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(jī)結(jié)合在一起。闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)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(dòng)態(tài)特性。并對(duì)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(duì)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(guó)電力需求增長(zhǎng)非常迅速，近年來的總裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，截至到2008年底全國(guó)發(fā)電裝機(jī)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(shí)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(guó)內(nèi)外蓄冷技術(shù)主要集中在對(duì)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(jī)組效率，本文采用相變溫度為6℃的有機(jī)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(shí)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(jī)結(jié)合、直接蒸發(fā)式蓄冷裝置的開發(fā)、簡(jiǎn)化集成系統(tǒng)與降低初投資

4、等多個(gè)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(shí)現(xiàn)夏季蓄冷，冬季取熱；而相變蓄能材料水之間的換熱實(shí)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(duì)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(jì)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(jì)水溫在10℃～12℃，所以選擇有機(jī)相變材料RT6，其融點(diǎn)溫度為9℃，凝固點(diǎn)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?yàn)殪蔴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(dòng)換熱主要經(jīng)歷兩個(gè)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(dòng)，故本文對(duì)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(diǎn)動(dòng)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(dòng)；兩相流在同一流動(dòng)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(dòng)能和勢(shì)能的影響；忽略管壁的軸向?qū)幔徊挥?jì)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(zhǎng)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(shí)刻PCM的溫度均為14℃，初期5分鐘，PCM整體溫度下降較快，這個(gè)階段是液相顯熱蓄冷階段。此時(shí)，PCM出口溫度高于入口2℃左右。10分鐘時(shí)，軸向前部已經(jīng)處于相變潛熱蓄冷區(qū)，而末端節(jié)點(diǎn)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(shí)，沿軸向個(gè)點(diǎn)均處于相變潛熱蓄冷區(qū)了，因此，幾乎沒有溫差。20分鐘時(shí)，軸向前段節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入固