相變蓄能太陽能熱泵系統(tǒng)的蓄熱特性研究.pdf

瑓瑤 收稿日期 2018 11 11 作者簡介 韓 瑋 1994 男 內(nèi)蒙古呼和浩特人 碩士研究生 主要從事制冷設(shè)備測試方面的研究 通訊作者 王芳 wang1996930 163 com 相變蓄能太陽能熱泵系統(tǒng)的蓄熱特性研究 韓 瑋 王 芳 花 王 王子龍 陳夏輝 李叔蔚 張 楠 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 上海 200093 摘 要 將太陽能光熱技術(shù) 空氣源熱泵技術(shù)以及相變蓄能技術(shù)加以整合 研制一套復(fù)合型熱水制取系統(tǒng) 為建 筑熱水供給的節(jié)能降耗提出一種思路 完成系統(tǒng)的設(shè)計及搭建 并在不同控制邏輯下對系統(tǒng)性能進行測試 著 重分析相變蓄熱材料對蓄熱水箱的蓄熱特性影響 研究發(fā)現(xiàn)布置有相變蓄能材料的蓄熱水箱相較無相變蓄能 材料的蓄熱水箱其持續(xù)出熱水的時間增加 出熱水率提升 溫度分層更好 性能得到提升 除此之外 數(shù)據(jù)顯示 對流量的控制亦是優(yōu)化該系統(tǒng)蓄熱特性的關(guān)鍵因素 關(guān)鍵詞 相變蓄能 空氣源熱泵 太陽能 熱性能分析 中圖分類號 TK513 TK02 文獻標識碼 A 文章編號 1004 3950 2019 06 0054 07 Study on heat storage characteristics of phase change energy storage solar heat pump system HAN Wei WANG Fang HUA Wang et al School of Energy and Power Engineering University of Shanghai for Science Technology Shanghai 200093 China Abstract Solar photothermal technology air source heat pump technology and phase change energy storage technology were integrated to develop a complex hot water extraction system which provided a way for building hot water supply to save energy and reduce consumption The design and construction of the system was completed the system perform ance under different control logic was tested and the influence of phase change heat storage materials on the heat stor age characteristics of the heat storage tank was analyzed It was found that compared with the heat storage tank with no phase change energy storage material the time of continuous hot water release increased the rate of hot water release increased and the temperature stratification was better In general the performance of the heat storage tank with phase change energy storage material was improved In addition the data showed that the flow control was also the key factor to optimize the heat storage characteristics of the system Key words phase change energy storage air source heat pump solar energy thermal performan ce analysis 0 引 言 隨著我國民用建筑及公共建筑的增加 熱水 供給能源的消費額度逐年變大 調(diào)查顯示 建筑能 源消費在中國能源消費總計中占比 30 左右 建 筑能源消費中的熱水供給能耗就高達 20 1 太陽能熱泵復(fù)合系統(tǒng)是近些年制熱技術(shù)的研究熱 門 2 6 該系統(tǒng)將熱泵技術(shù)和太陽能光熱技術(shù)結(jié) 合 在建筑能源消費方面能綜合兩者優(yōu)勢有效打 破各自的局限和缺陷 除此之外 蓄能技術(shù)在彌 補太陽能及空氣源能利用的不足上有很大的作 用 CABEZA 等 7 提出 通過蓄能技術(shù)的利用可 以有效解決熱能供需不平衡的現(xiàn)象 閆彥濤 等 8 對太陽能相變蓄熱裝置進行了研究 將白 天吸收并儲存的太陽能充分利用于夜間的溫室 內(nèi) 通過試驗可得 天氣晴好狀況下 夜間溫室 內(nèi)至少提升 2 5 王建輝等 9 運用高溫熔融 鹽以及石蠟兩種相變材料進行蓄能供熱 增加 了供熱時間 提高了效率 本文中利用太陽能 熱泵技術(shù)及相變蓄能技術(shù) 搭建了一套蓄能型 太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng) 根據(jù)上海地區(qū)氣 候特點對其進行測試與分析 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 DOI 10 16189 ki nygc 2019 06 010 2019 年 第 6 期 瑓瑥 1 系統(tǒng)設(shè)計與工作原理 該蓄熱型太陽能熱泵熱水系統(tǒng)擬為上海地 區(qū)某小型辦公樓或獨棟別墅提供日常所需熱 水 設(shè)計日用水額度 1 t 系統(tǒng)采用非直膨式太 陽能空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其原理如圖 1 所示 該系統(tǒng)主要由三個模塊組成 太陽能集熱模塊 和空氣源熱泵模塊 如圖 2 所示 以及蓄熱水 箱模塊 如圖 3 所示 三個模塊設(shè)備型號參數(shù) 匯總于表 1 圖 1 太陽能熱泵熱水系統(tǒng)原理示意 圖 2 真空管集熱器及空氣源熱泵 圖 3 蓄熱水箱 表 1 主要設(shè)備參數(shù) 名稱 型號規(guī)格 空氣源熱泵機組 額定制熱量 19 kW 功率 4 25 kW 真空管集熱器 58 mm 1800 mm 共 84 根 平板集熱器 2000 mm 1000 mm 80 mm 共 15 塊 蓄熱水箱 1573 mm 900 mm 容積 1 m 3 系統(tǒng)有三種加熱運行模式 具體流程如圖 4 所示 1 太陽能模塊獨立運行模式 控制邏輯 為電磁閥 1 3 6 和 9 開啟 其余電磁閥關(guān)閉 調(diào)節(jié) 閥 D1 由溫控器控制 在蓄熱水箱未到預(yù)設(shè)溫度 時關(guān)閉 真空管集熱器工作 或電磁閥 2 3 6 和 9 開啟 其余電磁閥關(guān)閉 平板集熱器工作 水在 系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)加熱直至蓄熱水箱達到預(yù)設(shè)溫度 2 熱泵模塊獨立運行模式 控制邏輯為電磁閥 4 7 8 和 9 開啟 其余電磁閥關(guān)閉 水在系統(tǒng)內(nèi)循 環(huán)加熱至預(yù)設(shè)溫度 3 太陽能模塊協(xié)同熱泵模 塊聯(lián)合運行模式 電磁閥 1 2 3 5 7 8 和 9 開 啟 冷水由蓄熱水箱先經(jīng)太陽能模塊預(yù)熱后再由 熱泵模塊加熱 當熱水經(jīng)過不同循環(huán)至預(yù)設(shè)溫度 后 進入釋能模式 此時電磁閥 12 和 13 開啟 其 余電磁閥關(guān)閉 調(diào)節(jié)閥 D1 和 D2 均通 b c 兩路 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 瑓瑦 市政用水進入系統(tǒng)與蓄熱水箱進行預(yù)混合通入恒 溫水箱以供使用 圖 4 不同運行模式流程 蓄熱水箱包括水蓄熱和相變蓄熱兩個蓄熱模 塊 選用的相變蓄熱材料 PCM 為復(fù)合有機相變 材料 其熱物性參數(shù)見表 2 排布方式如圖 5 所示 目前國內(nèi)市場中封裝技術(shù)較成熟的方法是將蓄熱 材料利用膠囊封裝起來 故本文中利用這項技術(shù)將 蓄能材料封裝包裹為近似球狀 共 43 個平鋪于距 離蓄熱水箱底三分之一處的有孔擱架上 表 2 相變蓄能材料熱物性參數(shù) 潛熱 kJ kg 1 比熱容 kJ kg K 1 導(dǎo)熱系數(shù) W m K 1 相變溫 度 密度 kg m 3 164 5 2 719 0 8 48 52 1520 圖 5 PCM 布置形式 2 系統(tǒng)熱評價指標 2 1 熱泵及太陽能集熱器評價指標 熱泵模塊主要評價指標為熱泵效率 COP 本系統(tǒng)空氣源熱泵 COP 為 COP Q k W 1 式中 Q k 為熱泵制熱量 W 為熱泵耗電量 集熱器是太陽能模塊的心臟 其性能高低決 定了熱水系統(tǒng)的優(yōu)劣 可以用瞬時效率作為其評 價指標 其瞬時效率可表述為 10 0 UT 0 U t a t e G 2 式中 0 為瞬時效率截距 反映集熱器零散熱下 吸熱效率 U 為總熱損失系數(shù) 反映集熱器對環(huán)境 空氣的平均換熱系數(shù) W m 2 T 為歸一化 溫差 m 2 W t a 為集熱器工質(zhì)入口溫 度 t e 為環(huán)境溫度 G 為太陽輻照度 W m 2 由式 2 可知 集熱器選型確定時 0 U 確 定 其瞬時效率同 T 成線性關(guān)系 2 2 蓄熱水箱評價指標 蓄熱水箱模塊是本次試驗的重點 其主要評 價指標為水箱出熱水率以及斜溫層厚度 水箱中 的水在試驗的釋能階段通入冷水混合排出 通過 測點記錄其出口及內(nèi)部溫度變化 本課題為一實際工程項目 與使用者的體驗 緊密相連 所以應(yīng)關(guān)注蓄能水箱連續(xù)放出超過 45 熱水的量 定義其出熱水率為有效使用熱 水體積 V u 與水箱總體積 V tank 之比 11 V V u V tank 3 蓄熱水箱釋熱過程里由于冷水與熱水在密度 方面有差異 會形成上熱下涼的狀態(tài) 居于中部范 圍溫度變化的區(qū)域為斜溫層 12 實際應(yīng)用中 斜 溫層愈薄 其范圍內(nèi)溫度的變化愈大 分層情況愈 好 反之則水的摻混效果愈大 分層愈差 其三種 不同溫度分層的水箱具體示意見圖 6 a 為高度 分層狀態(tài) b 為適度分層 c 完全混合 無分層 現(xiàn)象 圖 6 水箱斜溫層 3 運行結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 選取上海春季典型氣候日進行試驗 以三種 運行模式研究各模塊及系統(tǒng)整體性能 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 2019 年 第 6 期 瑓瑧 3 1 太陽能模塊及熱泵模塊運行 根據(jù)實際工程情況 太陽能模塊選取真空管 集熱器進行試驗 測試真空管集熱器單日集熱 效率 選擇某多云日為測試日 系統(tǒng)通入市政 用水 循環(huán)水量維持在 19 L min 實驗時間從 輻照度最高的 12 40 開始持續(xù)到 16 05 記錄當 日太陽輻照度變化曲線如圖 7 所示 測試環(huán)境 溫度維持在 22 左右 圖 8 的集熱效率曲線由 公式 2 得到 可以看出和當日太陽能輻照度的 變化趨勢一致 最高值可達 0 61 之后逐漸降 低 圖 7 太陽能輻照度 圖 8 集熱器集熱效率 在天氣狀況惡劣 如下雨 陰天 夜晚等 且溫度不高的狀況 可單獨利用熱泵模塊提供 熱水 選擇某陰天作為測試日 將熱泵模塊與 蓄能水箱模塊循環(huán)開啟 循環(huán)水泵流量為 26 5 L min 經(jīng)循環(huán)加熱后 熱泵進出口溫度 如圖 9 所示 圖 9 熱泵進出口溫度 由圖 9 可知熱泵換熱溫差基本恒定在 8 左 右 出口最高溫度可達 61 7 大約 155 min 后 蓄熱水箱達到預(yù)設(shè)溫度 55 太陽能模塊及熱泵模塊聯(lián)合運行時 先利用 太陽能模塊將水箱溫度提升 繼而熱泵模塊接替 運行將蓄能水箱儲滿熱水 首先依據(jù)用戶使用習(xí) 慣 將太陽能模塊儲滿水并悶曬 2 h 循環(huán)啟動把 蓄能水箱熱水預(yù)熱至 30 總耗時 31 5 min 然 后關(guān)閉太陽能模塊啟動熱泵模塊 將蓄熱水箱加 熱至 55 最終得到熱泵模塊單獨運行及太陽能 和熱泵模塊聯(lián)合運行時熱泵的制熱量和 COP 隨 時間變化趨勢如圖 10 所示 由圖 10 可知 初始階段由于機組工作狀態(tài)還 未穩(wěn)定 制熱量和 COP 變幅較大 之后制熱量隨冷 凝溫度的提升而降低 導(dǎo)致其 COP 逐漸降低 單 獨運行時根據(jù)制熱量隨時間積分可以求得其總制 熱量為 25 6 kWh 已知其總耗功為 8 6 kWh 求得 其平均 COP 為 2 98 聯(lián)合運行時熱泵總制熱量 19 08 kWh 已知其總耗功為 6 57 kWh 求得其平 均 COP 為 2 9 熱泵模塊將水箱內(nèi)所有水從 30 加熱至 56 5 總計耗時 141 3 min 其 COP 相較于 熱泵模塊單獨工作略有降低 但將水箱內(nèi)水從 18 加熱至 55 其用電時間減少了 17 min 耗電 量減少了 2 03 kWh 3 2 蓄熱水箱模塊運行 蓄熱水箱中添加 PCM 并在水箱內(nèi)部每隔 0 15 m設(shè)置溫度測點并編號 共 10 層 由上至 下分別為第 1 層到第 10 層 通入市政進水將水 箱中的水補滿 然后開啟熱泵對蓄熱水箱中的 水進行加熱 當水箱溫度到達設(shè)定溫度 55 關(guān)閉熱泵并打開水箱的冷水進口 將 18 的市 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 瑓瑨 圖 10 熱泵制熱量及 COP 變化曲線 政水作為水箱的補水 補水流量為 10 L min 開 始對水箱的釋熱特性實驗 直到水箱的出口溫 度與進口溫度相同時作為放熱完成的時刻 期 間每隔 5 min 對水箱的進出口溫度作記錄 并 在相同試驗條件下對無 PCM 蓄熱水箱及補水流 量為 13 4 L min 的有 PCM 蓄熱水箱進行測試 同原試驗進行對比 蓄熱水箱內(nèi)部溫度變化曲 線如圖 11 所示 由圖 11 可知 無 PCM 水箱對比 同流量下有 PCM 水箱其持續(xù)出熱水的時間有所 降低 有 PCM 水箱在相變材料所處層附近會有明 顯的放熱現(xiàn)象產(chǎn)生 釋放熱量的同時也會加速該 段時間附近溫度摻混狀態(tài) 但總體來講其性能方 面相比無 PCM 水箱有所提升 大流量工況下有 PCM 水箱性能狀態(tài)最差 持續(xù)出熱水時間明顯縮 短到 70 min 內(nèi) 摻混效果好 可見除了添加蓄能 材料來優(yōu)化機組性能外 對于流量的控制也要進 一步優(yōu)化 圖 11 蓄熱水箱內(nèi)部溫度變化曲線 工程應(yīng)用中 用戶最關(guān)心的是能不能有持續(xù) 的熱水供給 所以出熱水率是實際應(yīng)用中最重要 的一項指標 根據(jù)國家標準 將此項指標規(guī)定為連 續(xù)不斷產(chǎn)出高于 45 熱水的量 由公式 3 可計 算得到三種不同工況出熱水率如圖 12 所示 根據(jù) 釋能過程中各層溫度變化可知 各工況出熱水率都 達到 80 以上 PCM 的添加對于熱水的供給有很 大的幫助 同為小流量工況下 有 PCM 水箱相較無 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 2019 年 第 6 期 瑓瑩 PCM 水箱其出熱水率提升可以達到 8 33 但大 流量狀態(tài)下其釋能階段溫度分層差 出熱水率也 有大幅度降低 圖 12 出熱水率 斜溫層這一指標反映了水箱釋熱過程分層效 果的優(yōu)劣 理論層面講 分層狀態(tài)優(yōu)秀的水箱可 以產(chǎn)出多于摻混效果好的水箱的熱水量 根據(jù) 三種工況全過程中溫度曲線分布 可以得到其 斜溫層分布狀況如圖 13 所示 從各個時間溫 度等高圖可以看出其斜溫層分布狀態(tài) 總體來 講小流量有 PCM 水箱釋熱過程中的斜溫層最 小 大流量狀況時其斜溫層分布狀態(tài)較大 從 圖 13 a 可以看出無 PCM 水箱中斜溫層逐漸增 大 可知箱內(nèi)溫度分層狀態(tài)逐漸變差 水會逐漸 摻混嚴重 而觀察圖 13 b 可知 小流量有 PCM 水箱除了在 PCM 蓄能前后有一段時間斜溫層加 厚摻混嚴重 其余時間溫度分層良好 利于用戶 連續(xù)地使用熱水 而圖 13 c 中大流量相變蓄能 水箱摻混較前兩者嚴重 降低了用戶熱水利用 率 對于系統(tǒng)性能是不利的 4 結(jié) 論 1 真空管集熱器瞬時效率同太陽輻照度成正 比 集熱器出口溫度與太陽輻照度變化趨勢一致 2 與熱泵單獨運行相比 太陽能熱泵聯(lián)合運 行時熱泵 COP 略有降低 但將水箱內(nèi)水從 18 加 熱至 55 其用電時間減少 17 min 耗電量減少 了 2 03 kWh 3 同樣的初始條件下 10 L min 流量下有 PCM 蓄熱水箱相較無 PCM 蓄熱水箱的其持續(xù)出 熱水的時間提高約 10 出熱水率提升可以達到 8 33 溫度分層更好 總體來講其性能方面相比 圖 13 蓄熱水箱斜溫層分布 無 PCM 蓄熱水箱帶來提升 4 同樣的初始條件下 有 PCM 蓄熱水箱在 10 L min 和 13 4 L min 兩種流量下差異明顯 由 于后者摻混效果好 其出熱水時間相較前者減少 30 min 溫度分層效果差 出熱水率減小 11 7 參考文獻 1 孫 煒 曹小林 太陽能與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)化 研究 J 建筑熱能通風(fēng)空調(diào) 2017 36 4 56 58 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝 瑔瑠 2 楊靈艷 姚 楊 姜益強 等 太陽能熱泵蓄能技術(shù) 研究進展 J 流體機械 2008 36 12 65 69 3 KAPSALIS V KA AMANIS D Solar thermal energy storage and heat pumps with phase change materials J Applied Thermal Engineering 2016 99 1212 1224 4 DAI L LI S DUANMU L et al Experimental per formance analysis of a solar assisted ground source heat pump system under different heating operation modes J Applied Thermal Engineering 2015 75 325 333 5 董 旭 田 琦 武 斌 太陽能光熱空氣源熱泵制 熱技術(shù)研究綜述 J 太原理工大學(xué)學(xué)報 2017 48 3 443 452 6 黃紫祺 徐國英 張小松 太陽能空氣源復(fù)合多功能 熱泵系統(tǒng)的試驗研究 J 流體機械 2016 44 12 54 58 7 CABEZA L F MEHLING H HIEBLE S et al Heat transfer enhancement in water when used as PCM in thermal energy storage J Applied Thermal Engi neering 2002 22 10 1141 1151 8 閆彥濤 鄒志榮 李 凱 太陽能相變蓄熱系統(tǒng)在溫 室加溫中的應(yīng)用 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2016 21 5 139 146 9 王建輝 劉自強 梁迎凱 等 高溫相變蓄熱換熱器 研究 J 河北省科學(xué)院學(xué)報 2017 4 54 59 10 王莉蕓 徐 斌 不同氣候條件下各類集熱器效率 分析 J 給水排水 2011 37 12 74 77 11 HEGAZY A A Effect of inlet design on the perform ance of storage type domestic electrical water heaters J Applied Energy 2007 84 12 1338 1355 12 HALLE M Y C UICKSHANK C A ST EICHE W et al Methods to determine stratification efficien cy of thermal energy storage processes review and the oretical comparison J Solar Energy 2009 83 10 1847 1860 責(zé)任編輯 丁麗霞 上接第 47 頁 未來情景有較大差別 通過對比兩計劃的總評估 值的得到計劃 2 的效果優(yōu)于計劃 1 量化評估過 程中 為了得到安全評估的相關(guān)系數(shù) 采用了多 層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)進行參數(shù)訓(xùn)練 同 時采用支持向量機方法對經(jīng)濟性和安全性評估 的結(jié)果進行了分級 另外需要指出 為了使得算法的運行更加準 確可靠 該算法需要進行更多的現(xiàn)場試驗 尤其在 提高算法的運行速度方面 希望從事此領(lǐng)域研究 的專業(yè)人員能進行更多深入研究 參考文獻 1 謝 昶 電網(wǎng)檢修計劃優(yōu)化編制方法研究及應(yīng)用 D 北京 華北電力大學(xué) 2013 2 劉偉桓 配網(wǎng)檢修停電時間模型及在可靠性評估中 的應(yīng)用 D 重慶 重慶大學(xué) 2013 3 郭少坤 停電計劃安全風(fēng)險評估的研究 D 北京 華北電力大學(xué) 2014 4 劉 洪 朱振環(huán) 馬 康 等 基于情景分析的配電 網(wǎng)運行風(fēng)險預(yù)警方法 J 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué) 報 2015 27 5 39 44 5 朱喬木 陳金富 李弘毅 等 基于堆疊自動編碼器 的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估 J 中國電機工程學(xué)報 2018 38 10 2937 2946 6 朱喬木 黨 杰 陳金富 等 基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估方法 J 中國電機工程學(xué) 報 2018 38 3 735 743 7 胡 偉 鄭 樂 閔 勇 等 基于深度學(xué)習(xí)的電力 系統(tǒng)故障后暫態(tài)穩(wěn)定評估研究 J 電網(wǎng)技術(shù) 2017 41 10 3140 3146 8 周 悅 譚本東 李 淼 等 基于深度學(xué)習(xí)的電力 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估方法 J 電力建設(shè) 2018 39 2 103 108 9 侯金秀 基于電壓相量和深度學(xué)習(xí)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn) 定快速評估 D 北京 中國電力科學(xué)研究院 2017 10 尹雪燕 閆炯程 劉玉田 等 基于深度學(xué)習(xí)的暫態(tài) 穩(wěn)定評估與嚴重度分級 J 電力自動化設(shè)備 2018 38 5 64 69 11 湯 偉 王京景 楊 鋮 等 基于支持向量機的大 電網(wǎng)運行風(fēng)險量化評估 J 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2017 40 4 487 491 責(zé)任編輯 楊啟岳 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工藝