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太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)在溫室大棚的應(yīng)用(能源)

                                  劉鵬

                            山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

摘要：本文通過分析太陽能一地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)在溫室大棚中的應(yīng)用，介紹了太陽能，地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的特點(diǎn)與形式，并且結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)了太陽能一地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，包括太陽能集熱器容量的確定，系統(tǒng)的控制策略等。分析表明，太陽能．地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)不僅需要精確的設(shè)計(jì)計(jì)算，還需要制定合適的運(yùn)行控制策略，否則太陽能季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)能效比大大降低。

關(guān)鍵詞：太陽能季節(jié)性蓄熱太陽能一地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)溫室大棚控制策略能效比

1  工程案例

    溫室大棚又稱暖房，主要用于栽培植物蔬菜，在不適合植物生長的季節(jié)為蔬菜植物提供合適溫度，在冬季由于室外溫度較低，對于特殊的植物蔬菜單純靠大棚的溫室效應(yīng)很難滿足植物所需溫度要求，因此需要增加輔助熱源，該工程冬季采用地源熱泵系統(tǒng)對溫室大棚提供熱量，項(xiàng)目位于山東省章丘市，總建筑面積468 m²，其中溫室大棚384 m²，由于項(xiàng)目地處郊區(qū)，沒有集中供熱，現(xiàn)采用太陽能．地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)作為項(xiàng)目能源中心，冬季能源中心為辦公樓、餐廳、溫室大棚供暖，夏季只為辦公樓餐廳供冷，設(shè)計(jì)峰值熱負(fù)荷200 kW，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷10 kW。

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1太陽能集熱器面積計(jì)算

    通過DeST能耗軟件模擬，地源側(cè)累計(jì)取熱負(fù)荷Q取熱=81000 kWh，累計(jì)排熱負(fù)荷Q排熱=21600 kWh，全年冷熱負(fù)荷不平衡率高達(dá)73.3%，嚴(yán)重超出規(guī)范允許范圍內(nèi)。采用太陽能集熱器進(jìn)行夏季補(bǔ)熱。當(dāng)?shù)仄咴聵?biāo)準(zhǔn)日太陽能氣象參數(shù)如表1：

太陽能集熱器在4～10月份進(jìn)行季節(jié)性蓄熱，蓄熱天數(shù)為210天。由于本工程埋管數(shù)量較少，考慮一定的土壤自恢復(fù)能力，集熱器面積計(jì)算公式如下：

中：D為蓄熱天數(shù)，取210；g為日輻射總量，4.45 kWh。

    代人數(shù)據(jù)得出太陽能集熱器面積A =63 m²。

2.2豎直地埋管換熱器的熱阻計(jì)算

    1)傳熱介質(zhì)與U形管內(nèi)壁的對流換熱熱阻可按下式計(jì)算：

    4)地層熱阻，即從孔壁到無窮遠(yuǎn)處的熱阻可按下列公式計(jì)算：

    5)短期連續(xù)脈沖負(fù)荷引起的附加熱阻可按下式計(jì)算：

2.3豎直地埋管換熱器鉆孔的長度計(jì)算

    供熱工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長度可按下列公式計(jì)算：

    根據(jù)式(7)，可計(jì)算出換熱器設(shè)計(jì)鉆井的長度為5202 m。

2.4冷熱源機(jī)房系統(tǒng)流程圖

  冬季餐廳采用地板輻射供暖，辦公樓及溫室大棚采用風(fēng)機(jī)盤管供暖，夏季只有辦公樓存在少量冷負(fù)荷，其系統(tǒng)流程圖如圖1。

2.5太陽能季節(jié)性蓄熱控制策略

    為了保證系統(tǒng)處于高效率的蓄熱狀態(tài)，太陽能蓄熱系統(tǒng)必須制定嚴(yán)格的控制策略，太陽能回灌供熱系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，太陽能集熱管吸收熱量后，通過設(shè)置循環(huán)水泵直接與地埋管相連進(jìn)行蓄熱，補(bǔ)充地源側(cè)冬季地下取熱量。太陽能蓄熱控制系統(tǒng)如圖2。

    當(dāng)集熱器溫度與土壤初始溫度之差T3-T0>10時(shí)，太陽能蓄熱水泵開啟；當(dāng)溫度T高于40℃，為了對地埋管管材保護(hù)，弱電控制系統(tǒng)通過溫度信號(hào)自動(dòng)停止太陽能蓄熱水泵；為了提高水泵的輸送能效系數(shù)，當(dāng)太陽能集熱器熱量表Q<4 kW時(shí)，水泵自動(dòng)關(guān)閉。

    冬季開啟機(jī)組采暖時(shí)，關(guān)閉閥門1和2，太陽能集熱器不再進(jìn)行蓄熱，而是通過閥門切換到生活熱水水箱，為工人提供生活熱水。在非采暖季時(shí)，打開閥門1和2，進(jìn)行季節(jié)性蓄熱。

3  經(jīng)濟(jì)性環(huán)保性分析

    由于工程所在地區(qū)位于城市周邊，市政供熱熱源無法覆蓋，因此在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析時(shí)，與單體空調(diào)+燃煤鍋爐的熱源模式進(jìn)行對比，如表2。

  通過計(jì)算，該項(xiàng)目每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用7908元，回收年限為9年，經(jīng)濟(jì)性一般，但每年可節(jié)約相當(dāng)于35152 kWh電量，可減排大量的CO₂，SO₂，NO₂，粉塵等，具有較好的環(huán)保性。

4  總結(jié)

    溫室大棚采用地源熱泵系統(tǒng)受到技術(shù)上的限制，因此需要增加輔助能源系統(tǒng)，本項(xiàng)目增加了太陽能蓄熱系統(tǒng)，太陽能蓄熱系統(tǒng)與機(jī)組供冷系統(tǒng)組成并聯(lián)回路，從而解決了冷熱負(fù)荷不平衡的問題。

    由于太陽能集熱器投資較高，在確定集熱器面積時(shí)，需要進(jìn)行詳細(xì)的冷熱負(fù)荷計(jì)算，并且結(jié)合當(dāng)?shù)靥�陽能氣象資料。本項(xiàng)目中非采暖季太陽能集熱器只進(jìn)行季節(jié)性蓄熱，在采暖季，集熱器加熱生活熱水滿足工人需求，一定程度上提高了太陽能集熱器的全年利用率，降低了項(xiàng)目初投資，整個(gè)項(xiàng)目的回收年限為9年，每年還可減排大量的污染物排放。

    太陽能季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)需要考慮相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在本項(xiàng)目中為了提高水泵能效比，對水泵的運(yùn)行策略做了相應(yīng)的控制，通過檢測集熱器供回水溫差與水泵的流量，當(dāng)集熱器熱量表數(shù)值低于設(shè)定值時(shí)，此時(shí)水泵輸送能效比偏低，停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)集熱器溫度過高可能對地埋管管材造成的損壞，此時(shí)水泵需要關(guān)閉；當(dāng)集熱器熱水溫度與周圍土壤溫差達(dá)到一定值時(shí)開始蓄熱。