216 三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)初探

1、三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)初探哈爾濱工業(yè)大學(xué)牛福新，倪龍，姚楊，馬最良摘要摘要：采用綜合的集成技術(shù)，提出全新的三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)，將夏季蓄冷與冬季蓄熱有機結(jié)合在一起。闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運行模式及其特征，通過建立三套管蓄能換熱器的數(shù)學(xué)模型，模擬了三套管蓄能換熱器直接蒸發(fā)蓄冷動態(tài)特性。并對比分析了冰蓄冷與高溫相變蓄冷能耗情況。高溫相變材料蓄冷比冰蓄冷平均蒸發(fā)溫度高10℃左右，高溫相變材料蓄冷的COP值比冰蓄

2、冷提高了近25%，相同制冷能力下相變蓄冷功耗節(jié)能率達(dá)36%，取得了良好的節(jié)能效果。三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)的提出，對生態(tài)用能和供熱方式的發(fā)展都具有重要的意義。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：三套管；蓄能；集成系統(tǒng)；熱泵改革開放以來我國電力需求增長非常迅速，近年來的總裝機容量不斷增長，截至到2008年底全國發(fā)電裝機容量達(dá)到7.1億kW[12]。為緩解高峰電力嚴(yán)重不足，蓄冷空調(diào)是電力需求側(cè)實現(xiàn)“移峰填谷”最有效手段之一[3]，因此，蓄冷空調(diào)技術(shù)

3、得到空前的發(fā)展。目前，國內(nèi)外蓄冷技術(shù)主要集中在對冰蓄冷的研究與設(shè)備開發(fā)[4]，利用水的相變蓄冷，相變溫度為0℃，因此要求制冷劑蒸發(fā)溫度較低，影響機組效率，本文采用相變溫度為6℃的有機相變材料，提出了全新的三套管蓄能換熱器，用一種全新的蓄能換熱器，與空氣源、太陽能熱泵組成的集成系統(tǒng)，能同時解決空調(diào)系統(tǒng)的夏季電力削峰填谷、冬季太陽能蓄熱、太陽能在空調(diào)中的應(yīng)用、多源熱泵、熱泵與蓄能的有機結(jié)合、直接蒸發(fā)式蓄冷裝置的開發(fā)、簡化集成系統(tǒng)與降低初投資

4、等多個亟待解決的問題。1集成系統(tǒng)介紹集成系統(tǒng)介紹1.1三套管蓄能換熱器結(jié)構(gòu)換熱器單元如圖1所示，其內(nèi)管為制冷劑，中間層為相變蓄能材料，外管為水，通過制冷劑相變蓄能材料換熱實現(xiàn)夏季蓄冷，冬季取熱；而相變蓄能材料水之間的換熱實現(xiàn)夏季釋冷，冬季蓄熱。制冷劑入口制冷劑出口水入口水出口肋肋制冷劑盤管冷水盤管PCM盤管肋法蘭或聯(lián)接螺母圖1三套管蓄能換熱單元示意圖對于三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)而言，三套管相變蓄能器既是夏季供冷工況的蓄冷裝

5、置，也是冬季供熱工況的蓄熱裝置，因此相變材料的選擇要考慮可以滿足蓄冷和蓄熱的要求，而冬季設(shè)計條件下的太陽能集熱低溫?zé)崴疄?5℃～20℃左右，夏季供冷設(shè)計水溫在10℃～12℃，所以選擇有機相變材料RT6，其融點溫度為9℃，凝固點溫度為6℃，蓄熱量在1℃～11℃范圍內(nèi)為183kJkg。1.2集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)rx制冷劑水r1r2r3制冷劑PCM水PCMPSNWER1R2iji1jij1XAjAj1Ai1AiΔxΔr圖3PCM蓄熱單元及微元體示意圖

6、根據(jù)焓法模型的微分方程，建立PCM微元體能量控制方程：(1)111111|||||ijijijiiiiiijjjjjjhTTTTVAAAAtrrxx??????????????????????????通過上式求取焓之后，需要將焓轉(zhuǎn)換為溫度，其轉(zhuǎn)化關(guān)系式如下：(2)()mmhcTThHc???????mmmmmmhcTcThcTHhcTH??????相變的影響包含在方程式(3)中，因為焓h中也包含了相變潛熱Hm。2.2制冷劑側(cè)的數(shù)學(xué)模型一

7、般來說，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)流動換熱主要經(jīng)歷兩個區(qū)段，即兩相區(qū)及單相區(qū)（過熱區(qū)）。由于在蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑主要呈環(huán)狀流的形式流動，故本文對于翅片管蒸發(fā)器兩相流僅以環(huán)狀流進(jìn)行建模。在建立節(jié)點動態(tài)模型之前擬作如下的假設(shè)：制冷劑沿水平管作一維流動；兩相流在同一流動截面上氣相和液相的壓力相等；制冷劑側(cè)能量方程中忽略動能和勢能的影響；忽略管壁的軸向?qū)?；不計制冷劑重力的影響；在蒸發(fā)器的分布參數(shù)模型中，不考慮壓降。2.3模擬結(jié)果分析模擬的三套管蓄能換熱器相

8、變層厚度為6mm，長6m。圖4展示了蓄冷模式下每5分鐘間隔下的PCM沿軸向溫度變化曲線。由圖中可以看出，初始時刻PCM的溫度均為14℃，初期5分鐘，PCM整體溫度下降較快，這個階段是液相顯熱蓄冷階段。此時，PCM出口溫度高于入口2℃左右。10分鐘時，軸向前部已經(jīng)處于相變潛熱蓄冷區(qū)，而末端節(jié)點仍然處于液相蓄冷區(qū)，但是溫差已經(jīng)減小到1.4℃。15分鐘時，沿軸向個點均處于相變潛熱蓄冷區(qū)了，因此，幾乎沒有溫差。20分鐘時，軸向前段節(jié)點已經(jīng)進(jìn)入固