216 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统初探.doc

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1、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

2、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kW[1,2]。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

3、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

4、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15℃～20℃左右，夏季供冷设计水温在10℃～12℃，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1℃～11℃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

5、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

6、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

7、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3PCM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

8、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