空气源热泵辅助太阳能毛细管辐射供暖系统

摘 要

摘要：介绍了空气源热泵辅助太阳能毛细管辐射供暖系统的组成及工作流程集热器、毛细管辐射板等装置的选型设计方法进行了探讨。关键词：空气源热泵；太阳能；毛细管；辐射供暖Capillar
摘要：介绍了空气源热泵辅助太阳能毛细管辐射供暖系统的组成及工作流程集热器、毛细管辐射板等装置的选型设计方法进行了探讨。
关键词：空气源热泵；太阳能；毛细管；辐射供暖
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
   太阳能是一种清洁能源，开发利用太阳能不仅能够降低燃用常规能源带来的污染，还可以缓解能源紧张。毛细管辐射供暖供冷技术是20世纪70年代由德国科学家根据仿生学原理发明的，具有舒适性好、布置灵活、无噪声、不存在细菌滋生源、无吹风感等优点，并具有传热好、热效率高、占用空间较小、热湿独立控制、有效提高室内空气品质、可利用低品位能源等优势[1]。特别是可以利用低品位能源的优势，为利用太阳能提供了可能。由于太阳能是昼夜间歇性能源，又受到天气影响，因此太阳能利用系统中宜加入热泵进行辅助加热[2～5]。本文对空气源热泵辅助太阳能毛细管辐射供暖系统的设计计算进行探讨。
1 系统的组成
    为了弥补太阳能的昼夜间歇性和受天气影响较大的不稳定性，系统中加入空气源热泵维持系统稳定运行。空气源热泵辅助太阳能毛细管辐射供暖系统流程见图1。系统选用真空管太阳能集热器，蓄热水箱容量较大为了白天能储存较多热水为夜间提供热量。经太阳能集热器加热后的热水由集热水循环泵输送至蓄热水箱，与蓄热水箱中冷水换热后，重新回到太阳能集热器中被加热。蓄热水箱中的热水经供暖热水循环泵输送至分水器，由分水器进入各个毛细管辐射板散热后，回到蓄热水箱。当蓄热水箱中热水不能满足供暖需求时，热泵开启，加热蓄热水箱中的水，以满足室内供暖需求。
 

    系统设置了温差控制器、温度控制器。温差控制器的低温测点设在太阳能集热器进口处，高温测点设在太阳能集热器出口处。当高低温测点的温差小于设定值时，关闭集热水循环泵。该温差的设定值应综合考虑，这是由于当温差小到一定程度时，太阳能集热器已经起不到加热作用，集热水循环泵继续运行已经无意义。温度控制器的测点设在太阳能集热器上，当测定温度达到设定值时，启动集热水循环泵。
    在室内设置温度控制器，通过控制供暖热水循环泵控制室内温度，供暖热水循环泵采用变频泵。当室内温度高于温度控制器的设定值时，温度控制器控制变频泵降低供暖热水流量，从而降低室内温度至设定值；反之则控制变频泵加大供暖热水流量，升高室内温度至设定值。
    空气源热泵的启停由设置在蓄热水箱上部的温度控制器控制，当蓄热水箱上部的水温低于设定值时，启动热泵；当高于设定值时，停止热泵运行。为了避免热泵频繁启停，且能充分利用太阳能，设定值要经试验取得。
2 系统设计计算
   ① 集热面积的计算
太阳能集热器集热面积A的计算式为[6]：
 
式中Ac——太阳能集热器的集热面积，m2
    Q——日设计集热量，kJ/d
    I——正南朝向安装、一定安装角条件下，单位集热面积上平均日总太阳辐射量，kJ/(m2·d)
    η——太阳能集热器日平均集热效率
太阳能集热器日平均集热效率η的计算式为[6]：
 
式中a、b——集热器性能系数
    ti——集热器入口热水温度，℃
    te——集热器入口环境温度，℃
    E——日平均太阳辐照度，W/m2
   ② 毛细管辐射板面积的计算
   S形、U形毛细管辐射板外形见图2。S形毛细管辐射板比较常用，它是由供回水主管和若干毛细管组成的。毛细管外径为4.3mm，标准间距为20mm，还可以根据要求进行调整。管材可采用无规共聚聚丙烯管(PP-R管)、耐热聚乙烯管(PE-RT管)、聚丁烯管(PB管)。安装方式有隐蔽式、半隐蔽式：隐蔽式是将毛细管辐射板安装在围护结构内部；半隐蔽式是将毛细管辐射板安装在围护结构表面，采用装饰物遮挡。
 

    传统供暖系统房间热负荷Ф的计算式为[7]：
    Ф=Фb+Фin+Ф’in+Фa    (3)
式中Ф——传统供暖系统房间热负荷，W
    Фb——基本耗热量，W
    Фin——冷风渗透耗热量，W
    Ф’in——冷风侵入耗热量，W
    Фa——附加耗热量，W
由于目前对于毛细管辐射板传热的研究不是很深，因此毛细管辐射板面积Ar通常采用下式进行计算：
 
式中Ar——毛细管辐射板面积，m2
    ts——供暖热水供水温度，℃
    tr——供暖热水回水温度，℃
    这种设计计算方法是基于当前对毛细管辐射供暖系统末端的研究成果，但计算结果不十分理想，要得出比较准确的数值还要对毛细管辐射供暖系统末端进行进一步研究。
    ③ 辅助空气源热泵的选择
    由于太阳能的昼夜间歇性和受天气影响较大的不稳定性，空气源热泵的最大供热量应满足太阳能集热量为0情况下的房间供暖需求。
3 结语
    太阳能供暖系统具有节能、清洁、环保、便于热计量等特点，是一种绿色的供暖方式。节约了常规能源，从而避免了使用常规能源带来的污染，因此利用太阳能是节能减排的发展方向。特别是太阳能与毛细管辐射供暖系统相结合，不仅提高了室内环境的热舒适度，而且可节省大量能源。
参考文献：
[1] 邵宗义.毛细管辐射供热供冷系统特性分析与工程应用探讨[J].供热制冷，2008，(10)：48-51.
[2] 马永涛，郑宗和，葛听，等.西藏地区太阳能热泵供暖系统的性能分析[J].煤气与热力，2007，27(1)：69-70.
[3] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太阳能辅助地源热泵供热运行特性研究[J].煤气与热力，2006，26(9)：39-42.
[4] 郑宗和，高金水，葛听.太阳能热泵供暖系统在西藏地区的应用[J].煤气与热力，2006，26(12)：52-54.
[5] 黄涛，赵军.太阳能热泵供暖系统的实验研究[J].煤气与热力，2007，27(8)：71-72.
[6] 周恩泽，董华，涂爱民，等.太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究[J].流体机械，2006，(4)：57-62.
[7] 陆耀庆.实用供热通风与空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.
 
(本文作者：朱志朋 翁文兵 上海理工大学 环境与建筑学院 上海 200093)