曲世琳，楊利香，彭 莉，胡甲國(guó)

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

太陽(yáng)能相變蓄熱雙水箱熱泵自控系統(tǒng)性能

曲世琳，楊利香，彭 莉，胡甲國(guó)

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)集熱效率和COP不高的問(wèn)題，提出了3種太陽(yáng)能雙水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基于其中一種方案設(shè)計(jì)了自控系統(tǒng)并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)集熱效率和COP的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明：集熱效率比COP更能反映系統(tǒng)運(yùn)行效果．在合適的控制參數(shù)下，雙水箱聯(lián)合運(yùn)行的集熱效率與相變水箱單獨(dú)運(yùn)行情況基本相同，前者高效集熱時(shí)間為上午8點(diǎn)到下午4點(diǎn)，后者集熱時(shí)間集中在中午．與普通水箱單獨(dú)運(yùn)行相比，兩者的集熱效率由0.64增加到0.94以上，COP由2.32增大到5.00以上．

太陽(yáng)能熱泵；相變材料；雙水箱；集熱效率；能效比

太陽(yáng)能是一種可再生清潔能源，但是作為一種間歇式能源，其輻射受到晝夜、季節(jié)以及雨雪天氣等因素的影響，表現(xiàn)為間斷性和不穩(wěn)定性．解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵之一是采用可靠的、性能優(yōu)良的儲(chǔ)熱材料．

太陽(yáng)能系統(tǒng)按蓄熱方式不同，可分為顯熱蓄熱和相變蓄熱．顯熱蓄熱原理簡(jiǎn)單，多以水箱蓄熱[1-2]，但有蓄能密度低和溫度波動(dòng)幅度大等缺點(diǎn)．以北京科技大學(xué)搭建的非直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[3]為例，該系統(tǒng)以水作為蓄熱介質(zhì)，筆者對(duì)該系統(tǒng)的集熱工況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中午太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大時(shí)，此時(shí)用戶所需負(fù)荷較小造成水箱與集熱器出口處溫差降低到最低值，導(dǎo)致系統(tǒng)停止蓄熱，使得太陽(yáng)能熱量不能被系統(tǒng)充分利用．

與顯熱蓄熱相比，相變蓄熱蓄能密度高、材料用量較小，且在蓄熱和取熱的過(guò)程中溫度波動(dòng)幅度小，所以很多研究者采用相變蓄熱代替水箱蓄熱．

Kaygusuz等[4-5]對(duì)相變儲(chǔ)熱材料CaCl2·6,H2O在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在晚上有很好的供熱性能．Badescu[6]建立了蓄熱器與太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型．Yumrutas等[7]設(shè)計(jì)了帶蓄能罐的太陽(yáng)能熱泵供熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了氣候條件和某些運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響．Kaygusuz[8]研究了與相變蓄熱膠囊結(jié)合的住宅太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的性能．

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究起步較晚，有關(guān)太陽(yáng)能熱泵蓄能技術(shù)的文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi)．于國(guó)清等[9]根據(jù)我國(guó)的氣候特點(diǎn)，提出了一種季節(jié)蓄熱型太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)．Qi等[10]以CaCl2·6,H2O作為相變蓄熱材料，以哈爾濱地區(qū)應(yīng)用該系統(tǒng)的某別墅為例，對(duì)不同太陽(yáng)能集熱器面積和蓄熱體積下的集熱量、蓄熱裝置換熱流體進(jìn)出口溫度、相變材料平均溫度及蓄熱裝置散熱損失進(jìn)行了模擬與分析．

從國(guó)內(nèi)外研究可以看出，單獨(dú)使用水箱蓄熱時(shí)集熱效率不高．單獨(dú)使用相變蓄熱時(shí)，集熱效率較高，但蓄熱裝置出口水溫受相變溫度限制，影響末端供熱．如果使用雙水箱系統(tǒng)就能結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，既能提高系統(tǒng)集熱效率，又能滿足用戶側(cè)供熱．筆者設(shè)計(jì)了雙水箱蓄熱系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了不同運(yùn)行策略下系統(tǒng)的集熱效率和能效比(coefficient of performance，COP)．

圖1 各方案系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of schemes

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)相變蓄熱水箱與普通水箱連接形式的不同，本文提供了3種設(shè)計(jì)方案，如圖1所示．圖1(a)為方案1，兩水箱通過(guò)板式換熱器與集熱側(cè)隔開，運(yùn)行工況有3種：當(dāng)集熱量剛好滿足供熱要求時(shí)，集熱器中的熱水不經(jīng)過(guò)水箱蓄熱直接供熱；當(dāng)集熱量大于供熱量時(shí)，兩水箱單獨(dú)、串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行；夜間供熱時(shí)，兩水箱單獨(dú)、串聯(lián)或并聯(lián)供熱．圖1(b)為方案2，普通水箱與集熱放熱側(cè)同時(shí)連接，相變蓄熱水箱連接在供熱側(cè)，運(yùn)行工況有2種：集熱時(shí)，普通水箱單獨(dú)運(yùn)行或普通水箱集熱，同時(shí)與相變水箱串聯(lián)運(yùn)行；夜間供熱時(shí)，兩水箱單獨(dú)或串聯(lián)供熱．圖1(c)為方案3，兩水箱并聯(lián)接入系統(tǒng)，運(yùn)行工況有2種：白天集熱兩水箱單獨(dú)運(yùn)行或一個(gè)集熱另一個(gè)放熱；夜間供熱時(shí)，兩水箱單獨(dú)供熱．

從運(yùn)行工況可以看出，方案1運(yùn)行方式比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)、串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)不經(jīng)過(guò)水箱直接供熱，但兩水箱必須同時(shí)集熱(或供熱)．方案2相變蓄熱水箱必須通過(guò)與普通水箱連接才能實(shí)現(xiàn)集熱．方案3集熱供熱互不干擾，自動(dòng)控制時(shí)可以獨(dú)立地對(duì)集熱和供熱側(cè)進(jìn)行控制．綜合比較各方案系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇方案3作為最終實(shí)驗(yàn)方案．

1.2 系統(tǒng)模型

本文通過(guò)比較系統(tǒng)平均集熱效率η和能效比COP這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇合適的運(yùn)行策略．相關(guān)的數(shù)學(xué)模型為

式中：Qc為集熱器瞬時(shí)輻射量，W；Qw為普通水箱瞬時(shí)集熱量，W；Qpcm為相變水箱瞬時(shí)集熱量，W；Qso為末端瞬時(shí)放熱量，W；η為系統(tǒng)平均集熱效率；Iβ為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；Ac為集熱器的有效集熱面積，m2；t1為集熱器出口溫度，℃；t3為普通水箱內(nèi)水溫，℃；cm˙為集熱器的質(zhì)量流量，kg/s；t6為相變水箱內(nèi)的水溫，℃；sm˙為供暖泵P2的質(zhì)量流量，kg/s；tsi為盤管供水溫度，℃；tso為盤管回水溫度，℃；W為系統(tǒng)全天耗電量，W；cp為水的比定壓熱容，J/(kg·℃)．

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于兩個(gè)水箱并聯(lián)連接，集熱和供熱循環(huán)互不影響，可以分別控制，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分集熱循環(huán)控制和供熱循環(huán)控制兩部分完成．控制方案流程如圖2所示．

集熱循環(huán)受集熱器出口水溫t1控制，系統(tǒng)控制流程如圖2(a)所示．將t1分成3個(gè)溫度區(qū)間：高溫段、中溫段和低溫段．在高溫段和低溫段，普通水箱優(yōu)先集熱；在中溫段，相變水箱優(yōu)先集熱．供熱循環(huán)受普通水箱內(nèi)水溫t3和相變水箱內(nèi)水溫t6同時(shí)控制，系統(tǒng)控制流程如圖2(b)所示．當(dāng)t3較高時(shí)，普通水箱供暖；當(dāng)t3較低無(wú)法直接供暖時(shí)，用相變水箱供暖；當(dāng)t6較低時(shí)開熱泵P3；當(dāng)t6低于水箱最低溫度時(shí)，若t3高于水溫最低溫度，用普通水箱加熱泵供暖，若t3也過(guò)低則開啟電加熱H3．

圖2 控制方案流程Fig.2 Control scheme flow chart

1.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

筆者搭建了相變蓄熱式太陽(yáng)能雙水箱-水源熱泵系統(tǒng)．系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、普通水箱、相變水箱、熱泵和末端盤管組成．集熱器為10塊H58/16-1800U型熱管式集熱器，共16.2,m2．蓄熱水箱容積為1.42,m3，水源熱泵空調(diào)機(jī)為EWS60A/H靜音型．換熱盤管的直徑2,mm，相鄰兩管中心間距為150,mm，管子埋深30,mm．圖3所示為實(shí)驗(yàn)設(shè)備．

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Laboratory equipment

圖3(a)為相變水箱和普通水箱的連接方式，相變水箱長(zhǎng)、寬、高為1,000,mm、800,mm、500,mm．圖3(b)為自制相變蓄熱單元在水箱中的排列方式，蓄熱體為360個(gè)裝有Na2,SO4·10,H2O的易拉罐，每個(gè)蓄熱體間距為10,mm，共分3層排放，各層之間放置均流孔板，每層排列相同．圖3(c)和(d)為太陽(yáng)熱水系統(tǒng)測(cè)試軟件CA8控制器的控制界面，所有運(yùn)行信息都在界面上顯示并實(shí)時(shí)變化．系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，用戶可對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改．

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

筆者進(jìn)行了雙水箱聯(lián)合蓄熱和單水箱蓄熱的實(shí)驗(yàn)．雙水箱聯(lián)合蓄熱時(shí)，為了比較不同集熱控制方式對(duì)集熱效率的影響，針對(duì)t1設(shè)定參數(shù)的不同進(jìn)行了兩種工況的實(shí)驗(yàn)．工況1的t1在45～60,℃之間，采用相變水箱優(yōu)先蓄熱，其他溫度段采用普通水箱優(yōu)先蓄熱．工況2為t1在55～70,℃之間采用相變水箱優(yōu)先蓄熱，其他溫度段相反，采用普通水箱優(yōu)先蓄熱．

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了比較不同運(yùn)行工況下系統(tǒng)瞬時(shí)集熱效果，分析了Qc與Qw、Qpcm之間的關(guān)系，三者隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示．

圖4 不同運(yùn)行工況下的蓄熱量和瞬時(shí)輻射量曲線Fig.4 Thermal storage and instantaneous radiation curve of different operation strategies

由圖4(a)和(b)可見(jiàn)，兩種工況集熱效果差別不大，即只要保證中午相變水箱蓄熱，其他時(shí)間普通水箱蓄熱．由于t1從45,℃上升到55,℃是在短時(shí)間內(nèi)完成的，筆者在調(diào)試過(guò)程中是逐漸從45,℃調(diào)節(jié)到55,℃的，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行并無(wú)影響．最大值的設(shè)定是為了保證t1從最小值到最大值之間持續(xù)的時(shí)間為2,h左右(相變蓄熱水箱的潛熱蓄熱時(shí)間)．這與天氣狀況有關(guān)，只能根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)時(shí)的天氣狀況給出最大值的控制范圍．具體參數(shù)范圍是t1最小值在45～55,℃之間，同時(shí)最大值在60～70,℃之間時(shí)采用相變水箱集熱；其他溫度采用普通水箱集熱，就可以使系統(tǒng)一直處于高效集熱狀態(tài)．

由圖4(c)可以看出，相變水箱單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，中午為潛熱蓄熱，其他時(shí)間段處于顯熱蓄熱．前者集熱效率高，蓄熱量多．由圖4(d)可知，普通水箱單獨(dú)蓄熱時(shí)，由于一直處于顯熱蓄熱，集熱時(shí)間越長(zhǎng)水箱溫度越高，集熱溫差越小，集熱效率越低．

為了比較各工況運(yùn)行效率，對(duì)全天輻射量、蓄熱量進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示．集熱效率、供熱量、耗電量及COP的匯總結(jié)果見(jiàn)表2．

表1 不同工況下集熱效果比較Tab.1Collection performances comparison of different operation strategies

表2 不同工況下運(yùn)行效果比較Tab.2 Results comparison of different operation strategies

由表2可知，單獨(dú)使用普通水箱蓄熱的系統(tǒng)集熱效率為0.64．雙水箱聯(lián)合運(yùn)行集熱效率為0.94，相變水箱單獨(dú)運(yùn)行集熱效率為0.96，后兩者基本相同．

4種工況耗電量基本相同，均在26,MJ左右，即增加蓄熱裝置后系統(tǒng)耗電量并未增加太多．

在耗電量相同時(shí)，COP與集熱效率和輻射量有關(guān)，若集熱效率相同，全天輻射量增多，COP提高．如雙水箱工況1和工況2，兩者集熱效率均為0.94，由表1可知工況1全天輻射量為209.80,MJ，工況2為295.30,MJ，由表2可知工況1的COP為6.18，工況2為10.03．同樣，若全天輻射量相同，系統(tǒng)集熱效率提高，COP也會(huì)提高．

3 結(jié) 論

(1) COP無(wú)法全面反映系統(tǒng)運(yùn)行效果．系統(tǒng)耗電量相同時(shí)，COP受集熱效率和全天輻射量雙重的影響．集熱效率只與運(yùn)行工況有關(guān)．

(2) 單獨(dú)使用相變水箱蓄熱時(shí)，系統(tǒng)中午集熱效率高，其他時(shí)間集熱效率低，單獨(dú)使用普通水箱蓄熱時(shí)，系統(tǒng)中午之前集熱效率高，中午過(guò)后集熱效率下降．即系統(tǒng)只用一個(gè)水箱蓄熱時(shí)只有一段時(shí)間能高效集熱．用雙水箱蓄熱時(shí)，總有一個(gè)水箱溫度較低，通過(guò)交替集熱可以使系統(tǒng)一直處于高效集熱狀態(tài)．

(3) 給出了2月—3月之間典型天氣下的雙水箱聯(lián)合運(yùn)行工況下系統(tǒng)高效集熱控制參數(shù)的范圍．

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(責(zé)任編輯：金順愛(ài))

Performance of Solar Energy Automatic Control System Assisted Dual Water Tank with Phase Change Materials and Heat Pump

Qu Shilin，Yang Lixiang，Peng Li，Hu Jiaguo
(School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To solve the problem that the collection efficiency and COP of the solar energy system assisted heat pump is not high, three kinds of designs for solar energy system assisted dual water tank were proposed. Based on one design，automatic control system was designed and test bench was built. The effects of operation strategies on the collection efficiency and COP were investigated. The experimental results and theoretical analysis show that collection efficiency is better for reflecting the system efficiency than COP. With appropriate control parameters，the collection efficiency of joint work of dual water tank is basically the same as that of separate work of a water tank with phase change material. The former stores heat efficiently from 8∶00 am to 16∶00, while the latter does so almost at noon. Compared with the separate work of an ordinary water tank，the collection efficiency of the joint work of dual water tank is increased from 0.64 to above 0.94, and COP is increased from 2.32 to above 5.00.

solar assisted heat pump；phase change materials；dual water tank；collection efficiency；COP

TK513.5

A

0493-2137(2014)01-0042-05

10.11784/tdxbz 201205081

2012-05-30；

2012-07-07.

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAJ06B06)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(FRF-TP-12-060A)．

曲世琳（1978— ），女，博士，副教授.

曲世琳，q.shilin@163.com.