效率；

2）热泵机组根据室外环境的变化，灵活切换不同运行模式，最大限度利用太阳能和空气能；

3）蓄能水箱不仅能实现电能的削峰填谷，而且能作为系统的缓冲水箱，可以降低主机启动率、延长主机寿命，在冬季实现高效除霜，除霜时间短，消耗热量小。

3  实验课程设计及实施

3.1  实验课程设计

该系统功能全面，开放性强，可以用于研究太阳能与空气源热泵在住宅采暖、制冷及生活热水供应方面的节能利用问题，开展不同蓄冷蓄热技术的应用效果分析，为本科学生提供演示类实验、验证类实验及创新类实验，既能让学生加强对专业知识的理解与掌握，又能满足本科创新探索型实验教学需求，提高学生发现与探究知识的能力。此外，实验台还可以为大学生创新训练计划、教师研究课题等提供研究平台，为新技术在工程实际中的推广奠定基础。经过探讨，该实验台可以提供以下实验内容：

1）让学生熟悉常用测试仪器的测量原理、测试方法及操作规程，了解基本热工参数的数据采集与数据分析方法，培养学生基本的实验技能；

2）让学生熟悉空气源热泵系统、太阳能集热系统常用设备的组成、结构及工作原理，相比传统空调冷热源，体会小型蓄能能源站所采用冷热源的优势，加深学生对可再生能源利用及建筑节能的认识；

3）让学生掌握太阳能集热器集热性能测试方法，分析太阳能总辐射量、蓄热水箱水量及水温等参数对太阳能集热器集热性能的影响，为太阳能集热器的优化设计提供依据；

4）让学生掌握制冷工况和采暖工况的运行特性，分析不同工况下水温、水量及能耗等参数下的系统性能及能耗，让学生进一步掌握蒸发温度和冷凝温度与系统运行效率之间的关系；

5）让学生了解太阳能与空气源热泵系统集成一体的方法，在不同运行模式下测试相关性能参数，并分析各运行模式下的性能参数与系统节能效率之间的关系，探索太阳能和空气能最佳运行模式，为太阳能和空气能的设计和运行提供优选方案；

6）让学生掌握蓄能技术，通过控制相应阀门，完成蓄能模式与用能模式的切换，实现白天和夜间用电需求的平衡，分析夜间蓄能总量与白天用能总量的关系，探索蓄能系统最佳的蓄能比例，为蓄能系统的优化设计提供基础。

该实验台可以从专业角度出发，能设计的实验项目有很多，不仅让学生将自身知识体系融会贯通，加深对专业知识的掌握与理解，而且激发学生积极思考、探索问题的精神，拓宽学生视野，提升学生用理论知识解决工程实际问题的能力。

3.2  实验课程考核

由于本实验内容不局限于一门课程，涉及专业知识面广，内容丰富，实施过程灵活，难易程度不均，因此，实验考核不能仅看学生实验报告的完成情况，还需要增加考查学生对专业知识的综合应用环节，可以通过答辩形式来考查学生的专业知识综合应用能力。先让学生制作PPT来说明实验思路、实验分析、实验过程、实验中遇到的问题及解决的方法，再通过教师问、学生答或者学生问、教师答的环节，在教师和学生相互问答中，让学生不仅更深入地掌握专业知识，而且探索到专业最前沿的问题。虽然有些问题还没有确切的答案，但这个过程足以激发学生继续探索知识的乐趣。采用“实验报告+答辩”的实验课程考核方式，指导教师不仅需要熟悉实验内容及过程，更需要具备较强的专业理论知识，懂得创新，能够协助学生完成实验，引导学生去发现问题、分析问题、解决问题，实现“以学生为主体、以教师为主导”的教学模式[11]。

4  结束语

住宅小型蓄能能源站实验台是教学与科研的承载体，将学生实验与教师科研紧密结合起来，不仅可以增强学生自我学习和科学思维的能力，培养学生获取知识、运用知识、创造知识的能力，激发学生的发现与探索精神，满足综合性、设计性和创新性教学实验的要求，而且可以为教师在可再生能源应用研究方面提供实验平台，为住宅小型蓄能能源站的推广提供理论研究基础[11-12]。

参考文献

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[2] 张东海，魏京胜，黄炜，等.气流组织综合实验装置设计与实践[J].实验技术与管理，2012，29（11）：70-73.

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[4] 李嵘.空调冷热源能耗分析及对环境影响的生命周期评价[D].西安：西安建筑科技大学，2005.

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[10] 韩国辉，邹炳强.高压配电设备及运行[D].山东：山东信息职业技术学院，2011.

[11] 蔺洁，陈超，张思琦.建筑环境与能源应用专业创新实验课程的实践[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：198-201.

[12] 卓云.生产过程中节能降耗的探索与实践[J].日用电器，2011（1）：9-11.

*基金项目：2020年度中国矿业大学徐海学院专业建设与教学改革一般项目“《建筑节能技术》课程建设与教学改革”（项目编号：YA2041）；2020年度江苏省教育厅江苏省高等学校自然科学研究面上项目“徐州地区小型蓄能能源站在住宅中应用研究”（项目编号：20KJD560008）。

作者：张琳邡，通信作者，中国矿业大学徐海学院建筑工程系，讲师，主要从事为建筑节能、能源管理、暖通空调方面的教学及实验研究工作（221008）；纪河，江苏纳奇机电设备工程有限公司，工程师，研究方向为建筑节能、新能源应用；张毅，江苏纳奇机电设备工程有限公司，工程师，研究方向为建筑工程项目管理、工业消防（221000）。