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            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            時間:2019-05-30

            由于地表淺層巖土體溫度常年保持在10~20℃的范圍內,且地表淺層巖土體的冬季溫度比室外大氣溫度高,夏季比室外大氣溫度低,因而地源熱泵受外界氣候的影響小,機組運行穩定、可靠,與空氣源熱泵機組相比,制冷和供熱穩定,節能高效。在那些冬夏累積負荷相當的地區,地源熱泵在冬季供熱時從地下取熱,夏季給建筑物制冷時往地下蓄熱,其供熱季的取熱量與制冷季的蓄熱量大體相等,能夠維持地溫平衡。然而在嚴寒地區、大部分寒冷地區,由于其冬季供熱累積負荷大于夏季供冷累積負荷,造成熱泵從地下巖土體的取熱量大于夏季向巖土體的排熱量,這樣逐年積累下來,當地局部巖土體溫度會不斷下降,這樣就會打破地溫平衡。在短時間內依靠太陽能等無法恢復這種平衡,經過5~10年以后,可能造成地源熱泵機組的蒸發溫度降低,供熱量下降,熱泵機組消耗功率上升,供熱性能系數COP降低。


            相關資料已證實,在通常情況下,蒸發溫度每降低1℃,會使制取同樣熱量的耗能增加3~4%。為了維持熱泵的高效穩定的供熱需求,需要輔助熱源來彌補在嚴寒地區、大部分寒冷地區地溫失衡問題,太陽能作為綠色免費能源,成了此輔助熱源的選擇之一。


            太陽能的優點自不必說,其缺點也是顯而易見的,比如能量密度低、間歇性、不穩定性等,由于太陽能能量在一年四季的分布不均勻,夏季多冬季少,而供熱需求基本在冬季,對大部分北方地區來說,地源熱泵冬季取熱量大于夏季排熱量,通過太陽能集熱系統與巖土體源熱泵相結合,可以利用太陽能集熱系統在非采暖期給巖土體蓄熱。冬季采暖時,以太陽能供熱和巖土體中非采暖期所蓄存的部分熱量作為低位熱源通過熱泵提升溫度后供給采暖用戶,同時,在巖土體中蓄存部分冷量以備夏季空調用。夏季與過渡季節,太陽能集熱系統主要用于提供生活用熱水和向巖土體中蓄熱。如圖所示為太陽能—地埋管巖土體源熱泵系統供熱原理圖。

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            由于巖土體的比熱容在0.9kJ/(kg.℃)左右,而水的比熱容為4.2kJ/(kg.℃),所以若容納同樣數量的熱量就需較大的巖土體容積;而巖土體的導熱率也比水要小得多,由于蓄熱和取熱要依靠巖土體的導熱,因此蓄熱和取熱的速度較慢。為了使地下埋管蓄能系統能快速的適應熱負荷的變化,在系統中增加一個蓄熱水箱。該系統是將幾個豎井中的埋管先串聯成一條管路,然后再將幾個這樣的管路并聯在集水器或分水器上。蓄熱時,地下循環水從蓄熱區的中心流進,從蓄熱區的邊緣流出,取熱時,地下循環水從蓄熱區的邊緣流出,從蓄熱區大的中心流出,之所以這樣布置是為了減少蓄熱區的熱量損失。為保證較高的蓄熱效率,這種蓄能方式不適用于有地下水流動的地區。


            北京市通州一別墅群,其中的別墅,地上兩層,建筑高度6.4m,建筑面積396m2,以下分步展開計算。計算實例:


            1、負荷計算及設備選擇:


            1.1空調室外計算參數


            表1空調室外計算參數

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            1.2空調室內設計參數

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            1.3室內冷熱負荷計算(見下表)

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            制冷季負荷側進出水溫度為7/12℃,冷負荷為48.16kW,取同時使用系數0.7,冷負荷變為33.72kW,制冷季按90天計算,全年累計冷負荷為72835kWh;采暖季負荷側進出水溫度為45/40℃,熱負荷為43.36kW,同時使用系數取1,采暖季按125天計算,全年累計熱負荷為130080kWh。


            1.4設備選擇


            根據冷負荷的大小,選擇一臺10匹渦旋式地源熱泵機組,其制冷量38.6kW,制冷輸入功率6.7kW,制冷性能系數5.76;其地源工況的制熱量33.3kW,制熱輸入功率9kW,制熱性能系數3.7,與所需制熱量的差值約為10kW,由太陽能蓄熱解決。末端設備配置:夏季空調全部使用風機盤管,冬季使用地板輻射采暖。單U管巖土體蓄熱能力取50W/m,巖土體取熱能力取30W/m,按滿足夏季制冷負荷計算巖土體源井的長度和數量,得出需906m的井深,即需10個有效蓄熱長度100m的鉆孔,或者有效蓄熱長度60m的井需16口。鉆孔間距最小為4m,為增加巖土體夏季和過渡季節蓄熱能力,在場地條件允許的情況下,可將其增加到5m或6m。


            2、逐月太陽輻射強度

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            根據國家標準圖集06SS128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》得北京的逐月陽光輻照量。


            3、集熱器效率計算


            太陽能集熱器的集熱效率應根據選用產品的實際測試效率公式(1-1)或(1-2)進行計算。

            η=ηo-UT*       (1-1)


            式中:η-----T*以為參考的集熱器熱效率,%;

                ηo----T*時的集熱器熱效率,%;

                U------T*為參考的集熱器總熱損失系數,W/(m2.k);

                T*-----歸一化溫差,(m2.k)/w。


                η=ηo-a1T*-a2G(T*)2    (1-2)


            式中:a1-----以T*為參考的常數;

                  a2-----以T*為參考的常數;

                  G------總太陽輻照度,W/m2。


                 T*=(ti-ta)/G         (1-3)


            式中:ti----集熱器工質進口溫度,℃;

                  ta----環境溫度,℃;

                  總太陽輻照度G應按照下式計算。


                  G=Hy/(3.6Sy)           (1-4)


            式中:Hy----當地集熱器采光面上的太陽總輻射年平均日輻照量,KJ/(m2.d);

                  Sy----當地的年平均每日的日照小時數,h。

                  太燃能太陽能集熱器熱效率計算:

                  某真空管型集熱器的國家檢測報告中關于太陽能總面積的效率曲線(見下圖)。

            太陽能輔助地源熱泵系統設計計算

            該集熱器的瞬時效率方程為:


            ηa=0.393-1.406Ti*


            式中:Ti*=(Ti-Ta)/G


                  ti----工質進口溫度,℃;

                  ta----環境溫度,℃;

                  G-----集熱器采光面上的總日輻射度,w/m2


            ti=tl/3+2/3tend        (1-5)


            tl----工質進口溫度,30℃;

            te----工質出口溫度,45℃;


            項目計劃安排在3-10月份利用太陽能熱水為巖土體蓄熱,所以集熱器效率及蓄熱量計算均考慮在3-10月份內運行。


            北京地區:


            傾斜地面3-10月份日照小時數,即3-10月份日照小時數之和與3-10月份總日歷天數之比:


            Sy=1975.3/245=8.06h;


            傾斜面3-10月份月平均日太陽總輻射量:


            Jt=145557/8=18194kj/m2


            代入公式 G=Jt/3.6Sy  側G=627.03w/m2 歸一化溫差:T*=(ti-ta)/G 式中:ti=tl/3+2/3tend=40℃; ta=22.1℃。


            則T*=0.0285(m2.k)/w


            根據公式 η=ηo-UT*


            把ηo=0.393,U=1.406,T*=0.0285代入上式得 η=0.393-1.406x00285=0.353 即ηcd=35.3%


            夏季和過渡季單位面積集熱器的有效吸熱量為:


            18194x245x35.3%x(1-25%)/3600=327.8kwh


            4、集熱器面積計算


            不考慮生活熱水,復合系統冬季供熱、過渡季節蓄熱、夏季制冷時,全年能量平衡式為:


            (Qf-qwsA)(1-1/cop)=qnsA+Qc(1+1/EER)    (1-4)


            所需集熱器面積A為:


            A=[Qf(1-1/cop)-Qc(1+1/EER)]/qws(1-1/cop)+qns    (1-5)


            式中:建筑物總熱負荷Qf為130080kwh;建筑物總冷負荷Qc為72835kwh;熱泵的制熱性能系數和制冷性能系數分別為3.7和5.76;太陽能集熱器夏季和過渡季單位面積的有效吸熱量qns為327.8kwh/m2,該項目冬季不考慮太陽能采暖,故qws=0;代入式(1-5)得 A=28.83m2,即需要30m2的太陽能集熱器,如果考慮到夏季的空調負荷可能減小的情況,可以適當增加太陽能集熱器的面積。


            最后,我們所選熱泵機組可以滿足夏季空調的負荷要求,不能滿足冬季采暖的需求,在制熱輸入功率不增加的情況下,通過太陽能集熱器在夏季和過渡季節的蓄熱,完全能彌補熱泵機組制熱能力不足的問題。


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