太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状

近年来,作为可再生能源领域中一种新型的热泵组合形式,太阳能-地源热泵系统得到了广泛应用。通过总结归纳出国内外太阳能-地源热泵式供能系统在建筑、温室及沼气工程等领域的研究现状;特别对该系统应用于大中型沼气工程,在微生物适应性、热负荷及经济环保方面进行了比较分析和阐述,并指出其应用前景。     

地源热泵—地板散热系统在温室冬季供暖中的应用

针对浅层地能低品位的特点,在中国农业科学院Venlo型试验温室内设计建造了一套地源热泵与地板散热方式相结合的供暖系统,并对加热效果进行了试验,结果表明:温室内垂直方向的气温随着高度的增加而下降,水平方向气温分布均匀,温度分布有利于植物的生长。整套地源热泵系统的实际制热系数COP值达到3.14,与燃煤锅炉相比节能36.3%,节能效果明显。     

地源热泵温室降温系统的试验研究与性能分析

为探索地源热泵降温技术在设施农业领域中的应用途径和发展潜力,以及寻求传统蒸发式降温系统存在设施内湿度较高等问题的解决方法,该文作者在北京地区日光温室中进行了地源热泵温室夏季降温试验研究。该研究以COP即性能系数为评价指标对系统降温性能进行分析,并提出适用于该研究的能量传递和系统性能分析模型。2007年8月17～19日连续观测数据和分析结果显示,地源热泵温室降温系统制冷性能系数(COPsyscg)平均值达到3.01。2007年8月17日为连续观测的3天之中室外日均气温最高的一天,监测数据表明:上午10︰00至下午14︰00室内、外平均气温分别为31.3℃和34.1℃,平均温差2.8℃,同期室内平均相对湿度仅为60.7%,地源热泵系统具有明显的降温和除湿效果。测试期间温室外张挂遮阳幕,遮阳率为70%。     

全混式厌氧发酵池加温负荷模型及其影响因素试验研究

沼气工程全混式厌氧发酵池加温负荷计算准确性关系到整个系统设计合理性、运行稳定性和系统经济性,明确加温负荷模型并了解主要因素对其影响特性非常重要。针对上海实际沼气工程全混式厌氧发酵池热过程,建立加温负荷物理和数学模型,为分析加温负荷各组成部分的大小、对全年加热量的影响,提出月平均负荷百分比、月围护结构散热率、月平均池容日负荷、全年池容总加温负荷以及设计池容加温负荷5个指标。考察不同发酵温度和顶膜保温层厚度等主要因素对加温负荷的影响得出:上海地区发酵温度为(30±1)、(35±1)℃的加温负荷约是发酵温度为(25±1)℃的1.54和1.94倍;发酵温度35℃相对于发酵温度30℃,总加温负荷增加约40%,同时热量获得的难度加大,源侧进水温度相同时热泵机组制热能效比(coefficient of performance,COP)下降约0.6;确定经济发酵温度为30℃;通过对比顶膜采用橡塑保温层厚度分别为0、25、50和75 mm对加温负荷的影响,得出每增加25 mm橡塑保温层后围护结构散热负荷减少率为67.99%、16.49%和7.28%,总加温负荷减少率为48.02%、7.17%和2.85%,确定上海地区顶膜经济保温层厚度为50 mm。根据模型计算加温负荷结果与实际工程试验计算结果相比,相对误差在0.6%~7.8%之间,结果可以为沼气工程加温负荷计算和保温层厚度提供参考。     

基于灰色预测的温室地源热泵系统温度变频调控及验证

地源热泵空调系统已是一种成熟的温室温度节能控制设备,但尚有通过改变运行方式节约能源的空间。为此,针对温室温度纯滞后、非线性、强耦合难以精确建模的特点,引入灰色预测的方法对温室温度进行建模,并设计控制器对地源热泵循环泵进行变频调控。其系统是：设计引入温室温度灰色预测的控制器,根据温度预测值和设定值之差决定地源热泵循环泵的工作频率,以确保系统合理运行,降低运行能耗。由2015年1月15日和2015年1月16日的试验表明,引入灰色预测对地源热泵循环泵进行变频调控比改造前节约了24%的能源。该方法提高了循环泵的控制品质,而且在温室温度适应范围的前提下,较好地达到了节约能源的目的。     

北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析

为研究地热在温室中应用的可行性,该文在北京地区一栋日光温室中采用地下水式地源热泵系统进行了供暖试验研究。试验结果表明,整个供暖期（2007年10月15日－2008年3月10日）地源热泵系统的供暖性能系数约为3.83,与燃煤热水采暖系统相比,地源热泵系统供暖可节约42%的能源消耗量,具有显著的节能减排效果。温室内单位面积的每日供暖耗电量约为0.15 kW·h/(m2·d),供暖费用约为0.12元/(m2·d)。地源热泵供暖、天然气供暖、燃煤热水供暖以及燃油热风供暖几种温室采暖方式的相对运行费用分别约为1.20、1.31、1.00与3.36,地源热泵供暖的运行费用略高于燃煤热水供暖,但低于天然气供暖和燃油热风供暖。     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

植物工厂地源热泵系统热负荷BP神经网络预测及验证

为提高水蓄能型地下水源热泵自然光植物工厂供热系统节能性,供热系统必须能够很好地预测热负荷变化。针对自然光植物工厂热环境系统非线性特点,利用具有很强非线性映射能力的BP神经网络(back propagation,BP),选取室内外空气干球温度、太阳辐射强度、室内相对湿度和绝对湿度、室内风速等输入参数,确定算法步骤和评价指标,构建神经网络模型预测植物工厂次日负荷。采用Matlab神经网络工具箱对崇明试验基地水蓄能型地源热泵自然光植物工厂的样本集进行训练,训练后误差函数值为0.002 999 94,神经网络收敛。通过对比热负荷预测值与实际值,证明了神经网络预测热负荷值与实际值趋势一致,基本误差在±6%以内,结果表明神经网络法可以用于植物工厂次日热负荷预测。通过热负荷预测能够更加科学地调整供热系统运行模式,更好地匹配植物工厂需求热量与热泵的输出能量,实现运行节能和降低供能成本的目的。     

ZWD型沼气池研究与应用

根据山区农村生产和生活特点，研究并推广设计新颖、施工和运行管理安全方便且产气率高的ZWD型沼气池，在福建省建阳市建成以衬为单元、以推广应用ZWD型沼气池为纽带的25个生态能源村，明显改善了农村生态环境和能源状况，保护了森林资源，促进种养业和农业可持续发展。     

节能温室太阳能土壤蓄热加温系统的研究

为了改善节能温室冬天植物栽培生产地温低，严重影响植物生长发育，影响温室生产产量和品质的问题。以数学模拟和回归实验相结合的方法，研究了温室土壤的太阳能蓄热加温系统。研究结果表明：系统能有效的提高地温，减少地温的变化幅度；在以加热管形成的浅层土壤温度层和以蓄热管形成的深层土壤温度层之间具有一个过渡层，和其它层不一样， 这个过渡层的温度是不随时间变化的；以SAS软件拟合的非线性方程为基础的土壤温度场的数学模型的模拟结果与实验结果吻合较好；选用差分法计算的土壤热扩散率精确度高，符合实验及生产实际要求；由温室热平衡方程确定的太阳能集热器面积与温室种植面积的优化比例为1∶5，经试验验证，在目前技术状态下，该比例能满足作物冬季生长对土壤温度的要求。总之，研究的太阳能蓄热系统实现了太阳能夏天贮冬天用、日间贮夜间用、晴天贮阴天用的目的，从而在不消耗任何二次能源的条件下，能满足温室作物的正常生长要求。     

太阳能加温和沼液回用沼气工程的生态效益评价

为综合评价新型生态清洁技术应用下的规模沼气工程的综合生态效益,该文以北京市顺义区D沼气工程(同时应用沼液循环回用技术和太阳能-地源热泵增温保温技术)为研究对象,利用能量系统图和能值评价体系,从经济效益、环境效益和可持续性3个方面对该系统进行了综合性能值分析,分析了沼液循环回用和太阳能-地源热泵增温保温清洁技术的应用对规模化沼气工程生态经济效益的影响。结果表明:太阳能-地源热泵增温保温技术在规模化沼气工程中的使用,不可再生购买资源投入减少8.80%,系统可持续性提升18.75%,有效替代了化石能源的使用,生态经济效益明显。同时,沼液循环回用技术的应用,可使地下水投入减少65%,在沼气工程周边土地无法充分消纳该沼气工程产生沼液的条件下,可节省1.77E+05美元/a的农田消纳后的剩余沼液排污处理费,环境负荷率减小68.52%,能值可持续指标由0.03增为0.38,系统自我维持能力提升。因此,沼液循环回用和太阳能-地源热泵技术的应用对该沼气工程系统的经济、环境和生态效益有很大改善作用。     

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统虽然避免了传统化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染严重的问题,但目前缺乏长期运行经验。以上海崇明自然光植物工厂为例,对蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行优化调控。研究发现该系统存在3种不合理运行情况:A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后,避免A运行情况,第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ,可减少耗电1 012.50 kWh,折合成电价可节约747元;避免B运行情况,设定第1季度热水充满率上限为85%,在保证热泵充分供能植物工厂前提下,可减少输出97.2GJ能量;避免C运行情况,热泵总输出能量不变,将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出,可以节约5 530元,此时电量总计8 654.07 kWh。通过优化自然光植物工厂供能系统运行过程,可以节能降耗,经济运行。     

基于地下水源热泵的寒区沼气工程加热模式的探讨

合理选择节能环保型沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是北方高寒地区发展大中型沼气工程必须解决的问题。该文提出了利用地下水源热泵对沼气发酵系统进行加热的模式,通过沼气工程应用实例与现场测试,验证了地下水源热泵加热系统对保持沼气中温发酵系统稳定运行的作用;获得了热泵机组的平均能效比为4.39,加热系统平均能效比为2.71;热泵机组一次能源利用系数为1.27,高于燃煤锅炉直接供热方式近1倍。同时通过对加热系统在2010-09-29—2011-02-25供热期内的实时跟踪监测,获得系统的实际能耗为4.79×108kJ,与燃煤锅炉直接供热方式相比,可节约标准煤10.8t,节约标准煤44%,减少二氧化碳排放量25.9t。结果证明地下水源热泵加热系统应用于沼气工程中是可行的,具有高效节能,运行稳定可靠,环境效益显著等优点,可为热泵技术在寒区沼气工程中的应用提供参考。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

太阳能辅助闭式热源塔热泵系统冬季制热性能

热源塔热泵系统以空气为冷热源,在冬季制热时其性能会随环境温度的降低而降低。为此研发了可应用陕南地区农村建筑的太阳能辅助闭式热源塔热泵系统,试验研究了冬季工况下系统的制热性能,初步分析了太阳热能与空气热能的互补机理。研究结果表明：系统制热量范围为12.1～15.2 kW,热泵机组性能系数范围为2.3～3.5,系统能效比范围为1.5～2.4,供热温度高于41 ℃;冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度,冷却水平均温度每升高1 ℃,压缩要耗电量增加98.1 W,而防冻溶液平均温度每升高1 ℃,压缩机耗电量减小9.5 W;太阳能辅助热源塔热泵制热模式下,热泵机组通过改变防冻溶液与空气和集热工质换热温差的方法来改变防冻溶液从空气和集热水箱中的吸热量,以实现空气热能与太阳热能的互补。建议在实际应用中应避免供热温度过高以减小压缩机耗电;在集热水箱温度较高时通过降低风机频率减小风机耗电以提高系统综合能效,但应避免风机低频率工作可能给机组安全运行带来的隐患。     

地上式户用太阳能恒温沼气池产气性能

为突破传统砖混沼气池产气不稳定、产气速率低、冬季不产气的问题,研发并搭建了新型地上式户用太阳能恒温沼气池,系统主要由集热面积为2.96 m2的全玻璃真空管太阳能热水器、2m×2m×3.2m保温室、3m3软体沼气池和3m3储气袋构成,试验研究了冬季条件下系统的产气性能,结果表明:39d内,当环境温度在-19.8~-10.0℃变化时,太阳能集热器可以保证恒温沼气池在(26±2)℃稳定运行,恒温沼气池累计产气42.520m3,平均日产沼气1.380m3,甲烷平均体积分数58.2%;系统可保证4~5口农户的生活燃气需求。地上式户用太阳能恒温沼气池对利用农村有机废弃物资源满足农民燃气需求有重要意义。     

温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析

主动蓄放热-热泵联合加温系统加温和节能效果显著,在温室加温领域应用前景广阔,但系统技术参数及工艺仍有待优化。该文通过对系统进行能量平衡和可用能(Exergy)分析,得出系统及各组件的性能系数、可用能损失、损失比和可用能效率,以此为依据对系统进行性能评价和优化。试验结果表明:系统平均1 d中集热和保温阶段可用能损失总量为9.77×104 kJ,可用能效率为48.7%;可用能损失最大、可用能效率最低的组件是主动蓄放热装置,其次是热泵装置、循环水泵和蓄热水箱,其可用能损失比分别为78.7%、8.3%、7.7%、5.3%,可用能效率分别为25.6%、38.3%、75.0%、88.2%。就整个系统而言,最需要进行技术优化的是主动蓄放热装置与热泵装置,可用能损失主要由有限温差传热引起,降低传热温差、减少有限温差传热过程以及改进生产工艺是优化的重点。试验期间系统的集热效率为89.0%~100.5%,热泵装置制热性能系数(coefficient of performance,COPHp)达5.48~6.08,性能远远高于传统太阳能热水系统以及水、地源热泵。该研究为温室加温系统性能评价和优化设计提供思路。     

直膨式太阳能热泵供暖系统运行控制策略

针对直膨式太阳能热泵用于建筑供暖时稳定性差、效率低等问题,该研究基于构建的直膨式太阳能热泵地板辐射供暖试验平台,提出了一种基于环境参数的系统运行控制策略。热泵采用环保工质丙烷,集热/蒸发器和冷凝器均采用微通道结构,通过蓄热水箱与水循环管路相连,将热量输送到地板辐射供暖系统。基于大量试验数据与分析,拟合得到满足室内热舒适前提下不同环境温度下的供水温度下限,根据实际的太阳辐射强度将水箱内部水温提升至相应设定值以满足蓄热需求。试验结果表明：基于所提出的控制策略,系统能够及时响应环境工况变化,在多种工况都能保证较优的性能并满足舒适供暖需求,系统平均性能系数在2.02～3.58之间,压缩机入口工质过热度稳定保持在7～11 ℃,压缩机排气温度保持在90 ℃以内。所提出的运行控制策略有助于直膨式太阳能热泵供暖系统安全稳定高效运行。