结合太阳能跨季节蓄热的土壤源热泵供暖技术进入推广应用阶段

 

今年3月,结合太阳能跨季节蓄热的土壤源热泵供暖技术开发项目组与中能建地热有限企业启动了校企合作,双方共同致力于在京津冀地区开展该技术的推广应用。该项目在北京市教育委员会-市自然科学基金联合资助项目(KZ201810017023)等的支撑下,由威尼斯娱乐官网能源高效利用与清洁能源工程应用研究所孙东亮教授牵头开展技术攻关。

长期以来,冬季燃煤采暖是造成我国北方广大地区雾霾的重要原因。近年来,各地政府部门按照“宜电则电、宜气则气”的原则,多措并举对传统燃煤供暖进行替代。土壤源热泵供热具有供暖能效高、不受环境温度影响等优点,极具推广应用前景,但是由于我国北方大部分地区的冬季热负荷远大于夏季冷负荷,土壤被取走的热量得不到有效补充,引起土壤层温度逐年递减,导致土壤源热泵供暖运行能效逐渐恶化甚至报废停机。

项目组结合京津冀地区丰富的太阳能资源现状,引入太阳能跨季节蓄热技术,在春、夏、秋等非供暖季利用太阳能对土壤进行补热增温,以解决土壤层温度逐年递减的难题。同时,还可在供暖季通过太阳能直供以分担部分供暖负荷,从而进一步提升了系统供暖能效(如图1所示)。项目组基于ANSYS FluentApp和用户自定义函数(UDF)二次开发,提出了太阳能跨季节土壤蓄热的简化快速计算方法,大幅缩短了计算耗时且具备复杂工况下的求解稳定性。还基于数值模拟、正交实验设计和支撑向量机(SVM)等方法,构建了太阳能跨季节土壤蓄热性能的快速预测模型,将该模型与第二代非支配排序遗传算法相结合,开发了“部件-系统”一体化仿真优化技术,引导供暖系统优化设计,制定优化运行策略,实现稳定高效清洁供暖。

(供暖系统原理图)

2018年12月底,项目组在河北廊坊建成了结合太阳能跨季节土壤蓄热的土壤源热泵供暖示范系统,供暖对象为1栋112平米的Venlo型玻璃温室(如图2所示)。系统主要由玻璃温室、热泵机组、风机盘管、蓄热水箱、太阳能集热器及地埋管井群等设备构成,同时集成了太阳能集热运行控制、系统能耗监测、土壤温度监测等App平台,可实现远程监控和自动运行。

(a)农业温室供暖示范系统总图

(b)系统主要设备和部件

(c)地埋管井群布置方案及工作井结构

(d)系统控制和监测平台

(供暖示范系统实物图)

基于该供暖示范系统,2019年1月1日至2020年3月15日期间,项目组先后开展了单纯土壤源热泵供暖与结合太阳能跨季节蓄热土壤源热泵供暖的对比实验研究,获得了全面的实验运行数据。通过对比实验,不仅验证了太阳能跨季节蓄热对解决井群区域地温热失衡的有效性,而且与单纯土壤源热泵供暖相比,新供暖系统的循环性能系数(COP)提升10%以上,彻底解决了土壤冷堆积和供暖性能逐年恶化的难题。

目前,该技术有效克服了单纯土壤源热泵供暖的局限性,为推进北京雾霾治理和生态环境建设提供了全新解决方案。

(机械工程学院、科学技术处)

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