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太阳能
-
地源热泵的热源性能
Y. Bi1,2, L. Chen1* and C. Wu3
< br>本论文研究了中国天津冬季里的太阳能
-
地源热泵的太阳
能与地源性能。结果被用于设计和
分析的太阳能集热器和地面热交换器。
太阳能
-
地源热泵在这个地区的使用可行性是成立的。
关键词：太阳能，地源热泵，可行性。
介绍
地源热泵
（
GSHP
）
利用地下相对稳定的温度作为热源或水槽提供热源或
调节空气。
GSHP
系统寻求利用常规空气
-
空气热泵系统的两方面可用的功能。首先，地下环境温度缓慢地变
化，
归结于其高的热质量，
导致了相对稳定的源或者散
热器的温度而不受较大的极限。
其次，
被地面吸收的太阳能在整
个冬季可以热源。
自从地源热泵的观念在二十世纪四十年代被发展，大量的理论
和实验工作都完成了，实
验研究审查了具体的地源热泵系统和现场数据。
理论研究已经集中于用数值方法模拟地下盘
管换热器以及研究参数对系统性能的
影响。
太阳能
-
地源热泵
（
SGSHP
）
采用太阳能
集热器和
大地作为热源开始发展于
1982
年。
热泵实验系统用垂直双螺旋线圈
（
VSDC
）
地下换热器
（
GHX
）
为太阳能
-<
/p>
地源热泵（
SGSHP
）利用低品位能源
，这种方法已经被作者们所创造。
（图
1
）
蒸汽压缩热泵的加热负荷和性能系数（
COP
< br>）取决于蒸发温度和热源温度。
SGSHP
采用
太阳能集热器和大地作为热源，
因此，
其应用主
要是依靠太阳能和土壤源性能。
在本论文中，
中国天津的气象数
据被用来分析
SGSHP
在该区域的应用可行性。
太阳能源分析
天津的太阳能在中国处于中等水平。
1966-1976
年期间天津的太阳能辐射月平均变化如
图
2
所示。结果表明，
该太阳能集热器在夏天可以直接用于提供热水。
在冬季，当只有太阳
能集热器收集太阳能的时候，集热效率可能太低
。如果太阳能水源热泵
(SSHP)
被使用，集热
器将会有更高的效率，
单位面积会有更多的热量被收集。
在这种情况下太阳能集热器每年都
可以用于不同的季节。
因
此，
集热器的利用效率会被提高。
在供暖季节
< br>（十一月至翌年二月）
，
天津平均每小时太阳辐射值变化
如图
3
所示。最大的太阳辐射发生在
1
月至
3
的正午
12
点
以及
11
月至
12
月的上午
11
点。
保持太阳辐射和环境温度恒定，
集热
效率随着集热介质入口温度的降低而增加。
SSHP
可
降低入口温度而提高集热效率。
然而，
入口温度
的降低意味着热泵的蒸发温度减少，
导致蒸
汽压缩热泵的
COP
减少。对应
SSHP
< br>系统的最大
COP
存在着集热介质一个最佳的入口温度。
地源的自然温度
地源的自然温度取决于地表的温度
，即太阳辐射。天津地源不同深度的自然温度如图表
4
所示。结
果表明，地表温度变化与气温变化相吻合。地下温度变化滞后于气温变化，地面
温度波动
小于气温波动。
气温在
-5
℃至
26
℃范围内变动，
然而地表
（
1.6m
）
的温度仅仅在<
/p>
9
℃
至
28
℃范围内变化。从
11
月到次年
2
月，地下（
<1.6m
）的平均温度至少比气温高
5
℃。
周期性热作用下的地面温度计算的指数行为模式：
天津地表不同深度下的温度变化计算方程，结果见表
1
地下温
度低于并且滞后于地表温度。滞后时间取决于深度和时间。在
2
米深的地下，在
供暖季节（
11
月至次
年
3
月）
，天津市的自然地下温度是有
39
天前的地球温度所决定的。
这表明
，地源热泵系统可以最佳地匹配建筑采暖需要。
地下温度自然恢复过程中的测量结果
当换热器安装在地下，地下温度有一个自然恢复的过程，这是当换热器安装在地下时地
面温度返回到原来温度被推迟的时间。
一个垂直双螺旋塑料线圈地下换
热器已经被设计师们
所设计和安装。线圈管的总长度确定于
60
米以满足在冬季加热模式的需要。内部和外部线
圈的螺旋直径，
就如同线圈的场地由内部和外部线圈的长度所决定的，被定为
800mm.
内部
和外部螺旋线圈都是六个环，
内部和外部螺旋直
径分别为
0.8m
和
2.4m
。
热交换器的间距是
0.366,
高为
2.2m
。
GHX
所占地表面积是
4.52
平方米（参考文献
13
）
。热交换器如图
5
所示。
实验系统是根据加热和冷却方式而
设计。
该系统包括一个热泵机组，
一个测量控制系统，
一个
GHX
，
和一个太
阳能模拟系统。
热泵机组是一个额定冷却负荷为
1160
瓦的商用制冷机。
有
43
个热电偶来测量制冷剂的温度，水循环以及地下温度。
在冬季基本操作方式是
SSHP
和地源热泵
（
G
SHP
）
交替加热模式，
即在晴天时利
用
SSHP
，
在夜晚和阴雨天气时利用
GSHP
。
运作时间是从
11
月到次年
3
月。
一般来说，
地源热泵运行
时脉冲模式，即地源
热泵运行
8
小时（
16:00--24
:00
）
，地下温度恢复
12
小时（
24:00--16
：
< br>00
）
。
地面自
然温度测量点如图
5
和图
6
所示。
地面温度自然恢复过程的测量结果显示在图
7-10
上。图
7
显示了深度为
1.9
米水平面上不同点的温度变化情况。
请
注意最初的地面温度是在
深度为
0
米。
Tmax
和
Tmin
< br>是指高和最低温度。热交器距离原地面越远，测量点和原地面之
间温度差异越大，
地面温度自然恢复的过程越缓慢。
图
8
反映了内部螺旋在不同深沿径向方
向的温度变化。
深度较浅地面温度降低，
测量点和原地面之间的温差不同程度低增大。
随着
深度的减少，
地面温度自然恢复的过程减
缓。
沿垂直方向的温度恢复率大于沿水平方向。
图
9
显示了不同深度的线圈的核心温度变化。距离初始地面越远，自然恢复的过
程越缓慢，地
面温度越低。图
10
显示
了原地面温度变化。
应用
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