相变蓄能太阳能热泵系统的蓄热特性研究.pdf

瑓瑤 收稿日期 2018 11 11 作者简介 韩 玮 1994 男 内蒙古呼和浩特人 硕士研究生 主要从事制冷设备测试方面的研究 通讯作者 王芳 wang1996930 163 com 相变蓄能太阳能热泵系统的蓄热特性研究 韩 玮 王 芳 花 王 王子龙 陈夏辉 李叔蔚 张 楠 上海理工大学 能源与动力工程学院 上海 200093 摘 要 将太阳能光热技术 空气源热泵技术以及相变蓄能技术加以整合 研制一套复合型热水制取系统 为建 筑热水供给的节能降耗提出一种思路 完成系统的设计及搭建 并在不同控制逻辑下对系统性能进行测试 着 重分析相变蓄热材料对蓄热水箱的蓄热特性影响 研究发现布置有相变蓄能材料的蓄热水箱相较无相变蓄能 材料的蓄热水箱其持续出热水的时间增加 出热水率提升 温度分层更好 性能得到提升 除此之外 数据显示 对流量的控制亦是优化该系统蓄热特性的关键因素 关键词 相变蓄能 空气源热泵 太阳能 热性能分析 中图分类号 TK513 TK02 文献标识码 A 文章编号 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 per 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 perance 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 peran ce analysis 0 引 言 随着我国民用建筑及公共建筑的增加 热水 供给能源的消费额度逐年变大 调查显示 建筑能 源消费在中国能源消费总计中占比 30 左右 建 筑能源消费中的热水供给能耗就高达 20 1 太阳能热泵复合系统是近些年制热技术的研究热 门 2 6 该系统将热泵技术和太阳能光热技术结 合 在建筑能源消费方面能综合两者优势有效打 破各自的局限和缺陷 除此之外 蓄能技术在弥 补太阳能及空气源能利用的不足上有很大的作 用 CABEZA 等 7 提出 通过蓄能技术的利用可 以有效解决热能供需不平衡的现象 闫彦涛 等 8 对太阳能相变蓄热装置进行了研究 将白 天吸收并储存的太阳能充分利用于夜间的温室 内 通过试验可得 天气晴好状况下 夜间温室 内至少提升 2 5 王建辉等 9 运用高温熔融 盐以及石蜡两种相变材料进行蓄能供热 增加 了供热时间 提高了效率 本文中利用太阳能 热泵技术及相变蓄能技术 搭建了一套蓄能型 太阳能空气源热泵热水系统 根据上海地区气 候特点对其进行测试与分析 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 新能源及工艺 DOI 10 16189 ki nygc 2019 06 010 2019 年 第 6 期 瑓瑥 1 系统设计与工作原理 该蓄热型太阳能热泵热水系统拟为上海地 区某小型办公楼或独栋别墅提供日常所需热 水 设计日用水额度 1 t 系统采用非直膨式太 阳能空气源热泵系统结构 其原理如图 1 所示 该系统主要由三个模块组成 太阳能集热模块 和空气源热泵模块 如图 2 所示 以及蓄热水 箱模块 如图 3 所示 三个模块设备型号参数 汇总于表 1 图 1 太阳能热泵热水系统原理示意 图 2 真空管集热器及空气源热泵 图 3 蓄热水箱 表 1 主要设备参数 名称 型号规格 空气源热泵机组 额定制热量 19 kW 功率 4 25 kW 真空管集热器 58 mm 1800 mm 共 84 根 平板集热器 2000 mm 1000 mm 80 mm 共 15 块 蓄热水箱 1573 mm 900 mm 容积 1 m 3 系统有三种加热运行模式 具体流程如图 4 所示 1 太阳能模块独立运行模式 控制逻辑 为电磁阀 1 3 6 和 9 开启 其余电磁阀关闭 调节 阀 D1 由温控器控制 在蓄热水箱未到预设温度 时关闭 真空管集热器工作 或电磁阀 2 3 6 和 9 开启 其余电磁阀关闭 平板集热器工作 水在 系统内循环加热直至蓄热水箱达到预设温度 2 热泵模块独立运行模式 控制逻辑为电磁阀 4 7 8 和 9 开启 其余电磁阀关闭 水在系统内循 环加热至预设温度 3 太阳能模块协同热泵模 块联合运行模式 电磁阀 1 2 3 5 7 8 和 9 开 启 冷水由蓄热水箱先经太阳能模块预热后再由 热泵模块加热 当热水经过不同循环至预设温度 后 进入释能模式 此时电磁阀 12 和 13 开启 其 余电磁阀关闭 调节阀 D1 和 D2 均通 b c 两路 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 新能源及工艺 瑓瑦 市政用水进入系统与蓄热水箱进行预混合通入恒 温水箱以供使用 图 4 不同运行模式流程 蓄热水箱包括水蓄热和相变蓄热两个蓄热模 块 选用的相变蓄热材料 PCM 为复合有机相变 材料 其热物性参数见表 2 排布方式如图 5 所示 目前国内市场中封装技术较成熟的方法是将蓄热 材料利用胶囊封装起来 故本文中利用这项技术将 蓄能材料封装包裹为近似球状 共 43 个平铺于距 离蓄热水箱底三分之一处的有孔搁架上 表 2 相变蓄能材料热物性参数 潜热 kJ kg 1 比热容 kJ kg K 1 导热系数 W m K 1 相变温 度 密度 kg m 3 164 5 2 719 0 8 48 52 1520 图 5 PCM 布置形式 2 系统热评价指标 2 1 热泵及太阳能集热器评价指标 热泵模块主要评价指标为热泵效率 COP 本系统空气源热泵 COP 为 COP Q k W 1 式中 Q k 为热泵制热量 W 为热泵耗电量 集热器是太阳能模块的心脏 其性能高低决 定了热水系统的优劣 可以用瞬时效率作为其评 价指标 其瞬时效率可表述为 10 0 UT 0 U t a t e G 2 式中 0 为瞬时效率截距 反映集热器零散热下 吸热效率 U 为总热损失系数 反映集热器对环境 空气的平均换热系数 W m 2 T 为归一化 温差 m 2 W t a 为集热器工质入口温 度 t e 为环境温度 G 为太阳辐照度 W m 2 由式 2 可知 集热器选型确定时 0 U 确 定 其瞬时效率同 T 成线性关系 2 2 蓄热水箱评价指标 蓄热水箱模块是本次试验的重点 其主要评 价指标为水箱出热水率以及斜温层厚度 水箱中 的水在试验的释能阶段通入冷水混合排出 通过 测点记录其出口及内部温度变化 本课题为一实际工程项目 与使用者的体验 紧密相连 所以应关注蓄能水箱连续放出超过 45 热水的量 定义其出热水率为有效使用热 水体积 V u 与水箱总体积 V tank 之比 11 V V u V tank 3 蓄热水箱释热过程里由于冷水与热水在密度 方面有差异 会形成上热下凉的状态 居于中部范 围温度变化的区域为斜温层 12 实际应用中 斜 温层愈薄 其范围内温度的变化愈大 分层情况愈 好 反之则水的掺混效果愈大 分层愈差 其三种 不同温度分层的水箱具体示意见图 6 a 为高度 分层状态 b 为适度分层 c 完全混合 无分层 现象 图 6 水箱斜温层 3 运行结果及数据分析 选取上海春季典型气候日进行试验 以三种 运行模式研究各模块及系统整体性能 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 新能源及工艺 2019 年 第 6 期 瑓瑧 3 1 太阳能模块及热泵模块运行 根据实际工程情况 太阳能模块选取真空管 集热器进行试验 测试真空管集热器单日集热 效率 选择某多云日为测试日 系统通入市政 用水 循环水量维持在 19 L min 实验时间从 辐照度最高的 12 40 开始持续到 16 05 记录当 日太阳辐照度变化曲线如图 7 所示 测试环境 温度维持在 22 左右 图 8 的集热效率曲线由 公式 2 得到 可以看出和当日太阳能辐照度的 变化趋势一致 最高值可达 0 61 之后逐渐降 低 图 7 太阳能辐照度 图 8 集热器集热效率 在天气状况恶劣 如下雨 阴天 夜晚等 且温度不高的状况 可单独利用热泵模块提供 热水 选择某阴天作为测试日 将热泵模块与 蓄能水箱模块循环开启 循环水泵流量为 26 5 L min 经循环加热后 热泵进出口温度 如图 9 所示 图 9 热泵进出口温度 由图 9 可知热泵换热温差基本恒定在 8 左 右 出口最高温度可达 61 7 大约 155 min 后 蓄热水箱达到预设温度 55 太阳能模块及热泵模块联合运行时 先利用 太阳能模块将水箱温度提升 继而热泵模块接替 运行将蓄能水箱储满热水 首先依据用户使用习 惯 将太阳能模块储满水并闷晒 2 h 循环启动把 蓄能水箱热水预热至 30 总耗时 31 5 min 然 后关闭太阳能模块启动热泵模块 将蓄热水箱加 热至 55 最终得到热泵模块单独运行及太阳能 和热泵模块联合运行时热泵的制热量和 COP 随 时间变化趋势如图 10 所示 由图 10 可知 初始阶段由于机组工作状态还 未稳定 制热量和 COP 变幅较大 之后制热量随冷 凝温度的提升而降低 导致其 COP 逐渐降低 单 独运行时根据制热量随时间积分可以求得其总制 热量为 25 6 kWh 已知其总耗功为 8 6 kWh 求得 其平均 COP 为 2 98 联合运行时热泵总制热量 19 08 kWh 已知其总耗功为 6 57 kWh 求得其平 均 COP 为 2 9 热泵模块将水箱内所有水从 30 加热至 56 5 总计耗时 141 3 min 其 COP 相较于 热泵模块单独工作略有降低 但将水箱内水从 18 加热至 55 其用电时间减少了 17 min 耗电 量减少了 2 03 kWh 3 2 蓄热水箱模块运行 蓄热水箱中添加 PCM 并在水箱内部每隔 0 15 m设置温度测点并编号 共 10 层 由上至 下分别为第 1 层到第 10 层 通入市政进水将水 箱中的水补满 然后开启热泵对蓄热水箱中的 水进行加热 当水箱温度到达设定温度 55 关闭热泵并打开水箱的冷水进口 将 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 新能源及工艺 瑓瑨 图 10 热泵制热量及 COP 变化曲线 政水作为水箱的补水 补水流量为 10 L min 开 始对水箱的释热特性实验 直到水箱的出口温 度与进口温度相同时作为放热完成的时刻 期 间每隔 5 min 对水箱的进出口温度作记录 并 在相同试验条件下对无 PCM 蓄热水箱及补水流 量为 13 4 L min 的有 PCM 蓄热水箱进行测试 同原试验进行对比 蓄热水箱内部温度变化曲 线如图 11 所示 由图 11 可知 无 PCM 水箱对比 同流量下有 PCM 水箱其持续出热水的时间有所 降低 有 PCM 水箱在相变材料所处层附近会有明 显的放热现象产生 释放热量的同时也会加速该 段时间附近温度掺混状态 但总体来讲其性能方 面相比无 PCM 水箱有所提升 大流量工况下有 PCM 水箱性能状态最差 持续出热水时间明显缩 短到 70 min 内 掺混效果好 可见除了添加蓄能 材料来优化机组性能外 对于流量的控制也要进 一步优化 图 11 蓄热水箱内部温度变化曲线 工程应用中 用户最关心的是能不能有持续 的热水供给 所以出热水率是实际应用中最重要 的一项指标 根据国家标准 将此项指标规定为连 续不断产出高于 45 热水的量 由公式 3 可计 算得到三种不同工况出热水率如图 12 所示 根据 释能过程中各层温度变化可知 各工况出热水率都 达到 80 以上 PCM 的添加对于热水的供给有很 大的帮助 同为小流量工况下 有 PCM 水箱相较无 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 新能源及工艺 2019 年 第 6 期 瑓瑩 PCM 水箱其出热水率提升可以达到 8 33 但大 流量状态下其释能阶段温度分层差 出热水率也 有大幅度降低 图 12 出热水率 斜温层这一指标反映了水箱释热过程分层效 果的优劣 理论层面讲 分层状态优秀的水箱可 以产出多于掺混效果好的水箱的热水量 根据 三种工况全过程中温度曲线分布 可以得到其 斜温层分布状况如图 13 所示 从各个时间温 度等高图可以看出其斜温层分布状态 总体来 讲小流量有 PCM 水箱释热过程中的斜温层最 小 大流量状况时其斜温层分布状态较大 从 图 13 a 可以看出无 PCM 水箱中斜温层逐渐增 大 可知箱内温度分层状态逐渐变差 水会逐渐 掺混严重 而观察图 13 b 可知 小流量有 PCM 水箱除了在 PCM 蓄能前后有一段时间斜温层加 厚掺混严重 其余时间温度分层良好 利于用户 连续地使用热水 而图 13 c 中大流量相变蓄能 水箱掺混较前两者严重 降低了用户热水利用 率 对于系统性能是不利的 4 结 论 1 真空管集热器瞬时效率同太阳辐照度成正 比 集热器出口温度与太阳辐照度变化趋势一致 2 与热泵单独运行相比 太阳能热泵联合运 行时热泵 COP 略有降低 但将水箱内水从 18 加 热至 55 其用电时间减少 17 min 耗电量减少 了 2 03 kWh 3 同样的初始条件下 10 L min 流量下有 PCM 蓄热水箱相较无 PCM 蓄热水箱的其持续出 热水的时间提高约 10 出热水率提升可以达到 8 33 温度分层更好 总体来讲其性能方面相比 图 13 蓄热水箱斜温层分布 无 PCM 蓄热水箱带来提升 4 同样的初始条件下 有 PCM 蓄热水箱在 10 L min 和 13 4 L min 两种流量下差异明显 由 于后者掺混效果好 其出热水时间相较前者减少 30 min 温度分层效果差 出热水率减小 11 7 参考文献 1 孙 炜 曹小林 太阳能与空气源热泵热水系统的优化 研究 J 建筑热能通风空调 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 新能源及工艺 瑔瑠 2 杨灵艳 姚 杨 姜益强 等 太阳能热泵蓄能技术 研究进展 J 流体机械 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 ance 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 太阳能光热空气源热泵制 热技术研究综述 J 太原理工大学学报 2017 48 3 443 452 6 黄紫祺 徐国英 张小松 太阳能空气源复合多功能 热泵系统的试验研究 J 流体机械 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 闫彦涛 邹志荣 李 凯 太阳能相变蓄热系统在温 室加温中的应用 J 中国农业大学学报 2016 21 5 139 146 9 王建辉 刘自强 梁迎凯 等 高温相变蓄热换热器 研究 J 河北省科学院学报 2017 4 54 59 10 王莉芸 徐 斌 不同气候条件下各类集热器效率 分析 J 给水排水 2011 37 12 74 77 11 HEGAZY A A Effect of inlet design on the per 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 s to determine stratification efficien cy of thermal energy storage processes review and the oretical comparison J Solar Energy 2009 83 10 1847 1860 责任编辑 丁丽霞 上接第 47 页 未来情景有较大差别 通过对比两计划的总评估 值的得到计划 2 的效果优于计划 1 量化评估过 程中 为了得到安全评估的相关系数 采用了多 层循环神经网络的模型结构进行参数训练 同 时采用支持向量机方法对经济性和安全性评估 的结果进行了分级 另外需要指出 为了使得算法的运行更加准 确可靠 该算法需要进行更多的现场试验 尤其在 提高算法的运行速度方面 希望从事此领域研究 的专业人员能进行更多深入研究 参考文献 1 谢 昶 电网检修计划优化编制方法研究及应用 D 北京 华北电力大学 2013 2 刘伟桓 配网检修停电时间模型及在可靠性评估中 的应用 D 重庆 重庆大学 2013 3 郭少坤 停电计划安全风险评估的研究 D 北京 华北电力大学 2014 4 刘 洪 朱振环 马 康 等 基于情景分析的配电 网运行风险预警方法 J 电力系统及其自动化学 报 2015 27 5 39 44 5 朱乔木 陈金富 李弘毅 等 基于堆叠自动编码器 的电力系统暂态稳定评估 J 中国电机工程学报 2018 38 10 2937 2946 6 朱乔木 党 杰 陈金富 等 基于深度置信网络的 电力系统暂态稳定评估方法 J 中国电机工程学 报 2018 38 3 735 743 7 胡 伟 郑 乐 闵 勇 等 基于深度学习的电力 系统故障后暂态稳定评估研究 J 电网技术 2017 41 10 3140 3146 8 周 悦 谭本东 李 淼 等 基于深度学习的电力 系统暂态稳定评估方法 J 电力建设 2018 39 2 103 108 9 侯金秀 基于电压相量和深度学习的电力系统暂态稳 定快速评估 D 北京 中国电力科学研究院 2017 10 尹雪燕 闫炯程 刘玉田 等 基于深度学习的暂态 稳定评估与严重度分级 J 电力自动化设备 2018 38 5 64 69 11 汤 伟 王京景 杨 铖 等 基于支持向量机的大 电网运行风险量化评估 J 合肥工业大学学报 2017 40 4 487 491 责任编辑 杨启岳 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 新能源及工艺