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热泵耦合太阳能的相变储能系统的构建及运行分析

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-10-23

沈阳建筑大学  冯国会  于素蕴  黄凯良

       【摘  要】以往的普通能源系统存在各类问题,本文以沈阳建筑大学超低能耗示范中心为建筑模型,构建热泵与太阳能耦合的相变储能系统。采用瞬态模拟软件TRNSYS和实际测试数据分析系统运行情况,探讨复合式能源系统的优点和可行性。根据模拟得出的结果显示,沈阳建筑大学超低能耗示范中心建筑全年最大热负荷为11.6KW,出现在1月14日;最大冷负荷是10.01KW,出现在全年气温最高的时刻。相变储能复合式能源系统内热泵机组的COP值比普通热泵系统的COP值提升了16.67%左右。七月份的流量平均值为3.854m3/h。用户的负荷侧回水平均为12.35℃,平均源测回水温度值为46.8℃。实测和模拟两者数值偏差控制在15%以内。结合了太阳能、热泵的相变储能复合式能源系统比普通能源系统高效、节能。

       【关键词】热泵;太阳能;相变储能;耦合

       【基金项目】国家十三五重点研发计划项目(2017YFC0702600)

0 引言

       中国的快速发展离不开能源的发展与应用,可再生能源的利用屡见不鲜,但单一能源的使用存在许多问题,本文讨论太阳能和热泵技术。

       太阳能在单独使用构建系统时,能流密度低,分散性强[1-3],无法集中使用;有的太阳能利用装置,效率偏低,成本较高,经济性还不能与常规能源相竞争[4-6]。在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济性的制约[7]

       地源热泵系统在使用时存在以下几点问题:从地下取热需要大量的埋管量,初投资偏大、需用大面积土地;在冬夏负荷不平衡的情况下,会造成地下能量积聚[8-11],需要辅助能源;在打井技术方面,尚未很好解决回灌问题,很多工程实际上并未达到百分百回灌。

       因一次能源替代势在必行且单一能源系统存在各类弊端[12-15],本文将太阳能和热泵两种可再生技术结合相变储能技术联合使用,构建复合式能源系统,力求高能效、低能耗且经济合理。

1 建筑模型建立及负荷计算

       1.1 建筑概况

       沈阳建筑大学“被动式超低能耗示范建筑”,位于沈阳市浑南新区浑南东路9号沈阳建筑大学校园的西南方向,总占地面积为167.95m2,该项目为示范建筑,其内设展厅、示范房间(带火炕)、厨房、卫生间、控制室以及设备专用机房。总建筑面积为335.9 m2,建筑基地面积563.24 m2,建筑地上2层。建筑各层平面图如下所示。

图1 一层建筑平面设计图                       图2 二层建筑平面设计图

       被动式超低能耗示范中心建筑的主体结构为钢框架结构,建筑的长、宽和高分别为:18.6m、9m和6.9m,建筑物一层层高3.3m,二层层高3.6m,图3和图4分别为示范中心的选址示意图和示范中心落成后的外观效果图。示范中心建筑的体形系数为0.47。建筑物东南西北四面的窗墙比分别为:0.05、0.12、0.09和0.12。

图3示范中心的选址示意图                      图4示范中心落成外观效果图

       1.2 建筑模型建立及负荷概算

       应用DeST能耗模拟软件建立被动式超低能耗建筑模型[16-18]。基于DeST软件自带的气象数据库中的沈阳地区逐时气象数据,对该建筑模型下的采暖能耗和空调能耗进行了全年8760小时的模拟分析。

图5沈阳建筑大学被动式超低能耗示范建筑模型

       经模拟计算得,沈阳建筑大学超低能耗示范中心建筑全年最大热负荷为11.6KW,出现在1月14日。而全年最大冷负荷是9.75KW,出现在全年气温最高的时刻。全年累计热负荷指标为43.25KW·h/m2、全年累计冷负荷指标为36.21KW·h/ m2

表1建筑负荷统计表  图6全年逐时空调负荷

图6全年逐时空调负荷

2 复合式相变储能系统建立

       选取沈阳建筑大学超低能耗示范中心的一层一个标准房间,建立热泵耦合太阳能的相变储能系统仿真模型,分析相变储能蓄热装置在加入到热泵式太阳能耦合系统后对整个系统的影响。

图7热泵耦合太阳能的相变储能系统仿真模型图

       2.1 仿真系统控制策略

       1)时间控制器(TYPE14h)

       该系统时间控制器采用模块TYPE14h,该模块主要来控制土壤源热泵源侧和负荷两侧的循环泵的开启和关闭,从而控制热泵机组的开启和关闭。本系统运行时间控制如下:8时-18时控制信号为1,其余时间控制信号为0。

       2)温差控制器(TYPE2b)

       平板型太阳能集热器和相变蓄热水箱之间的循环泵的开启和关闭主要通过TYPE2b来进行调节和控制。当初始的控制信号为1时,设定温差高于集热器的出口温度和相变储热水箱源侧温差时,水泵停止工作;当高于设定温差时,水泵正常运行。当初始时控制信号为0时,当设定温差低于集热器的出口温度和相变储热水箱热源侧温差时,水泵开始运行;当高于设定温差时,水泵停止运行。当部件监测的温度高于设定最高温度时,水泵也停止运行。

       3)温度控制器(TYPE2b)

       整个复合式蓄热系统模拟运行时,通过温度控制器(TYPE2b)来控制相变储热水箱和末端水泵之间的启停。在设计工况时,假设房间采暖温度为20℃,则房间温度波动范围为22±2℃,当监测出的温度值高于24℃时,停掉用户侧水泵;当监测温度低于20℃时,循环泵即使开启直至温度再次高于24℃。

       2.2 系统仿真模拟分析

       沈阳地处严寒地区,供暖季从11月15日起直到次年3月15日,典型年最冷月份为1月;选取典型年最冷的1月份及2017年1月最冷天1月15日进行模拟分析。考虑到一天中太阳辐射强弱不同的情况[12],在整个房间负荷值最大的早晚时间采用平板型太阳能集热器、热泵和储热水箱一同供热的情况,其余情况基本均采取利用太阳能集热器供热。

表2典型日太阳能集热器能量变化(单位:MJ)  表3 典型日热泵侧热量变化(单位:MJ)

       由表2和表3可以看出以下两点结论:典型日,集热器的总福射能保持不变,集热器吸收的有用能和集热器平均效率均略有增加;加入相变储热水箱的复合式能源系统相比传统的太阳能热泵系统,系统整体的COP值增大了。

表4 典型月太阳能集热器能量变化(单位:MJ)  表5 典型月热泵侧的能量变化(单位:MJ)

       由表4和表5可见,典型月太阳能集热器的总辐射能并没有发生任何的变化,而集热器有用能和集热器的平均效率略有增加;集热器获得的有用能一部分被相变储热水箱内的蓄热材料所吸收热,系统内生活热水均由太阳能系统提供,平时多余热量储存在相变蓄热水箱内,待热量不,使集热器的进口温度略有下降,集热器的平均效率有所提高。

       相对于传统的太阳能热泵系统来说,加入相变储热水箱时,由于相变储热水箱的蓄热量增加,增大了热泵的耗电量,系统内热泵机组的COP值比普通热泵系统的COP值提升了16.67%左右。

3 复合式能源系统实测

       3.1实验系统介绍

       沈阳建筑大学超低能耗示范中心采用双源热泵系统(水源、土壤源热泵),系统供热由热泵系统和太阳能系统联合供足时放热,节省系统耗电量。系统末端装置为毛细管网系统。

图8系统流程图

       3.2 超声波流量计的实验方法

       为了测试沈阳建筑大学超低能耗示范中心能源系统的流量多少,配合复合式能源系统的流量等其他相关条件的调试,在热泵立管上绑有超声波流量计探头,实时测试热泵立管附近处的流量,实时监测整个七月份的流量经统计计算得出平均流量值为3.854m3/h。

图9超声波流量计探头                   图10超声波流量计测试结果统计图

       3.3 温湿度自计仪的实验方法

       将两只提前设置好监测时间和监测频率的双探头温湿度自计议的探头分别放入热泵源测和负荷侧的保温层之内,让探头紧贴管壁放置,方便灵敏的实时记录管壁温度变化。温湿度自计议数据采集频率设置为0.5h/个。

       布置温湿度自计议的起始时间是从2017年7月12日零点至2017年9月1日零点。采取非循环采集模式,采集间隔为1800s,记录总数据为每块温湿度自计议2450个。

 图11温湿度自计议仪表布置图             图12温湿度自计议探头布置图

       3.4 被动式超低能耗示范中心实测结果

       截取7月下旬一周的时间,温度呈逐渐降低趋势,纵观全部测试时间,用户侧回水温度大致稳定在一定数值范围内,稳定波动,平均温度为12.35℃。源测回水温度稳定波动于46℃~47℃之间,平均源测回水温度值为46.8℃。与供水温度之差为4.17℃。

图13用户侧回水温度                    图14源测回水温度

       3.5 实测结果与模拟结果对比分析

       通过TRNSYS瞬态模拟和对实际建筑物的连续监测讨论了热泵源测和负荷侧的进出水温度,二者趋势和数据情况基本一致:

       由于模拟的理想性和实际仪表误差及读取误差等各方面原因,模拟曲线和实际测试曲线是无法完全重合的,但两条曲线的趋势基本一致,模拟值较实验值稍高,但偏差为10.36%,控制在15%以内,证明了模拟的准确性。

图15源测回水温度的模拟与实测对比图

4 结论

       通过以沈阳建筑大学超低能耗示范中心为平台的模型建立、模拟分析和实际测试,得出以下几点结论:

       1)通过DeST软件的模拟计算,得出沈阳建筑大学超低能耗示范中心建筑全年最大热负荷为11.6KW,出现在1月14日。而全年最大冷负荷是10.01KW,出现在全年气温最高的时刻。

       2)相变储能复合式能源系统内热泵机组的COP值比普通热泵系统的COP值提升了16.67%左右。

       3)整个七月份的流量平均值为3.854m3/h。用户的负荷侧回水平均为12.35℃,平均源测回水温度值为46.8℃。实测和模拟两者数值偏差控制在15%以内。

       就以上结论可以看出,以沈阳建筑大学超低能耗示范中心为平台的结合了太阳能、热泵的相变储能复合式能源系统比普通能源系统高效、节能。

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       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。