空氣源熱泵輔助太陽能毛細管輻射供暖系統

摘 要

摘要：介紹了空氣源熱泵輔助太陽能毛細管輻射供暖系統的組成及工作流程集熱器、毛細管輻射板等裝置的選型設計方法進行了探討。關鍵詞：空氣源熱泵；太陽能；毛細管；輻射供暖Capillar
摘要：介紹了空氣源熱泵輔助太陽能毛細管輻射供暖系統的組成及工作流程集熱器、毛細管輻射板等裝置的選型設計方法進行了探討。
關鍵詞：空氣源熱泵；太陽能；毛細管；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，開發利用太陽能不僅能夠降低燃用常規能源帶來的污染，還可以緩解能源緊張。毛細管輻射供暖供冷技術是20世紀70年代由德國科學家根據仿生學原理發明的，具有舒適性好、布置靈活、無噪聲、不存在細菌滋生源、無吹風感等優點，并具有傳熱好、熱效率高、占用空間較小、熱濕獨立控制、有效提高室內空氣品質、可利用低品位能源等優勢[1]。特別是可以利用低品位能源的優勢，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中宜加入熱泵進行輔助加熱[2～5]。本文對空氣源熱泵輔助太陽能毛細管輻射供暖系統的設計計算進行探討。
1 系統的組成
    為了彌補太陽能的晝夜間歇性和受天氣影響較大的不穩定性，系統中加入空氣源熱泵維持系統穩定運行。空氣源熱泵輔助太陽能毛細管輻射供暖系統流程見圖1。系統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。經太陽能集熱器加熱后的熱水由集熱水循環泵輸送至蓄熱水箱，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供暖熱水循環泵輸送至分水器，由分水器進入各個毛細管輻射板散熱后，回到蓄熱水箱。當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，以滿足室內供暖需求。
 

    系統設置了溫差控制器、溫度控制器。溫差控制器的低溫測點設在太陽能集熱器進口處，高溫測點設在太陽能集熱器出口處。當高低溫測點的溫差小于設定值時，關閉集熱水循環泵。該溫差的設定值應綜合考慮，這是由于當溫差小到一定程度時，太陽能集熱器已經起不到加熱作用，集熱水循環泵繼續運行已經無意義。溫度控制器的測點設在太陽能集熱器上，當測定溫度達到設定值時，啟動集熱水循環泵。
    在室內設置溫度控制器，通過控制供暖熱水循環泵控制室內溫度，供暖熱水循環泵采用變頻泵。當室內溫度高于溫度控制器的設定值時，溫度控制器控制變頻泵降低供暖熱水流量，從而降低室內溫度至設定值；反之則控制變頻泵加大供暖熱水流量，升高室內溫度至設定值。
    空氣源熱泵的啟停由設置在蓄熱水箱上部的溫度控制器控制，當蓄熱水箱上部的水溫低于設定值時，啟動熱泵；當高于設定值時，停止熱泵運行。為了避免熱泵頻繁啟停，且能充分利用太陽能，設定值要經試驗取得。
2 系統設計計算
   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
    ti——集熱器入口熱水溫度，℃
    te——集熱器入口環境溫度，℃
    E——日平均太陽輻照度，W/m2
   ② 毛細管輻射板面積的計算
   S形、U形毛細管輻射板外形見圖2。S形毛細管輻射板比較常用，它是由供回水主管和若干毛細管組成的。毛細管外徑為4.3mm，標準間距為20mm，還可以根據要求進行調整。管材可采用無規共聚聚丙烯管(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：隱蔽式是將毛細管輻射板安裝在圍護結構內部；半隱蔽式是將毛細管輻射板安裝在圍護結構表面，采用裝飾物遮擋。
 

    傳統供暖系統房間熱負荷Ф的計算式為[7]：
    Ф=Фb+Фin+Ф’in+Фa    (3)
式中Ф——傳統供暖系統房間熱負荷，W
    Фb——基本耗熱量，W
    Фin——冷風滲透耗熱量，W
    Ф’in——冷風侵入耗熱量，W
    Фa——附加耗熱量，W
由于目前對于毛細管輻射板傳熱的研究不是很深，因此毛細管輻射板面積Ar通常采用下式進行計算：
 
式中Ar——毛細管輻射板面積，m2
    ts——供暖熱水供水溫度，℃
    tr——供暖熱水回水溫度，℃
    這種設計計算方法是基于當前對毛細管輻射供暖系統末端的研究成果，但計算結果不十分理想，要得出比較準確的數值還要對毛細管輻射供暖系統末端進行進一步研究。
    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定性，空氣源熱泵的最大供熱量應滿足太陽能集熱量為0情況下的房間供暖需求。
3 結語
    太陽能供暖系統具有節能、清潔、環保、便于熱計量等特點，是一種綠色的供暖方式。節約了常規能源，從而避免了使用常規能源帶來的污染，因此利用太陽能是節能減排的發展方向。特別是太陽能與毛細管輻射供暖系統相結合，不僅提高了室內環境的熱舒適度，而且可節省大量能源。
參考文獻：
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[3] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太陽能輔助地源熱泵供熱運行特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：39-42.
[4] 鄭宗和，高金水，葛聽.太陽能熱泵供暖系統在西藏地區的應用[J].煤氣與熱力，2006，26(12)：52-54.
[5] 黃濤，趙軍.太陽能熱泵供暖系統的實驗研究[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：71-72.
[6] 周恩澤，董華，涂愛民，等.太陽能熱泵地板輻射供暖系統的實驗研究[J].流體機械，2006，(4)：57-62.
[7] 陸耀慶.實用供熱通風與空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1993.
 
(本文作者：朱志朋 翁文兵 上海理工大學 環境與建筑學院 上海 200093)