太阳能相变蓄热双水箱热泵自控系统性能

曲世琳，杨利香，彭 莉，胡甲国

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

太阳能相变蓄热双水箱热泵自控系统性能

曲世琳，杨利香，彭 莉，胡甲国

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

针对太阳能热泵系统集热效率和COP不高的问题，提出了3种太阳能双水箱系统设计方案，基于其中一种方案设计了自控系统并搭建了实验台，研究了不同运行工况对系统集热效率和COP的影响．实验结果和理论分析表明：集热效率比COP更能反映系统运行效果．在合适的控制参数下，双水箱联合运行的集热效率与相变水箱单独运行情况基本相同，前者高效集热时间为上午8点到下午4点，后者集热时间集中在中午．与普通水箱单独运行相比，两者的集热效率由0.64增加到0.94以上，COP由2.32增大到5.00以上．

太阳能热泵；相变材料；双水箱；集热效率；能效比

太阳能是一种可再生清洁能源，但是作为一种间歇式能源，其辐射受到昼夜、季节以及雨雪天气等因素的影响，表现为间断性和不稳定性．解决这一问题的关键之一是采用可靠的、性能优良的储热材料．

太阳能系统按蓄热方式不同，可分为显热蓄热和相变蓄热．显热蓄热原理简单，多以水箱蓄热[1-2]，但有蓄能密度低和温度波动幅度大等缺点．以北京科技大学搭建的非直膨式太阳能热泵系统实验台[3]为例，该系统以水作为蓄热介质，笔者对该系统的集热工况进行分析发现，中午太阳辐射强度最大时，此时用户所需负荷较小造成水箱与集热器出口处温差降低到最低值，导致系统停止蓄热，使得太阳能热量不能被系统充分利用．

与显热蓄热相比，相变蓄热蓄能密度高、材料用量较小，且在蓄热和取热的过程中温度波动幅度小，所以很多研究者采用相变蓄热代替水箱蓄热．

Kaygusuz等[4-5]对相变储热材料CaCl2·6,H2O在太阳能热泵系统中的应用进行了一系列研究，发现系统在晚上有很好的供热性能．Badescu[6]建立了蓄热器与太阳能热泵系统相结合的数学模型．Yumrutas等[7]设计了带蓄能罐的太阳能热泵供热实验系统，研究了气候条件和某些运行参数对系统运行的影响．Kaygusuz[8]研究了与相变蓄热胶囊结合的住宅太阳能供热系统的性能．

我国对太阳能热泵的研究起步较晚，有关太阳能热泵蓄能技术的文献和报道均在十几年内．于国清等[9]根据我国的气候特点，提出了一种季节蓄热型太阳能热泵系统．Qi等[10]以CaCl2·6,H2O作为相变蓄热材料，以哈尔滨地区应用该系统的某别墅为例，对不同太阳能集热器面积和蓄热体积下的集热量、蓄热装置换热流体进出口温度、相变材料平均温度及蓄热装置散热损失进行了模拟与分析．

从国内外研究可以看出，单独使用水箱蓄热时集热效率不高．单独使用相变蓄热时，集热效率较高，但蓄热装置出口水温受相变温度限制，影响末端供热．如果使用双水箱系统就能结合两者的优点，既能提高系统集热效率，又能满足用户侧供热．笔者设计了双水箱蓄热系统，并结合实验数据分析了不同运行策略下系统的集热效率和能效比(coefficient of performance，COP)．

图1 各方案系统原理Fig.1 Schematic diagram of schemes

1 系统设计及实验台搭建

1.1 结构设计

根据相变蓄热水箱与普通水箱连接形式的不同，本文提供了3种设计方案，如图1所示．图1(a)为方案1，两水箱通过板式换热器与集热侧隔开，运行工况有3种：当集热量刚好满足供热要求时，集热器中的热水不经过水箱蓄热直接供热；当集热量大于供热量时，两水箱单独、串联或并联运行；夜间供热时，两水箱单独、串联或并联供热．图1(b)为方案2，普通水箱与集热放热侧同时连接，相变蓄热水箱连接在供热侧，运行工况有2种：集热时，普通水箱单独运行或普通水箱集热，同时与相变水箱串联运行；夜间供热时，两水箱单独或串联供热．图1(c)为方案3，两水箱并联接入系统，运行工况有2种：白天集热两水箱单独运行或一个集热另一个放热；夜间供热时，两水箱单独供热．

从运行工况可以看出，方案1运行方式比较灵活，可以实现单独、串联和并联运行，也可以实现不经过水箱直接供热，但两水箱必须同时集热(或供热)．方案2相变蓄热水箱必须通过与普通水箱连接才能实现集热．方案3集热供热互不干扰，自动控制时可以独立地对集热和供热侧进行控制．综合比较各方案系统特点，选择方案3作为最终实验方案．

1.2 系统模型

本文通过比较系统平均集热效率η和能效比COP这两个评价指标，选择合适的运行策略．相关的数学模型为

式中：Qc为集热器瞬时辐射量，W；Qw为普通水箱瞬时集热量，W；Qpcm为相变水箱瞬时集热量，W；Qso为末端瞬时放热量，W；η为系统平均集热效率；Iβ为太阳辐射强度，W/m2；Ac为集热器的有效集热面积，m2；t1为集热器出口温度，℃；t3为普通水箱内水温，℃；cm˙为集热器的质量流量，kg/s；t6为相变水箱内的水温，℃；sm˙为供暖泵P2的质量流量，kg/s；tsi为盘管供水温度，℃；tso为盘管回水温度，℃；W为系统全天耗电量，W；cp为水的比定压热容，J/(kg·℃)．

1.3 控制系统设计

由于两个水箱并联连接，集热和供热循环互不影响，可以分别控制，所以自动控制系统的设计分集热循环控制和供热循环控制两部分完成．控制方案流程如图2所示．

集热循环受集热器出口水温t1控制，系统控制流程如图2(a)所示．将t1分成3个温度区间：高温段、中温段和低温段．在高温段和低温段，普通水箱优先集热；在中温段，相变水箱优先集热．供热循环受普通水箱内水温t3和相变水箱内水温t6同时控制，系统控制流程如图2(b)所示．当t3较高时，普通水箱供暖；当t3较低无法直接供暖时，用相变水箱供暖；当t6较低时开热泵P3；当t6低于水箱最低温度时，若t3高于水温最低温度，用普通水箱加热泵供暖，若t3也过低则开启电加热H3．

图2 控制方案流程Fig.2 Control scheme flow chart

1.4 实验台搭建

笔者搭建了相变蓄热式太阳能双水箱-水源热泵系统．系统由太阳能集热器、普通水箱、相变水箱、热泵和末端盘管组成．集热器为10块H58/16-1800U型热管式集热器，共16.2,m2．蓄热水箱容积为1.42,m3，水源热泵空调机为EWS60A/H静音型．换热盘管的直径2,mm，相邻两管中心间距为150,mm，管子埋深30,mm．图3所示为实验设备．

图3 实验设备Fig.3 Laboratory equipment

图3(a)为相变水箱和普通水箱的连接方式，相变水箱长、宽、高为1,000,mm、800,mm、500,mm．图3(b)为自制相变蓄热单元在水箱中的排列方式，蓄热体为360个装有Na2,SO4·10,H2O的易拉罐，每个蓄热体间距为10,mm，共分3层排放，各层之间放置均流孔板，每层排列相同．图3(c)和(d)为太阳热水系统测试软件CA8控制器的控制界面，所有运行信息都在界面上显示并实时变化．系统可实现自动控制和手动控制，用户可对运行参数进行修改．

2 实验分析

2.1 实验工况

笔者进行了双水箱联合蓄热和单水箱蓄热的实验．双水箱联合蓄热时，为了比较不同集热控制方式对集热效率的影响，针对t1设定参数的不同进行了两种工况的实验．工况1的t1在45～60,℃之间，采用相变水箱优先蓄热，其他温度段采用普通水箱优先蓄热．工况2为t1在55～70,℃之间采用相变水箱优先蓄热，其他温度段相反，采用普通水箱优先蓄热．

2.2 实验结果及分析

为了比较不同运行工况下系统瞬时集热效果，分析了Qc与Qw、Qpcm之间的关系，三者随时间变化的曲线如图4所示．

图4 不同运行工况下的蓄热量和瞬时辐射量曲线Fig.4 Thermal storage and instantaneous radiation curve of different operation strategies

由图4(a)和(b)可见，两种工况集热效果差别不大，即只要保证中午相变水箱蓄热，其他时间普通水箱蓄热．由于t1从45,℃上升到55,℃是在短时间内完成的，笔者在调试过程中是逐渐从45,℃调节到55,℃的，发现调节过程对系统运行并无影响．最大值的设定是为了保证t1从最小值到最大值之间持续的时间为2,h左右(相变蓄热水箱的潜热蓄热时间)．这与天气状况有关，只能根据具体实验时的天气状况给出最大值的控制范围．具体参数范围是t1最小值在45～55,℃之间，同时最大值在60～70,℃之间时采用相变水箱集热；其他温度采用普通水箱集热，就可以使系统一直处于高效集热状态．

由图4(c)可以看出，相变水箱单独运行时，中午为潜热蓄热，其他时间段处于显热蓄热．前者集热效率高，蓄热量多．由图4(d)可知，普通水箱单独蓄热时，由于一直处于显热蓄热，集热时间越长水箱温度越高，集热温差越小，集热效率越低．

为了比较各工况运行效率，对全天辐射量、蓄热量进行分析，结果如表1所示．集热效率、供热量、耗电量及COP的汇总结果见表2．

表1 不同工况下集热效果比较Tab.1Collection performances comparison of different operation strategies

表2 不同工况下运行效果比较Tab.2 Results comparison of different operation strategies

由表2可知，单独使用普通水箱蓄热的系统集热效率为0.64．双水箱联合运行集热效率为0.94，相变水箱单独运行集热效率为0.96，后两者基本相同．

4种工况耗电量基本相同，均在26,MJ左右，即增加蓄热装置后系统耗电量并未增加太多．

在耗电量相同时，COP与集热效率和辐射量有关，若集热效率相同，全天辐射量增多，COP提高．如双水箱工况1和工况2，两者集热效率均为0.94，由表1可知工况1全天辐射量为209.80,MJ，工况2为295.30,MJ，由表2可知工况1的COP为6.18，工况2为10.03．同样，若全天辐射量相同，系统集热效率提高，COP也会提高．

3 结 论

(1) COP无法全面反映系统运行效果．系统耗电量相同时，COP受集热效率和全天辐射量双重的影响．集热效率只与运行工况有关．

(2) 单独使用相变水箱蓄热时，系统中午集热效率高，其他时间集热效率低，单独使用普通水箱蓄热时，系统中午之前集热效率高，中午过后集热效率下降．即系统只用一个水箱蓄热时只有一段时间能高效集热．用双水箱蓄热时，总有一个水箱温度较低，通过交替集热可以使系统一直处于高效集热状态．

(3) 给出了2月—3月之间典型天气下的双水箱联合运行工况下系统高效集热控制参数的范围．

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Zhou Enze，Dong Hua，Tu Aimin. Experimental study on the solar assisted heat pump source radiant floor heating system[J]. Fluid Machinery，2006，34(4)：57-62(in Chinese).

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Qu Shilin，Ma Fei，Ji Yubao，et al. Experiment system analysis of indirect expansion solar assisted water source heat pump radiant floor heating system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology：Natural Science，2010，34(1)：141-145(in Chinese).

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(责任编辑：金顺爱)

Performance of Solar Energy Automatic Control System Assisted Dual Water Tank with Phase Change Materials and Heat Pump

Qu Shilin，Yang Lixiang，Peng Li，Hu Jiaguo
(School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To solve the problem that the collection efficiency and COP of the solar energy system assisted heat pump is not high, three kinds of designs for solar energy system assisted dual water tank were proposed. Based on one design，automatic control system was designed and test bench was built. The effects of operation strategies on the collection efficiency and COP were investigated. The experimental results and theoretical analysis show that collection efficiency is better for reflecting the system efficiency than COP. With appropriate control parameters，the collection efficiency of joint work of dual water tank is basically the same as that of separate work of a water tank with phase change material. The former stores heat efficiently from 8∶00 am to 16∶00, while the latter does so almost at noon. Compared with the separate work of an ordinary water tank，the collection efficiency of the joint work of dual water tank is increased from 0.64 to above 0.94, and COP is increased from 2.32 to above 5.00.

solar assisted heat pump；phase change materials；dual water tank；collection efficiency；COP

TK513.5

A

0493-2137(2014)01-0042-05

10.11784/tdxbz 201205081

2012-05-30；

2012-07-07.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ06B06)；中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-12-060A)．

曲世琳（1978— ），女，博士，副教授.

曲世琳，q.shilin@163.com.