空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)

摘 要

摘要：介紹了空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)的組成及工作流程集熱器、毛細(xì)管輻射板等裝置的選型設(shè)計方法進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；太陽能；毛細(xì)管；輻射供暖Capillar
摘要：介紹了空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)的組成及工作流程集熱器、毛細(xì)管輻射板等裝置的選型設(shè)計方法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；太陽能；毛細(xì)管；輻射供暖
Capillary Radiant Heating System Using Air-source Heat Pump-assisted Solar Energy
ZHU Zhi-peng，WENG Wen-bing
Abstract：The composition and workflow of capillary radiant heating system using air-source heat pump-assisted solar energy are introduced. The lectotype and design method of solar collector，capillary radiant panel and other devices are discussed.
Key words：air-source heat pump；solar energy；capillary；radiant heating
   太陽能是一種清潔能源，開發(fā)利用太陽能不僅能夠降低燃用常規(guī)能源帶來的污染，還可以緩解能源緊張。毛細(xì)管輻射供暖供冷技術(shù)是20世紀(jì)70年代由德國科學(xué)家根據(jù)仿生學(xué)原理發(fā)明的，具有舒適性好、布置靈活、無噪聲、不存在細(xì)菌滋生源、無吹風(fēng)感等優(yōu)點(diǎn)，并具有傳熱好、熱效率高、占用空間較小、熱濕獨(dú)立控制、有效提高室內(nèi)空氣品質(zhì)、可利用低品位能源等優(yōu)勢[1]。特別是可以利用低品位能源的優(yōu)勢，為利用太陽能提供了可能。由于太陽能是晝夜間歇性能源，又受到天氣影響，因此太陽能利用系統(tǒng)中宜加入熱泵進(jìn)行輔助加熱[2～5]。本文對空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)的設(shè)計計算進(jìn)行探討。
1 系統(tǒng)的組成
    為了彌補(bǔ)太陽能的晝夜間歇性和受天氣影響較大的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)中加入空氣源熱泵維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)流程見圖1。系統(tǒng)選用真空管太陽能集熱器，蓄熱水箱容量較大為了白天能儲存較多熱水為夜間提供熱量。經(jīng)太陽能集熱器加熱后的熱水由集熱水循環(huán)泵輸送至蓄熱水箱，與蓄熱水箱中冷水換熱后，重新回到太陽能集熱器中被加熱。蓄熱水箱中的熱水經(jīng)供暖熱水循環(huán)泵輸送至分水器，由分水器進(jìn)入各個毛細(xì)管輻射板散熱后，回到蓄熱水箱。當(dāng)蓄熱水箱中熱水不能滿足供暖需求時，熱泵開啟，加熱蓄熱水箱中的水，以滿足室內(nèi)供暖需求。
 

    系統(tǒng)設(shè)置了溫差控制器、溫度控制器。溫差控制器的低溫測點(diǎn)設(shè)在太陽能集熱器進(jìn)口處，高溫測點(diǎn)設(shè)在太陽能集熱器出口處。當(dāng)高低溫測點(diǎn)的溫差小于設(shè)定值時，關(guān)閉集熱水循環(huán)泵。該溫差的設(shè)定值應(yīng)綜合考慮，這是由于當(dāng)溫差小到一定程度時，太陽能集熱器已經(jīng)起不到加熱作用，集熱水循環(huán)泵繼續(xù)運(yùn)行已經(jīng)無意義。溫度控制器的測點(diǎn)設(shè)在太陽能集熱器上，當(dāng)測定溫度達(dá)到設(shè)定值時，啟動集熱水循環(huán)泵。
    在室內(nèi)設(shè)置溫度控制器，通過控制供暖熱水循環(huán)泵控制室內(nèi)溫度，供暖熱水循環(huán)泵采用變頻泵。當(dāng)室內(nèi)溫度高于溫度控制器的設(shè)定值時，溫度控制器控制變頻泵降低供暖熱水流量，從而降低室內(nèi)溫度至設(shè)定值；反之則控制變頻泵加大供暖熱水流量，升高室內(nèi)溫度至設(shè)定值。
    空氣源熱泵的啟停由設(shè)置在蓄熱水箱上部的溫度控制器控制，當(dāng)蓄熱水箱上部的水溫低于設(shè)定值時，啟動熱泵；當(dāng)高于設(shè)定值時，停止熱泵運(yùn)行。為了避免熱泵頻繁啟停，且能充分利用太陽能，設(shè)定值要經(jīng)試驗(yàn)取得。
2 系統(tǒng)設(shè)計計算
   ① 集熱面積的計算
太陽能集熱器集熱面積A的計算式為[6]：
 
式中Ac——太陽能集熱器的集熱面積，m2
    Q——日設(shè)計集熱量，kJ/d
    I——正南朝向安裝、一定安裝角條件下，單位集熱面積上平均日總太陽輻射量，kJ/(m2·d)
    η——太陽能集熱器日平均集熱效率
太陽能集熱器日平均集熱效率η的計算式為[6]：
 
式中a、b——集熱器性能系數(shù)
    ti——集熱器入口熱水溫度，℃
    te——集熱器入口環(huán)境溫度，℃
    E——日平均太陽輻照度，W/m2
   ② 毛細(xì)管輻射板面積的計算
   S形、U形毛細(xì)管輻射板外形見圖2。S形毛細(xì)管輻射板比較常用，它是由供回水主管和若干毛細(xì)管組成的。毛細(xì)管外徑為4.3mm，標(biāo)準(zhǔn)間距為20mm，還可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整。管材可采用無規(guī)共聚聚丙烯管(PP-R管)、耐熱聚乙烯管(PE-RT管)、聚丁烯管(PB管)。安裝方式有隱蔽式、半隱蔽式：隱蔽式是將毛細(xì)管輻射板安裝在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部；半隱蔽式是將毛細(xì)管輻射板安裝在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，采用裝飾物遮擋。
 

    傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)房間熱負(fù)荷Ф的計算式為[7]：
    Ф=Фb+Фin+Ф’in+Фa    (3)
式中Ф——傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)房間熱負(fù)荷，W
    Фb——基本耗熱量，W
    Фin——冷風(fēng)滲透耗熱量，W
    Ф’in——冷風(fēng)侵入耗熱量，W
    Фa——附加耗熱量，W
由于目前對于毛細(xì)管輻射板傳熱的研究不是很深，因此毛細(xì)管輻射板面積Ar通常采用下式進(jìn)行計算：
 
式中Ar——毛細(xì)管輻射板面積，m2
    ts——供暖熱水供水溫度，℃
    tr——供暖熱水回水溫度，℃
    這種設(shè)計計算方法是基于當(dāng)前對毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)末端的研究成果，但計算結(jié)果不十分理想，要得出比較準(zhǔn)確的數(shù)值還要對毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)末端進(jìn)行進(jìn)一步研究。
    ③ 輔助空氣源熱泵的選擇
    由于太陽能的晝夜間歇性和受天氣影響較大的不穩(wěn)定性，空氣源熱泵的最大供熱量應(yīng)滿足太陽能集熱量為0情況下的房間供暖需求。
3 結(jié)語
    太陽能供暖系統(tǒng)具有節(jié)能、清潔、環(huán)保、便于熱計量等特點(diǎn)，是一種綠色的供暖方式。節(jié)約了常規(guī)能源，從而避免了使用常規(guī)能源帶來的污染，因此利用太陽能是節(jié)能減排的發(fā)展方向。特別是太陽能與毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)相結(jié)合，不僅提高了室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度，而且可節(jié)省大量能源。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：朱志朋 翁文兵 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093)