216 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统初探

三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统初探哈尔滨工业大学 牛福新，倪龙，姚杨，马最良摘要：采用综合的集成技术，提出全新的三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统，将夏季蓄冷与冬季蓄热有机结合在一起。阐述了该系统的结构、运行模式及其特征，通过建立三套管蓄能换热器的数学模型，模拟了三套管蓄能换热器直接蒸发蓄冷动态特性。并对比分析了冰蓄冷与高温相变蓄冷能耗情况。高温相变材料蓄冷比冰蓄冷平均蒸发温度高10左右，高温相变材料蓄冷的COP值比冰蓄冷提高了近25%，相同制冷能力下相变蓄冷功耗节能率达36%，取得了良好的节能效果。三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的提出，对生态用能和供热方式的发展都具有重要的意义。关键词：三套管；蓄能；集成系统；热泵改革开放以来我国电力需求增长非常迅速，近年来的总装机容量不断增长，截至到2008年底全国发电装机容量达到7.1亿kW1,2。为缓解高峰电力严重不足，蓄冷空调是电力需求侧实现“移峰填谷”最有效手段之一3，因此，蓄冷空调技术得到空前的发展。目前，国内外蓄冷技术主要集中在对冰蓄冷的研究与设备开发4，利用水的相变蓄冷，相变温度为0，因此要求制冷剂蒸发温度较低，影响机组效率，本文采用相变温度为6的有机相变材料，提出了全新的三套管蓄能换热器，用一种全新的蓄能换热器，与空气源、太阳能热泵组成的集成系统，能同时解决空调系统的夏季电力削峰填谷、冬季太阳能蓄热、太阳能在空调中的应用、多源热泵、热泵与蓄能的有机结合、直接蒸发式蓄冷装置的开发、简化集成系统与降低初投资等多个亟待解决的问题。1 集成系统介绍1.1 三套管蓄能换热器结构换热器单元如图1所示，其内管为制冷剂，中间层为相变蓄能材料，外管为水，通过制冷剂/相变蓄能材料换热实现夏季蓄冷，冬季取热；而相变蓄能材料/水之间的换热实现夏季释冷，冬季蓄热。图1 三套管蓄能换热单元示意图对于三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统而言，三套管相变蓄能器既是夏季供冷工况的蓄冷装置，也是冬季供热工况的蓄热装置，因此相变材料的选择要考虑可以满足蓄冷和蓄热的要求，而冬季设计条件下的太阳能集热低温热水为1520左右，夏季供冷设计水温在1012，所以选择有机相变材料RT6，其融点温度为9，凝固点温度为6，蓄热量在111范围内为183kJ/kg。1.2 集成系统结构 1-热泵压缩机；2-四通换向阀；3,4-换热器；5,7-三通阀；6-低压气液分离器；8,9,14-膨胀阀；10-太阳能集热器；11,15-水泵；12-热水罐；13-三套管蓄能换热器图2 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵系统整体结构示意图提出的集成系统巧妙地通过两个三通阀将系统变为多源综合利用热泵系统；具有多功能、全年运行的特点，通过系统的运行调节可实现以下十一种运行模式：(1) 夏季空气源热泵供冷及太阳能供生活热水模式；(2) 夏季夜间蓄冷模式；(3) 夏季用户侧取冷及太阳能供生活热水模式；(4) 夏季供冷/蓄冷模式；(5) 夏季空气源热泵和蓄冷联合供冷及太阳能供生活热水模式；(6) 冬季供热模式；(7) 冬季蓄热模式；(8) 冬季蓄能热泵供热模式；(9) 冬季空气源热泵供热模式；(10) 冬季空气源和蓄热联合供热模式；(11) 冬季空气源和太阳能多源热泵供热模式。1.3 集成系统特征三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统有以下突出特点：（1）系统是由三套管蓄能换热器将两部分结合在一起的，同时改善了空气源热泵低温运行效率低下和太阳能热泵不稳定性的不足5-8。（2）系统夏季采用直膨式蓄冷，可以减少换热环节，选用高温相变材料，可以提高系统能效比9,10。（3）系统是把蓄能装置和换热器集成为有机整体，节省投资。（4）系统在冬夏运行，都是将三套管蓄能换热器作为蒸发器使用，回油问题容易解决。（5）系统的组合十分巧妙。2三套管蓄能换热器数学模型及模拟结果分析2.1相变材料层的数学模型根据圆柱形对称的特点，即各个半径方向上温度场相同，因此圆柱形蓄热体的温度场分布可以看作是二维的，即沿径向（圆柱半径方向）和轴向（流体流动方向），取环形的微元体，如图3所示。图3 PCM蓄热单元及微元体示意图根据焓法模型的微分方程，建立PCM微元体能量控制方程：(1)通过上式求取焓之后，需要将焓转换为温度，其转化关系式如下： (2)相变的影响包含在方程式(3)中，因为焓h中也包含了相变潜热Hm。2.2制冷剂侧的数学模型一般来说，制冷剂在蒸发器内流动换热主要经历两个区段，即两相区及单相区（过热区）。由于在蒸发器内制冷剂主要呈环状流的形式流动，故本文对于翅片管蒸发器两相流仅以环状流进行建模。在建立节点动态模型之前拟作如下的假设：制冷剂沿水平管作一维流动；两相流在同一流动截面上气相和液相的压力相等；制冷剂侧能量方程中忽略动能和势能的影响；忽略管壁的轴向导热；不计制冷剂重力的影响；在蒸发器的分布参数模型中，不考虑压降。2.3 模拟结果分析模拟的三套管蓄能换热器相变层厚度为6mm，长6m。图4展示了蓄冷模式下每5分钟间隔下的PCM沿轴向温度变化曲线。由图中可以看出，初始时刻PCM的温度均为14，初期5分钟，PCM整体温度下降较快，这个阶段是液相显热蓄冷阶段。此时，PCM出口温度高于入口2左右。10分钟时，轴向前部已经处于相变潜热蓄冷区，而末端节点仍然处于液相蓄冷区，但是温差已经减小到1.4。15分钟时，沿轴向个点均处于相变潜热蓄冷区了，因此，几乎没有温差。20分钟时，轴向前段节点已经进入固相显热蓄冷区，而末端两节点仍处在相变潜热蓄冷区，因此温差开始增大为1.1。25分钟时，在前面各个节点已经完全处于固相显热蓄冷区，轴向末端节点刚刚进入固相显热蓄冷区，此时PCM入出口处温差为1.6。此后，沿轴向各点均处于固相显热蓄冷区，沿轴向从入口到出口温度变化都不十分大，入出口PCM温差也越来越小。图4 蓄冷模式下不同时刻PCM沿轴向温度变化曲线图5 蓄能热泵供热模式下不同时刻PCM沿轴向温度变化曲线图5为蓄能热泵供热模式每5分钟间隔的沿轴向PCM温度变化状况。变化规律与蓄冷模式下的相类似之处不再详述，仅对比两个模式下的不同之处。图4与图5相比较，可以看到，在蓄能热泵供热模式下，5分钟后PCM的温度下降幅度较大，在相变潜热释热区间停留的时间较长。这些差别也是由蓄能热泵供热模式下初始温度较高，同时也是由于在运行过程中传热温差较小造成的。3与冰蓄冷比较分析 与冰蓄冷相比，高温相变材料蓄冷的相变温度为6，要求的蒸发温度要高于冰蓄冷时的蒸发温度，因此提高了机组的效率，图6为冰与高温相变材料相变蓄冷时对应的蒸发温度及COP的对比关系。相变蓄冷过程中，随着蓄冷过程的进行，温度不断降低且变化趋于平稳，与之对应的COP值也随之下降。冰蓄冷蒸发温度变化平缓，大约在-10，高温相变蓄冷平均蒸发温度为0.4。冰蓄冷COP平均值为3.2，高温相变蓄冷平均COP值为3.95，比冰蓄冷提高了近25%，具有明显的节能效果。图6 冰与高温相变材料相变蓄冷时对应的蒸发温度及COP选用同一台压缩机（型号YZG-25RT1）进行冰蓄冷与相变蓄冷时，不同室外温度运行工况时机组性能分析如图7，8所示。图7给出了冰与相变蓄冷制冷量随室外温度的变化曲线，随着室外温度的升高，制冷量不断下降，但下降速率变化不大。冰蓄冷平均制冷量为1.7kW，相变蓄冷平均制冷量为2.4kW。图8给出了冰与相变蓄冷耗功随室外温度的变化曲线，随着室外温度的升高，耗功不断升高。其中相变蓄冷耗功变化速率高于冰蓄冷，当室外温度达到30时，两种蓄冷方式耗功相等。图7 冰与相变蓄冷制冷量随室外温度的变化曲线图8 冰与相变蓄冷耗功随室外温度的变化曲线 图9给出了在相同制冷能力3kW下，冰与相变蓄冷耗功随室外温度的变化曲线。随着室外温度的升高，耗功不断升高。其中冰蓄冷功耗高于相变蓄冷，从室外温度15一直到30，冰蓄冷功耗与相变蓄冷功耗之差基本保持不变，为0.33kW。与冰蓄冷相比，相变蓄冷功耗节能率达36%。图9 相同制冷能力时冰与相变蓄冷耗功随室外温度的变化曲线4结论为解决单一节能技术的局限性，提出了三套管蓄能换热器，该蓄能换热器可以与空气源、太阳能热泵组成集成系统。通过建立了三套管蓄能换热器的数学模型，模拟了三套管蓄能换热器直接蒸发蓄冷动态特性。模拟结果表明，相变蓄冷过程中，蒸发温度不断下降且变化趋势平稳，平均蒸发温度为0.4。通过与传统的冰蓄冷比较，平均蒸发温度提高了10左右，COP值提高了近25%，相同制冷能力下相变蓄冷功耗比冰蓄冷耗功节省36%，具有良好的节能效果。三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统的提出，对生态用能和供热方式的发展都具有重要的意义。其系统的实施将是丰富和提升传统的空调节能（冰蓄冷、热泵技术、太阳能利用等）技术，探索空调节能与环保的新途径，促进空调节能技术发展的一种尝试。参考文献1 周小谦. 我国电力发展与西北电力展望J. 电网与清洁能源.2008,24(3)3-102 李瞧. 我国发电装机容量达7.9亿千瓦N. 中国工业报, 2009, (2009-02 - 17) 3 陈小雁,李苏泷,代焱.冰蓄冷空调系统经济性分析J. 制冷与空调. 2007,7 (1) 82-844 白莉,迟铭书,张珂毓. 我国冰蓄冷空调技术现状及趋势研究J. 吉林建筑工程学院学报. 2008 , 25(2)77-81 5 安青松，马一太空气源热泵系统最低工作温度的研究J暖通空调2007，37（11）：49526 古小敏空气源热泵冷热水机组系统设计中若干问题的探讨J桂林航天工业高等专科学校学报2004，1（33）：33357 He ZN. Application and development of solar energy in ChinaC. Proc. 5th International Conference on New Energy Systems and Conversion, August 2225,2001, Shanghai.8 Huang BJ, Chyng JP. Performance characteristics of integral type solar -assisted heat pump J .Sol Energy 2001;71:40324.9 S. Ito, N. Miura, Y. Takano, Studies of heat pumps using