太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验研究
肖静静 张永新 王侃宏
摘要：本文搭建了太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验台，进行了以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热研究，以及蓄热装置通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验，得出晴朗的白天利用真空管太阳能集热器加热循环水以提高石蜡的温度，使其发生相变，将热量贮存其中；夜晚将石蜡中的热量释放到地源热泵地埋管侧循环水中，在一定程度上提高了地埋管侧循环水的温度，并缓解了地下温度场在地源热泵连续运行工况下温度偏低的状况，从而提高地源热泵供暖系统的运行效率。
关键词：太阳能、相变蓄热、地源热泵、实验研究
1、引言
地源热泵作为一项高效、节能，有利于环境保护和资源可持续发展的空调冷热源技术，既能在冬季供暖、又能在夏季空调制冷，具有良好的发展前景。夏季通过将热量转移到地下，冬季通过对土壤的低品位的热量进行提升，可以满足冬夏季采暖空调要求两种运行模式，具有较使用常规能源节能的优势。经过多年的研究，地源热泵系统在技术上已经趋于成熟，而且经过示范与实践，确认了地源热泵系统具有节能、环保、自然资源再利用、舒适、安全、性能稳定、清洁、使用灵活等很多优点。
采用土壤泵为建筑物供热可以减少一次能源的消耗量。通过直接燃烧矿物燃料给建筑物供热时，即使在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率最高也不会超过100%，如果利用矿物燃料燃烧产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵机组把从作为低温热源的大地中提取低品位的热能转化为高品位能为建筑物供热，热泵的供热系数可达3.5或更高[1]。
太阳能–地源热泵了(SESHPS)系统则是以太阳能和大地为复合热源的热泵系统，属于太阳能和地热能综合利用的一种形式。太阳能与土壤热的结合具有很好的互补性，太阳能可以提升地源热泵进口流体温度，从而高热泵机组的运行效率；大地提供的能量可以补偿太阳能的间歇性，使得太阳能热泵在阴雨天及夜晚仍能正常运行；同时，土壤还可以将日间富余太阳能暂时储存，不仅能起到恢复土壤温度的作用，而且可以减小其他辅助热源或蓄热装置的容量[2]。
为克服太阳能随昼夜间断及阴雨、多云天气出现不稳定性以及在地球表面能量的低密度性，在太阳能–地源热泵供热系统中设置蓄热装置是解决上述问题的有效方法之一。一般来讲，物质的潜热要比显热大得多，因此储热装置如果采用相变材料作为蓄热介质时其体积可以大为缩小，不仅可以减少蓄热装置所占据的建筑空间，还可以降低设备初投资[3]。
本文介绍利用太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验台进行以20#蓄热专用石蜡为蓄热介质的太阳能相变蓄热及蓄热装置通过板式换热器对热泵机组蒸发器出水管释放热量的实验，白天利用真空管太阳能集热器提高集热器内循环水的温度，高温循环水通过蓄热装置中的螺旋盘管与装置内的石蜡进行换热，循环水释放热量温度降低，石蜡吸收循环水的热量后温度升高，达到其相变温度后发生相变，由固态变为液态，将热量贮存其中；夜晚蓄热装置中的螺旋盘管通过一小型板式换热器与地源热泵地埋管侧冷水进行换热，在一定程度上提高了地埋管侧循环水的温度，并缓解了地下温度场在地源热泵连续运行工况下温度偏低的状况，从而提高地源热泵供暖系统的运行效率。
2、实验系统介绍
本实验台位于某省能源研究所实验室，由地源热泵系统、太阳能集热器系统、空调末端、蓄热装置和数据采集系统等部分组成。
2.1实验系统
图1为实验台的系统图，如图所示，实验系统中所用地源热泵机组型号为DNQWSR－4，在名义工况下，制热量为4.6kW，制热输入功率为1.7kW。热泵机组的地埋管侧及负荷侧的水泵G、H为屏蔽泵，额定功率均为100W，流量为52L/min，扬程为6m。
地埋管与热泵机组的水路连接以及风机盘管与热泵机组的水路连接均采用PPR管道；地埋管采用单U形HDPE高密度聚氯乙烯管，管径32mm，深度为21m，埋管间距5m。
热泵机组与地埋管的水路循环通过板式换热器既可以与真空管集热器的循环水路进行换热，也可以与蓄热体内的盘管环路进行换热，这种转换由阀门A、B、C的开关来进行控制：当白天蓄热装置进行蓄热时，阀门A、C关闭，阀门B打开，太阳能集热器中的循环水在泵E的作用下与蓄热装置中的盘管组成回路，对石蜡进行加热，石蜡温度升高时行显热蓄热，当石蜡温度上升到其相变温度时，发生由固态到液态的相变，此时进行潜热蓄热，当石蜡全部熔化后，液态石蜡继续吸热进行液态下的显热蓄热过程；当夜晚蓄热装置进行放热时，阀门A、C打开(为防止夜晚温度过低将连接集热器的管路冻坏，泵E在集热器中的水温度过低时将启动，使连接集热器的管路中的水流动循环，防止冻坏，此时需将阀门A打开)，阀门B关闭，蓄热装置中盘管与板式换热器在泵F的作用下组成循环回路，与热泵机组的蒸发器的部分出水(通过换热器的蒸发器低温水的流量可由阀门D来调节)通过换热器进行换热，蓄热装置中的石蜡通过盘管中的中介水将热量传递给蒸发器侧冷水，冷水温度升高，石蜡温度降低先释放其液态时的显热蓄热，石蜡温度降低到其相变温度时，将释放其潜热蓄热，当石蜡全部凝固后，将释放其固态时的显热蓄热。
蓄热装置呈圆柱形，高为0.6m，直径为0.3m，除去盘管及装置顶部的剩余空间，装置内共盛有20#相变专用石蜡35L(液态时体积)，装置内用PE-X管作为换热盘管，装置顶部、底部及外侧加1.5cm厚聚乙烯保温层。
真空管集热器设置在实验楼4层楼顶，每根集热器真空管直径φ为47mm，长为1.8m，共50根，集热器水路循环泵采用零度循环泵，并配有零度循环泵控制柜，即在集热器的进、出口处设置温度传感器，温度传感器将进、出口处的温度传递给零度循环泵控制装置，当出口处温度低于某一接近0℃的温度时，零度循环泵就开始启动，以防止夜晚温度过低将连接集热器的管路冻坏；同样当入口处水温高于某一温度时，零度循环泵也开始启动，将集热器中加热后的高温水送到负荷装置处。
空调系统的末端装置为4组落地式风机盘管机组，其额定风量为1250m³/h，供暖房间为两间面积均为40m²的办公室。
夏季，热泵机组的蒸发器通过风机盘管吸收房间里的热量，冷凝器通过地埋管水路循环把蒸发器吸收的热量释放到大地中，以此实现空调制冷的目的；冬季热泵机组的蒸发器通过地埋管换热器吸收大地中的热量，冷凝器通过风机盘管水路循环把蒸发器吸收的热量释放到房间中，以此实现空调制热的目的，如果太阳能集热器中的水温度达到热泵机组蒸发器吸热的温度，也可以采用太阳能集热器与地埋管联合运行的方式来满足供热要求。为了更有效的利用太阳能，在地源热泵系统中设置相变蓄热装置，白天在太阳能有富余的情况下，将太阳能贮存在蓄热装置中，晚上再将蓄热装置中的热量提取出来加以利用。
2.2数据采集系统
在热泵机组的冷凝器进、出水管设置PT100热电阻温度传感器T7、T8，在蒸发器进、出水管设置PT100热电阻温度传感器T9、T10以采集冷凝器和蒸发器进、出水的温度；在太阳能集热器的进、出水口处也同样设置有热电阻温度传感器T11、T12以采集太阳能集热器内循环水的进出口温度；在距地面约−3m、−10m、−21m处的埋管井中分别设置PT100热电阻温度传感器T1、T2、T3、T4、T5、T6以采集1#、2#进管井处地下温度场数据；由于条件所限仅在蓄热装置中心部位设置一温度传感器以采集蓄热装置中石蜡的温度。以上由传感器采集到的数据通过A/D变送模块、采集卡等硬件传入工控机，在工控机中通过组态软件Fix实时记录并保存数据，通过Fix中的显示模块可以将采集的数据图形化。
3、实验方案
实验时间为2008年12月14日8:00至2008年12月19日8:00。由于本实验着重研究相变蓄热装置对地源热泵供暖系统的影响，故即使白天太阳能集热器产生的热水可以辅助热泵系统供热，也只是在白天利用太阳能集热器产生的热水加热相变蓄热材料，而不用于加热热泵机组的地埋管侧循环水。在夜晚热泵机组的地埋管侧部分循环水通过板式换热器与蓄热装置中的石蜡进行换热，吸取白天贮存在石蜡中的热量以提高其自身的温度，从而提高热泵机组的效率。实验过程中蓄热装置的蓄、放热时间如表1所示。
在前3天的试验中观察到石蜡的显热对系统的影响相对于其潜热很小，为研究蓄热体长时间放热时的特性，在第4天和第5天的试验中提前关闭蓄热，并进行放热试验，放热时间由前3天的13小时增加到18小时。
4、实验数据分析
4.1蓄热装置的蓄、放热过程分析
下面以12月16日和17日两天中蓄热体温度随太阳能集热器出水温度的变化为例来分析蓄热装置的蓄热过程特性。
图2 蓄热体中心及集热器进、出口水温度(16日)
将使零度循环泵启动的入口处水温设置为28℃时，如图2所示，大约在12:50之前，集热器入口处水温没有达到28℃，集热器管路中的水是静止的，所以出口处的水温一直处于较低的温度，且此温度基本保持不变，由于太阳能集热器入口处测温点位置高于出口入测温点位置，而高温水的密度小于低温水的密度，这就使得入口处测温点处于高温水中，而出口处测温点处于低温水中，这就造成了在零度循环泵启动前入口处水温要高于出口处水温的现象。
由于天气原因，在12:50之后集热器入口处水温达到28℃(正常晴朗天气时大概在11:00即可达到此温度)，此时循环泵开始运转，集热器中加热后的高温水经出口流出，从而使出口处的水温在12:50～13:00期间的10分钟内出现一个20℃的温升，并超过入口水温。此后，集热器中的高温水由出口流出，经过蓄热体后释放热量，同时高温水在循环过程中也会产生一定的热损失，两者共同作用使高温水温度降低，然后又经集热器入口注入集热器，在集热器内又被加热，如此反复循环。
随着太阳辐射强度的增大，集热器进、出口处水的温度也相应升高，并在16:00分别达到最高值31℃和47℃(正常晴朗天气时大概在15:00可以分别达到70℃和80℃)，此后由于太阳辐射强度降低，集热器进、出水的温度也相应降低，17:00左右太阳辐射强度基本为0，但由于此时已将集热器水路与蓄热装置断开，集热器水路中的水温降低全是由管路热损失造成的，故其温度变化会呈现如图2所示的缓慢降低的过程。
在集热器水路循环之前，蓄热装置中的石蜡温度一直处于17.5℃，从13:10开始，石蜡测温点处温度开始以0.355℃/10min的速度缓慢升高。石蜡测温点出现温升的时刻之所以滞后于集热器供水管出现温度剧升时刻20min，是因为加热盘管是盘在蓄热装置容器壁附近，而石蜡测温点处于蓄热装置中心处，太阳能集热器中高温水的热量通过换热盘管先传递给盘管周围的石蜡，被盘管周围的石蜡吸收部分后再以热传导的方式进一步往中心处的测温点传递，所以会出现滞后现象。
在14:10时，石蜡中心测温点处温度已达到20℃，相对于此后1小时内石蜡温度以3.4℃/10min的速度上升可以看出，石蜡在13:10～14:10之间正以很小的温升处于相变阶段，即使在这个时期内石蜡与换热盘管之间存在17℃的平均温差，其温度变化也没有在14:10之后存在7.7℃的平均温差时的温度变化剧列，这更有力的说明了此时石蜡处于相变阶段。
在16:00时，石蜡温度达到45℃，几乎与太阳能集热器供水的温度相同，而此后随着太阳能集热器供水温度的降低，石蜡温度也开始缓慢降低，此时应该切断集热器供水停止蓄热，防止蓄热装置中的热量“回流”到集热器中。
从19:00开始时蓄热装置开始放热，此时石蜡的温度已降低到42.6℃。在刚开始的半个小时内，石蜡的温度以7℃/10min的速度下降，一是由于此时石蜡处于释放显热阶段，其热容较小，相对于释放潜热，释放同样的热量，此阶段会产生更大的温降；二是由于此时石蜡还处在高温阶段，与热泵机组冷凝水有很大的温差，这样就使得石蜡在同样时间内失去更多的热量。
自19:30后，石蜡温度下降极为缓慢，在23:30之间基本保持在18.8℃左右，一是由于石蜡处于释放潜热阶段，温度变化缓慢；二是由于石蜡与热泵机组冷凝水的温差较小，导致石蜡放热缓慢。
17日与16日的运行工况主要有两处不同：一是太阳能集热器入口处温度在11:00时达到28℃，即蓄热体也从11:00开始蓄热，比16日提前2小时；二是蓄热体在14:00开始放热，比16日提前5小时，这主要是为能够增加蓄热体放热时间而设置的，对蓄热体的换热性能没有大的影响，只是在时间段上不同。
由图3可以看出，蓄热体中心温度及集热器进、出口水温度在整体趋势上同16日相同，只是在蓄热体还没有达到最高温度时就开始使其放热。
图3 蓄热体中心及集热器进、出口水温度(17日)
在放热阶段，蓄热体的温度以8.65℃/10min的速度下降，这主要是由于蓄热体在放热阶段的初始温度很高所引起的，此温度为14:00的55.6℃，比16日的最高温度45.39℃还要高10.21℃。
由以上分析可以看出，太阳能集热器的供水水温随太阳辐射强度的变化而变化，其最高温度大约出现在16:00，可以达到70℃，足以将所用相变材料熔化，使其蓄热；实验所采用的20#相变蓄热专用石蜡的相变温度大概为17℃～20℃。
4.2对蒸发器进、出口水温的影响
蓄热装置中的石蜡通过中介水在板式换热器中与蒸发器出口的部分冷水进行换热，石蜡将释放的显热及潜热传递给蒸发器出口的部分冷水，不仅提高了蒸发器出口水温，并且可以有效的缓解地埋管井的温降。
在实验中蒸发器进、出口水温的变化如图3所示，图中横轴是以天为单位的时间轴，第0天表示2008年12月14日00:00，第0.5天表示2008年12月14日12:00，以此类推，第2.75天表示2008年12月16日18:00。图中第1.375～第1.667天之间的温度剧变是由于管路故障而临时停止热泵机组运转所致，这段时间内太阳能集热器及蓄热装置照常运转，对实验不会造成大的影响。
如图4所示，在第0.333天(8:00)热泵机组开始启动时，蒸发器的进、出口水温大约都在12℃左右，在此之后的6小时内，其进、出口水温分别降至8.18℃、5.60℃，并在开启蓄热装置进行辅助加热前一直维持此温度。
图4 蒸发器进、出口水温
在第0.792天(19:00)时，蓄热装置开始放热辅助加热蒸发器出口水，在15分后蒸发器进、出口水温分别升到10.37℃、7.22℃，这是由于蓄热装置放热初期，石蜡温度很高，与蒸发器进口水的温差很大，故能在短时间内使蒸发器进口水温急剧升高。在此后的1.5小时内，蒸发器进口水温降至8.80℃，比启用蓄热装置前提高了0.62℃，并将此温度维持到次日凌晨2:30，共持续了6小时；而蒸发器出口水温则降至5.69℃，比启用蓄热装置前提高了0.59℃，并将此温度维持到次日8:00，共持续了11小时。
蒸发器出口水的温升之所以比进口水的温升持续的时间长，是因为在蓄热装置放热初期，由于较高温度的石蜡所释放的热量会对蒸发器进、出口水温产生持续时间基本相同的作用，并且在此期间，地埋管的温降也由于蒸发器出口的水温上升会有所缓解，而当蓄热装置的放热作用衰弱到对蒸发器出口水温影响不明显时，地埋管周围的地温会比使用蓄热装置前有所提高，所以从地埋管出来即将进入蒸发器进口的水温在地埋管相对较“高”的温度下不会因为蓄热装置已衰弱的放热作用而出现明显的下降，而是比进口水的温升持续更长的时间。在实验期间，蒸发器进、出口水温变化见表2、表3所列。
在实验中，每天使用蓄热装置后蒸发器进口的水温不仅温升不相同，并且其持续时间也不相同，为比较每天蓄热装置对蒸发器进口水温的影响，这里采用温升持续时间与温升的乘积来表示，如里一天内的温升有多个不同的阶段，则将这几个阶段的温升持续时间与温升的乘积的和来表示。
注：上表中12月15日中的水温有两行，这表示蒸发器进口水温在9.05℃持续了3小时后，又以8.61℃的水温持续了4小时；以持续时间与温升的积的和表示蓄热装置对蒸发器进口水温的影响，如0.82×3＋0.38×4＝3.98，其余相同。
由表2持续时间与温升的积的和可以看出，使用蓄热装置后对蒸发器进水管水温影响最大的是实验期间的后两天，影响最小的是实验的第一天，这是由于在实验前期，蒸发器进水管水温与实验后期相比还未下降的还低（第一天比第五天的温度高2.08℃），通过板式换热器与蓄热装置盘管中循环水的温差不大，这就使得它们之间的换热量相对较少，所以蒸发器进水管水温上升幅度不大，持续时间也不长，蓄热装置对其影响较小；而在实验后期，蒸发器进口水温与蓄热装置盘管中循环水的温差相对较大，它们之间的换热量也大，使得蒸发器进水管水温上升幅度比实验初期大，持续时间也长，所以蓄热装置对其影响也大。
由表3可以看出，使用蓄热装置后对蒸发器出水管水温的影响在实验期间的五天内基本相同，这是因为地埋管侧的循环水先经蒸器进水管进入蒸发器内进行换热后再经蒸发器出水管流入板式换热器吸取蓄热装置中的热量，也就是说蓄热装置的影响是在蒸发器出口的“下游”，在经过板式换热器、地埋管、蒸发器以及它们之间的连接管路中，这种影响不断衰减，等到达这个环路的“最末端”时，它没有表现得像对进水管的影响那么明显。
4.3对冷凝器进、出口温度的影响
蓄热装置通过板式换热器将其热量释放到蒸发器出水管路中，提高了蒸发器进、出口水温，进而提高了机组的运行效率，同时对冷凝器的进、出口水温也有一定的影响，但其影响不如对蒸发器进、出口水温的影响明显。
如图5所示，在实验开始的前4个小时内(12月14日8:00～12:00)，冷凝器的进、出口水温变化均为一个急剧上升的过程，分别从10.54℃、11.32℃上升到37.06℃、37.88℃，此后除12月15日9:00～15:30的机组停机期间均在35℃～40℃之间。
图5 冷凝器进、出口水温
在实验进行的前三天中，由于系统刚启动及停机等因素，蒸发器进、出口水温的随蓄热装置的启用及关闭的变化不明显，但在后两天中有着较为明显的变化，如在第4天的14:00左右，冷凝器的进、出口水温分别由8:00的33.94℃、36.94℃上升到37.45℃、40.28℃，上升幅度分别为3.51℃、3.34℃。表4为蓄热装置启用前后冷凝器进、出口平均水温的变化情况，从表中可看出前两天的温升比较大，主要是由于这两天均有一个机组启动的时间，在机组启动前的温度是很低的，而这段时间正处于蓄热装置没有使用的时候，所以使得蓄热装置启用前后的温差很大，而实验的后三天系统运行基本处于相对稳定的时期，这三天中蓄热装置使用前后的平均温升分别在0.12℃～0.47℃、0.21℃～0.91℃，充分说明了相变蓄热装置对冷凝器进、出口水温的影响。
4.4对地埋管壁温的影响
蓄热装置通过板式换热器将其热量释放到蒸发器出水管路中，蒸发器出水管路又与地埋管相连接，这样既提高了蒸发器进、出口水温，同时对地埋管壁温的降低也有一定的缓解作用。
图6 1#地埋管壁温度变化
如图6所示，在实验期间1#地埋管井的壁温在启用蓄热装置后均有一定的上升，表5、表6列出了蓄热装置对1#、2#地埋管的−3m、−10m、−21m三处壁温的平均温度的影响。
由表5可以看出，启用蓄热装置后对地埋管壁温影响最大是第四天，以0.86℃和0.58℃的温升分别持续了1.25h和8.5h，主要原因是该天辅助前壁温最低，为6.23℃；影响最小的是第二天，这主要是由于当天的停机使地温有所恢复(这天的辅助前壁温为8.51℃，是这五天中最高的)，而开机后地埋管壁温还未达到相对稳定状态时就启用了蓄热装置，致使蓄热装置对地埋管壁温的影响不够明显。
图7 2#地埋管壁温度变化
由表6同样可以看出，启用蓄热装置后对地埋管壁温影响最大是第四天，以0.67℃和0.52℃的温升分别持续了1.25h和8h；影响最小的同样是第二天。
由以上分析可以看出，地埋管壁温越低，蓄热装置的使用对其影响越大；相反，地埋管壁温越高，蓄热装置的使用对其影响越小。
4.5对系统制热系数COPhs的影响
蓄热装置的使用在一定程度上提高了蒸发器侧的温度，从而对提高热泵机组以及整个供热系统的制热系数COPhs起到了一定的作用。
表7为蓄热装置启用前后系统平均制热系数COPhs的变化，从表中可以看出，除实验的第一天外，其它四天的系统平均制热系数COPhs在启用蓄热装置后均有一定的增大，最大增幅可达0.27，而整个实验期间的系统平均制热系数COPhs在启用蓄热装置后增大了0.16。
由以上分析可知，蓄热装置通过提高蒸发器进、出口的水温在一定程度上提高了整个供热系统的制热系数COPhs，提高了系统的运行效率。
5、本章小结
本文对太阳能相变蓄热辅助地源热泵供暖系统实验的数据进行了较详细的分析，并得出了如下结论：
(1) 太阳能集热器出水温度随太阳辐射强度的变化而变化，在下午14:00～16:00左右可以达到最大值，可达70℃，而蓄热体的温度也相应的随太阳能集热器出水温度的变化而变化，在蓄热体发生相变的阶段，蓄热体与太阳能集热器出水温度的温差约为15℃～25℃，而在蓄热体熔化后，其温差约为3℃～5℃。石蜡的蓄、放热实验可以看出所采用的20#相变蓄热专用石蜡的相变温度大概为17℃～20℃。
(2) 蓄热装置的使用对蒸发器的出水水温影响较大，出水水温与蓄热装置内中介水的温差越大，蓄热装置对蒸发器的出水水温的影响也越大；而对蒸发器的进水水温的影响相对出水水温较小。
(3) 在热泵机组运行稳态阶段，蓄热装置对冷凝器进、出水水温影响不明显，但其平均温升也可以达0.6℃。
(4) 相对于大地的初始温度，地埋管壁温越低，蓄热装置的使用对地埋管壁温的影响越大；相反，地埋管壁温越高，蓄热装置的使用对其影响越小。
(5) 蓄热装置的使用提高了蒸发器出水水温，也缓解了地埋管壁温的温降，对供暖系统的运行效率也有所提高，在整个实验期间的系统平均制热系数COPhs为2.39，在启用蓄热装置后增大了0.16。
(6) 本实验仅为研究相变蓄热装置对整个供热系统的影响，所以白天太阳能集热器只为蓄热装置提供热水，而在实际应用当中，太阳能集热器所提供的热水在加热蓄热装置中的蓄热介质的同时也可以直接经过板式换热器与地埋管侧的冷水换热，即在白天就可以进行太阳能辅助加热的工况。晴朗天气下，在14:00左右，太阳能集热器提供的热水温度可达60℃～70℃，这时完全可以不使用热泵机组，而将太阳能集热器提供的热水直接导入风机盘管机组进行室内的空气调节，其效果良好。