太阳能热泵供暖系统的组成

编辑：admin　    时间：2009-12-16    22:25:49 　来自：广东深圳上喜太阳能热泵工程网

太阳能热泵供暖系统由太阳能集热系统、热泵机组、蓄热设备、地板采暖系统和控制系统五部分等集合而成。系统以太阳能为主能源，以电能作为适时补充能源，热泵能够在太阳能不足时对系统提供热能补充，是太阳能与热泵的最佳耦合方式。高效蓄热设备不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发、应用潜力；又能够对太阳能实现“削峰填谷”的作用，避免太阳能的高峰浪费。

1、太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能供暖系统中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统的运行成败起着决定性的作用。冬季太阳辐射较少，环境温度较低，集热器中流体的温度一般为10 ~20℃，直接用于供暖是不可能的。为此，常在10 ~20℃低温下集热，再由热泵装置进行升温，将热量传递到温度为30 ~50℃的供暖热媒中去。

目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器、U形管式真空管集热器等。在太阳集热器的选型上，要合理确定冬季热泵供热用太阳能集热量和夏季生活热水用集热量以及冬季辅助加热量，以取得投资运行最佳效益。通常1㎡太阳能集热器可以配置3～5㎡采暖面积。

2、蓄热设备

太阳能热泵的系统中，由于太阳能是一个强度多变的低位热源，一般都设太阳能蓄热器。热泵系统中的能量将由集热器获得的低位热量储存起来，常用的有蓄热水槽、岩石蓄热器、 方形聚乙烯盘管蓄热器、圆柱形螺旋盘管蓄热器和双效相变蓄热器等。

圆柱形螺旋盘管蓄热器主要由保温筒、相变材料和3层螺旋盘管组成。保温简由1mm厚的镀锌板煨制而成，在每个加热筒外均匀绕上直径0.8mm电加热丝（外套玻纤管电绝缘）作为附加热源，供太阳能热量不足时使用。每个加热简上的加热功率（即电加热丝的电阻值）按每个加热筒上加热的热流密度相等进行计算，3个加热筒的电加热丝串联连接。3层螺旋盘管亦串联连接。蓄热器外绝热层采用32mm的聚氨酯发泡制成的泡沫塑料作绝热材料。在蓄热器内胆高度方向的中心位置沿内胆的直径方向安装有3根铜一 康铜热电偶用于测量蓄热器内温度，分别距内胆轴心距离为20mm、56mm和92mm。

双效相变蓄热式热管换热器由三部分组成：上部是取热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；下部是供热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；在取热流体通道与供热流体通道内加装了扰流板及变截面板；中部是蓄热室，其上、下端分别连接有充装蓄热介质的入口管和释放蓄热介质的出口管。换热器的上、中、下部分之间分别用上挡板和下挡板隔开；装有工作介质的热管自上而下贯穿3个部分与其组成一个整体。蓄热室部分装有吸收介质膨胀压力的波纹板装置，装置上设有压力调节控制元件。该换热器具备蓄热、释热功能，并可实现同时取、放热功能。

在用电低谷时，利用电加热器加热相变蓄热装置中的相变材料，使其融化，将热量以潜热（小部分显热）形式蓄存起来。白天，通过与热泵蒸发器相连的水环路系统将相变蓄热装置中的热量吸取，经过压缩机压缩，由热泵系统的冷凝器端为房间供热。这种方式可以节省运行费用，有利于电站进行负荷的峰值调整，保证电站高效运行。

目前，研制的蓄热器内放置多个直径为100mm的不锈钢球体，采用相变材料的相变温度为60℃，汽化潜热为167k J/kg，通过采取一定的强化措施来提高传热效率。

3、地板采暖系统

太阳能地板辐射采暖是一种通过敷设于地板中的盘管加热地面进行供暖的系统。该系统是以整个地面作为散热面，依靠辐射传热的方式将热量传递到物体和人体表面。正常运行的情况下，若室内外温度相同，要想达到相同的舒适度，它的周围空气温度比对流采暖条件要求低3℃左右。根据人体的舒适感生理条件要求，地面温度为24~2 8℃。因为地板辐射采暖的热媒温度为40～50℃的低温热水，而且其单位面积能耗大大下降，一般在 20～50W／㎡。这就使利用太阳能集热器成为可能。所以，太阳能地板辐射采暖将越来越受到人们的欢迎，它在北美及欧洲的发达国家：亚洲的韩国和日本已经被广泛地应用。低温地板辐射供暖系统也存在一定的缺点，如增加了地板的厚度，使房间净高减小，增加了建筑结构的载荷。

4、控制系统和运行方式

冬季采暖时太阳能集热器在温差控制器的作用下最大限度的收集太阳能并转化为蓄热水箱中的热量。为了在太阳能供热状态和辅助热源供热状态之间做灵活切换，保证系统正常运行，必须配置可靠的系统控制设施。控制系统包括自动控制系统和手动控制，其中自动控制主要由传感器、可编程控制器及控制计算机3个部分组成。系统可以通过对太阳辐照强度、 环境温度、热水温度等参数的检测分析，调整控制太阳能集热系统、热泵机组以及水泵等设 备的运行状态，完成各个循环系统之间的切换，满足房间的用热需求。

（1）太阳能直接供热模式。当阳光充足时（系统检测到太阳能辐照强度足够），太阳能辐射量强，蓄热器水箱的出水温度≥45℃时，控制器就启动水泵，水进入集热器进行加热，并将集热器的热水压入水箱。水箱上部温度高，下部温度低，下部冷水再进入集热器加热，构成一个循环。此时蓄热水箱中的水不经过热泵而直接进入地板辐射采暖盘管进行循环，系统就可按太阳能直接供热模式运行，系统在这种模式下运行经济性好，运行费用低。

当流入蓄热器中螺旋盘管的流体温度高于蓄热器中相变材料的相变温度时，相变材料部分或全部由固态变为液态，将多余热能储存起来，阳光不足时或夜间蓄热器中的相变材料部分或全部变为固态，储存的能量被释放出来，加热蓄热器中的热水。在水温≥55℃时直接进入地板辐射采暖盘管进行循环，水温低于55℃时则按下面两种供热模式。

（2）太阳能热泵供热模式。当水箱中的出水温度<45℃但仍大于室外气温时，太阳能已无法供给地板辐射采暖所需的热量。此时启动太阳能循环泵热水加热泵，一级热媒在集热器中吸收辐射能后，流入蓄热水箱，将热量传递给箱内换热管中的二级热媒；二级热媒进入热泵机组中的蒸发器与制冷剂交换热量，并通过热泵循环进行供热，保证室内空气温度和地板表面平均温度等热舒适性指标在合理范围内波动；降温后的一级热媒又流回集热器，由此完成一次循环。当室内空气温度和地板表面平均温度等超过热舒适性要求时，热泵机组停止运行，低于热舒适性要求时，机组重新启动。

（3）辅助电加热供热模式。当遇上连续的阴天或是夜间太阳能供应不足时，水箱中的水温不足以大于室外气温时，则启用蓄热水箱中的辅助电加热加以补充。同时，由于辅助热源的加热作用，提高了制冷剂进入热泵机组的温度，间接地改善了压缩机的工作条件，保证空调系统连续不问断地运行。