PDF《温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析 س》

2013年 4月 农业机械学报第44卷 第 4期 d o i :

1 0 .

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4 1 / j . i s s n .

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1 3 .

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1 温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析 郑荣进1 庄麟1 池清2 孙文君1 张安来3 傅莉霞1 (

1 . 浙江大学生物系统工程与食品科学学院,杭州

3 1

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5 8 ;

2 . 浙江东华规划建筑园林设计有限公司,杭州

3 1

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1 4 ;

3 . 金华市农村新能源技术推广站,金华

3 2

1 0

1 7 ) 摘要:对甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统的各组成设备进行能量平衡及热力学第二定律的分析, 建立了 能量利用质量模型― ― ―E x e r g y分析模型, 通过可用能损失、 可用能效率及可用能损失比等评价指标对系统的热力 学性能进行分析和探讨.结果表明: 地表水换热器的可用能效率最高, 达到

9 2

0 %;

而太阳能集热器、 热泵机组和 储热水箱的可用能损失较大, 可用能损失比达到

8 8

1 %, 不可逆性大, 是系统优化的关键.试验期间水源热泵机组 的制热性能系数达到

2

2 6 . 关键词:太阳能 地源热泵 水产养殖 热力学分析 可用能 中图分类号:S

9 5

1

5 ;

T K

5 2

3 文献标识码:A 文章编号:1

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9 8 (

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1 3 )

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3 3

0 6 T h e r mo d y n a mi cA n a l y s i s o f S o l a r a s s i s t e dGr o u n dS o u r c e He a t P u mpS y s t e m Z h e n gR o n g j i n

1 Z h u a n gL i n

1 C h i Q i n g

2 S u nWe n j u n

1 Z h a n gA n l a i

3 F uL i x i a

1 (

1 . S c h o o l o f B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n ga n dF o o dS c i e n c e ,Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ,H a n g z h o u3

1 0

0 5

8 ,C h i n a

2 . Z h e j i a n gD o n g h u aA r c h i t e c t u r a l P l a n n i n ga n dD e s i g nC o . ,L t d . ,H a n g z h o u3

1 0

0 1

4 ,C h i n a

3 . J i n h u aR u r a l N e wE n e r g yT e c h n o l o g yE x t e n t i o nS t a t i o n ,J i n h u a3

2 1

0 1

7 ,C h i n a ) A b s t r a c t :T h ee n e r g ya n de x e r g ya n a l y t i c a l m e t h o dw a s u s e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f s o l a r a s s i s t e d g r o u n ds o u r c eh e a t p u m p( G S H P )s y s t e m i n s t a l l e di nab u i l d i n gf o r s o f t s h e l l t u r t l ec u l t u r ea n dr e l a t e d E x e r g ya n a l y t i c a l m o d e l s w e r ed e v e l o p e d .T h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m w a se v a l u a t e di nt e r m so f t h e t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s o f e x e r g yd e s t r u c t i o nr a t e ,e x e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g e t i cf a c t o r .T h er e s u l t s s h o w e dt h a t t h eh e a t e x c h a n g e ro f s u r f a c ew a t e rh a da ne x e r g ye f f i c i e n c yo f

9 2

0 %,h i g h e rt h a no t h e r p a r t s o f t h es y s t e m .T h ee x e r g yd e s t r u c t i o no f s o l a r c o l l e c t o r s ,h e a t p u m pu n i t a n dt h e r m a l s t o r a g et a n k w a s l a r g ea n de x e r g e t i cf a c t o r r e a c h e dt o8

8

1 %,w h i c hh a dah i g h e r i r r e v e r s i b i l i t ya n dw a st h ek e yo f s y s t e mo p t i m i z a t i o n .T h ec o e f f i c i e n t o f p e r f o r m a n c eo f G S H Pu n i t r e a c h e dt o2

2 6 . Ke yw o r d s :S o l a r e n e r g y G r o u n ds o u r c eh e a t p u m p A q u a c u l t u r e T h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s E x e r g e y 收稿日期:2

0 1

2 0

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3 修回日期:2

0 1

2 0

4 2

6 国家科技重大专项资助项目(

2 0

0 8 Z X

0 7

1 0

1 0

0 6 ) 和浙江省重大科技专项资助项目(

2 0

0 8 C

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0 1

6 1 ) 作者简介:郑荣进, 副教授, 博士, 主要从事农业生物环境与能源工程研究, E m a i l :r o n g j i n z h e n g @z j u . e d u . c n 引言 工厂化甲鱼养殖技术是

2 0世纪

7 0年代兴起的 先进养殖技术.甲鱼是一种变温动物, 其最适宜的 生长温度在

3 2 ℃左右.我国甲鱼产区大部分位于 温带和亚热带地区, 一年中除

7 、 8月份以外的

1 0个 月中, 为了使养殖温室达到甲鱼最适宜的生长温度, 必须为甲鱼养殖温室供热加温.目前, 锅炉供热是 工厂化甲鱼养殖中普遍采用的供热加温方式.这种 供热方式不仅要消耗大量常规能源, 而且会对环境 造成严重污染.因此, 在农业生产领域, 尤其是工厂 化甲鱼养殖这类高能耗行业推广可再生能源的使用 是十分必要的. 太阳能与地源热泵联合供暖系统是以太阳能和 地热能等可再生能源作为热泵热源的能源利用方 式, 太阳能与地热能的组合具有很好的互补性.太 阳能的加入可以弥补热负荷需求大的时候地源热泵 制热量不足、 效率低的缺陷, 地热能的加入可以克服 太阳能受 天气影响严重的缺点, 使系统运行更稳定[ 1~5 ] .太阳能与地源热泵联合供暖系统作为新兴 的可再生能源利用方式在居住建筑及工业领域供热 工程中的应用趋于成熟, 在农业生产中的应用也逐 渐得到推广[ 6~8 ] . 目前, 对太阳能与地源热泵联合供暖系统的主 要评价参数为集热效率和热泵性能系数.然而, 上 述两个参数的定义均基于热力学第一定律, 即能量 平衡方程.该分析方法可以有效反映能源利用在数 量上的变化, 但不能反映系统能源利用质量的损失, 即可用能变成废热的不可逆损失. 本文以浙江大学农业生物环境工程研究所基于 可再生能源供热的甲鱼养殖试验温室― ― ―太阳能与 地源热泵联合供暖系统为研究对象, 对该项技术在 水产养殖温室冬季采暖中的运行效果、 性能系数和 热经济学性能进行相关分析和评价.运用基于热力 学第二定律的 E x e r g y 分析方法, 得出系统能源利用 质量上的损失[

9 ] , 明确可用能损失发生的具体位置 及主要原因, 以此为依据对供暖系统进行优化[

1 0 ] .

1 系统描述

1

1 试验装置 甲鱼温室建于浙江大学农业生物环境工程研究 所试验研究基地内, 供暖面积为

4 9 6m

2 .温室为全 封闭不透光温室, 采用高保温重围护结构, 以维持室 内温度在

3 5 ℃.温室外墙厚

5 0 0m m , 采用夹心保温 方式, 内外叶墙体用 K P I 型烧结多孔砖砌筑, 保温材 料为

1 0 0m m厚膨胀聚苯板;

温室屋面用

1 0 0m m厚 膨胀聚苯板和

5 0 m m岩棉毡保温.图 1为甲鱼温室 太阳能与地源热泵联合供暖系统原理图.该系统主 要由太阳能集热器、 水源热泵机组、 储热水箱、 地表 水换热器、 室内散热器及循环水泵组成.太阳能集 热器和地源热泵系统以并联的方式分别将收集到的 太阳能和地表水中的低品位能量储存在储热水箱 中, 通过室内散热器来加热温室内的空气, 以满足供 暖需要.由于集热器中的循环水并不直接进入水源 热泵机组中的蒸发器, 因此该系统为非直膨式太阳 能地源热泵系统[

1 1 ] . 供暖系统中太阳能集热器采用全玻璃真空管, 单支有效集热面积为

0

1 0 15m

2 , 总有效集热面积 为25056m

2 , 集热器安装角度为

3 0 ° .水源热泵为 整体式机组, 热泵输入功率为

4 7k W, 额定制热量 为12k W.地表水换热器采用闭式水平盘管形式, 盘管总长

3 3 4m .水平盘管单位长度换热量设计值 图1甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统原理图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a m o f s o l a r a s s i s t e dg r o u n ds o u r c e h e a t p u m ps y s t e m f o r s o f t s h e l l t u r t l ec u l t u r e

1 . 太阳能集热器

2 . 储热水箱

3 . 水源热泵机组

4 . 废水池

5 . 地表水换热器

6 . 甲鱼温室

7 . 散热器 为30W/ m .废水池面积为

2 0 0m

2 , 水深约为

0 3m , 水 体静止, 靠降雨补充. 除上述主要设备的性能参数外, 控制策略也是 影响系统运行效果的重要因素.该系统的运行原则 是优先利用太阳能, 地源热泵系统作为辅助能源. 太阳能集热器循环采用温差控制, 即当集热器出口 温度高于水箱下部温度

6 ℃时, 开启集热器循环泵, 直到温差小于

2 ℃;

地源热泵系统则以水箱下部温 度为控制依据, 当其温度小于

4 5 ℃时, 开启热泵, 直 到水箱下部温度高于

5 0 ℃.

1

2 数据测量及采集 为了对系统主要设备进行 E x e r g y 分析, 要采集 设备进出口处工质的状态参数( 质量流量、 温度、 压力) 、 设备从外界吸放的热量、 外界对设备所作的功、 室内环境温度及环境状态参数( 太阳辐照度、 环 境温度、 大气压力) 等.因此, 在图 1中所标出的节 点A~J 处, 通过预埋在管道中的 T型热电偶及压力 表测量该点的水温及压力;

安装在循环管路中的旋 翼湿式水表测量循环水的体积流量;

与设备连接的 电子电能表则获得输入设备的电能大小;

室内环境 温度同样通过 T型热电偶进行测量.试验中所有 的温度参数均由 J T R G Ⅳ型建筑热工温度与热流 自动检测仪采集, 采样时间间隔为 3m i n .试验所需 的环境状态参数则由 P C 3型移动式气象生态环 境监测仪采集, 采样间隔为

1 0m i n .试验所采集的 是水平面上的太阳辐射量, 在计算时换算为与集热 器表面平行的平面上的太阳辐射量.

2 热力学分析模型 热力学第一定律( 能量守恒方程) 表达了能量 转化中 量 的守恒性, 如果要从能源 质 的利用 角度对系统进行评价, 则需要通过热力学第二定律 来揭示能量 质 的差异性[

1 2 ] .E x e r g y 分析方法中, 可用能可视为能量中 量 和 质 统一部分的物理

4 3

2 农业机械学报2013年量, 它代表了热力系统在给定状态到与周围环境达 到平衡的过程中可作的最大功.E x e r g y 分析是热经 济学发展的重要组成部分,其研究核心在于热力过 程中不可避免的损失― ― ―不可逆性, 它意味着能量 贬值和能源利用的浪费[

1 3 ] .可用能效率越小的设 备其节能性越差, 因此尽可能地减少可用能损失是 提高能源使用质量及效率的重要方法. 对系统热力学分析基于下列假设: ①所有能量 过程均视 为静态恒定流, 同时忽略过程中动能及势能的变 化.② 设备从外界吸热及对外作功, 方 向规 定为正. ③ 忽略管道连接处的压力损失. ④环境状态 参数为: 环境温度取集热器和热泵同时运行期间 的室外气温平均值28890K , 大气压力为

0 1MP a . 根据上述假设, 从能量平衡、 热力学第二定律、 可用能效率及可用能损失比等参数对甲鱼温室太阳 能与地源热泵联合供暖系统进行热力学分析.

2

1 集热效率及热泵性能系数 在热力学第一定律为基础的热力学分析中, 对 太阳能与地源热泵联合供暖系统的主要评价参数为 太阳能集热器集热效率和热泵性能系数.集热效率 是指集热器的有效集热量与入射在集热器表面的太 阳辐照量的比值, 计算式为[

1 4 ] η s= Q s A c I T = ms c p , w( T

2 -T

1 ) A c I T (

1 ) 式中 Q s ― ― ―集热器瞬时集热功率, k W ms ― ― ―集热器循环水的质量流量, k g / s c p , w― ― ―水的质量比热容, k J / ( k g ・K ) A c ― ― ―集热器有效集热面积, m

2 I T ― ― ―太阳总辐照度, k W/ m

2 T

1 、 T

2 ― ― ―集热器进、 出口温度, K 热泵性能系数是热泵机组制热量与其消耗功率 的比值.该参数是评价热泵节能性最重要的指标之 一, 计算式为[

1 5 ] C H = Q L WH = Q L WC +WP (

2 ) 式中 Q L ― ― ―热泵负荷侧制热功率, k W WH― ― ―........