基于MATLAB改进的相变蓄热集热器在太阳能制冷系统中的性能分析

崔明辉，孟德志，夏昌浩，王 鑫，倪成名，刘 萌

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

基于MATLAB改进的相变蓄热集热器在太阳能制冷系统中的性能分析

崔明辉，孟德志，夏昌浩，王 鑫，倪成名，刘 萌

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

为提高太阳能制冷系统的性能参数，建立了集热蓄热一体化集热器模型，以进行应用计算。基于TRNSYS与MATLAB软件联合模拟运行的无辅助热源的太阳能吸收式制冷系统，分别对采用传统集热器的系统和采用改进后的相变蓄热集热器的系统的各部分参数的变化进行分析，对集热器的效率、系统制冷量和性能系数进行了对比。模拟结果表明，在太阳能吸收式制冷系统中，采用改进后的相变蓄热集热器，与传统的集热器相比，其集热效率提高约7.62%，系统制冷量增加约9.99%，系统的COP增加约23.60%。本模型能较好地应用于太阳能吸收式制冷系统的模拟。

太阳能；太阳能集热器；无辅助热源；相变蓄热；吸收式制冷；COP

随着吸收式制冷系统与太阳能匹配性的不断提升，太阳能空调系统的热源利用范围越来越广泛[1-4]。但太阳辐射具有不稳定性，维持末端机组高效、稳定工作一直是人们研究的热点问题[5-11]，系统的蓄热便是研究热点之一。蓄热可分为显热蓄热和潜热蓄热两种，显热蓄热一般采用蓄热水箱作为蓄热部件，潜热蓄热以相变蓄热箱为蓄热部件。

国内外诸多专家都对太阳能制冷系统做过不同的改进。何梓年等[12]对山东乳山市的一套太阳能空调进行了性能测试，指出热管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机结合的太阳能空调方案是成功的。董旭等[13]对太阳能潜热蓄热用于吸收式制冷进行了分析，指出太阳能固液潜热蓄热技术能够保证持续为吸收式制冷系统提供恒定温度，解决了以往太阳能空调系统热源的不稳定和间断性问题[14]。周兴法等[15]列举了6种太阳能吸收式制冷模型，其中弗劳恩霍夫研究所的太阳能制冷系统在7—8月份时机组的性能系数能达到0.6以上。

本文以集热器为研究对象，对无辅助热源的太阳能吸收式制冷系统进行模拟改进。

1 集热蓄热装置数学模型与部件的基本参数

本文选用的集热器为BTZ-2型热管式真空管集热器[16]，拦截系数为0.671，一阶损失系数为1.79，集热器面积为500 m2。热水循环泵额定流量为10 t/h。额定功率为1.1 kW。冷却水循环泵额定流量为40 t/h,额定功率为5.5 kW。冷冻水循环泵额定流量为17.5 t/h,额定功率为3 kW。冷却塔风机额定功率为1.5 kW。显热蓄热介质为水，水的比热容为4.19 kJ/(kg·K)，其中，显热蓄热装置为常压分层蓄热水箱。

相变材料为赤藻糖醇(Erythritol)，相变温度为118 ℃，固态比热容为1.15 kJ/(kg·K)，液态比热容为1.15 kJ/(kg·K)，相变潜热为339.8 kJ/kg。

1.1 BTZ-2型热管式真空管集热器

用MATLAB编译集热器模型代码。其中，水流量、太阳辐射强度、集热器进水温度、环境温度等变量通过TRNSYS计算收敛后输入到MATLAB，MATLAB经运算后输出集热器出口水温度、集热器侧循环水流量、集热器的效率、有用的能量增益的结果到TRNSYS。

在出水温度To<99 ℃时，集热器效率[16]见式(1)。

(1)

由于出水温度的大小与集热器的集热效率和集热器的进水温度有关，所以对于太阳能集热器的一阶模型，出水温度见式(2)。

(2)

式中：To为集热器出水温度；Gt为单位时间内单位面积上集热器受到的太阳辐射强度；Ti为集热器进水温度；Te为环境温度；η0为拦截系数；η1为一阶损失系数；A为集热器面积；mw为单位时间内水的质量流量；cw为水的比热容。

经计算后，如果To>99 ℃，出水温度To强制输出为99 ℃，集热器效率见式(3)。

(3)

1.2 蓄热水箱

蓄热水箱模型选用TRNSYS内部的TYPE4b，形式为两进两出，容积设置为10 m3，流体比热设置为4.19 kJ/(kg·K)，流体密度设置为1 000 kg/m3，热损失系数设置为-3 kJ/(m2·h)，水箱内不设置电加热，水箱内部分为6层，每层高度为0.4 m，初始温度从上到下依次设置为35,34,33,32,31,30 ℃，沸点设置为100 ℃，其连接方式见图1。

1.3 相变蓄热BTZ-2型热管式真空管集热器

当太阳能过剩时，传统BTZ-2型热管式真空管集热器通过集热联箱里面的介质将热量传递至保温水箱。受介质流速的限制，一方面由于介质温度的升高影响热管冷凝端向介质的传热速率；另一方面由于介质温度存在上限，达到气化温度继续吸收热量不仅不会升温，反而会产生气体，影响换热。当太阳能不足时，传统BTZ-2型热管式真空管集热器集热量会瞬间降低，甚至失去制备热水能力。与传统BTZ-2型热管式真空管集热器不同，相变蓄热BTZ-2型热管式真空管集热器具有非常强的蓄热、放热能力。太阳能过剩时，剩余热量会储存在相变材料里，因大部分能量以潜热方式储存。相变材料在相变蓄热过程中，传热速率不会因能量储存量的增大而减小，且相变材料气化温度高，当相变材料完全融化后，仍然可用显热的方式储存热量。当太阳能不足时，由于相变材料的放热，集热器仍然能制备热水。

在BTZ-2型热管式真空管集热器程序的基础上加入相变蓄热代码，集热器收集的太阳能首先传递给相变材料，当循环水流经集热器时能量再由相变材料传递给循环水。在出水温度小于99 ℃的传热过程中，假设每个时刻相变材料的终温与出水温度相同。太阳能不足，致使集热器的集热量为0时，通过MATLAB的IF函数，运行保温程序，潜热蓄热装置自动断开与集热器的传热，进入保温状态。相变材料的温度初值设置为环境温度，其中，相变材料选用赤藻糖醇(Erythritol)，质量为2 500 kg，相变蓄热箱的热损失系数εl为3 kJ/(m2·h)。

图1 相变蓄热BTZ-2型集热器程序工作流程图Fig.1 Program flow chart of latent thermal storage collector

相变蓄热BTZ-2型热管式真空管集热器程序工作流程图见图1。

定义相变材料处于相变温度且全部为固态时能量储存量为0，其中固态、液态、固液共存状态的能量储存量方程见式(4)—式(6)。

根据能量守恒方程，相变材料储能量方程见式(7)：

mwcw·(To-Ti)-εlS(To-Te)+Qlast。

(7)

式中：Q为相变材料的瞬时储能量(对应下个时刻相变材料的初始储能量)；Qlast为上个时刻相变材料的瞬时储能量；Tc为相变材料的相变温度；Te为环境温度；cs为相变材料的固态比热容；cl为相变材料的液态比热容；c为相变材料的相变潜热；S为相变蓄热箱与外界的接触面积；其他符号同上。

把式(4)代入式(7)，得到式(8)。如求得ToTc，再把式(5)代入式(7)得到式(9)，重新计算。如求得99 ℃>To>Tc，To即为所求；如果To

(8)

(9)

如求得To>99 ℃，则To强制输出为99 ℃，相变材料的瞬时储能量通过重新分配并校核迭代后求得。

为了保证赤藻糖醇不沸腾以及部件的使用寿命，设置相变材料温度不超过150 ℃。如计算后相变材料终温大于150 ℃，则相变材料温度强制输出150 ℃，相变材料瞬时储能量强制输出为

Q=mtc+mtcl(150-Tc) 。

(10)

相变蓄热集热器效率通式为

(11)

2 太阳能吸收式制冷系统模型

2.1 吸收式制冷机组运行概况

系统运行时间为每天8:30～18:30。溴化锂制冷机组额定制冷量为100 kW，额定性能系数为0.76。系统工作时，热水、冷却水、冷冻水流量为水泵额定流量。

利用远大X型非电空调选型设计手册[17]编辑单效热水制冷机组的外部文件，利用Meteonorm软件生成石家庄地区的气象参数外部文件。

末端负荷处，只对出水温度进行控制并设置出水温度为12 ℃。

机组冷冻水出水设点温度控制见式(12)。

(12)

式中：tpoint为冷冻水出水设点温度；tin为进入发生器的热水温度。

2.2 采用传统集热器集热的太阳能吸收式制冷系统

如图2所示，太阳能显热蓄热吸收式制冷系统采用的太阳能集热器模块为BTZ-2型热管式真空管集热器。通过TRNSYS的TYPE2b控制集热器与水箱间水泵，水箱温度与集热器温差大于10 ℃时热水循环泵1开启，直到温差小于2 ℃热水循环泵1关闭。当水箱负荷侧出水温度大于88 ℃时，系统其他部件开始运行，直到水温小于83 ℃时，除了热水循环泵1外，其他部件都为关闭状态。集热器内水温即将超过99 ℃时，水温强制输出为99 ℃。

图2 太阳能显热蓄热吸收式制冷系统Fig.2 Sensible heat heat storage of solar absorption refrigeration system

2.3 采用相变蓄热型集热器集热的太阳能吸收式制冷系统

如图3所示，太阳能潜热蓄热吸收式制冷系统采用的太阳能集热器模块为集热相变蓄热一体化真空管集热器，即相变蓄热BTZ-2型集热器。当集热器出水温度大于88 ℃时，系统其他部件开始运行，直到水温小于83 ℃时，除了热水循环泵1外，其他部件都为关闭状态。集热器内水温即将超过99 ℃时，水温强制输出为99 ℃。

3 数据分析

从图4可以看出太阳辐射强度具有不稳定性，石家庄地区6—8月内集热器每天接收的最大辐射强度为13 061 MJ，最小辐射强度为1 796 MJ。

从图5可以看出，在太阳辐射强度相同的情况下，在系统运行时间内，有82天潜热蓄热系统的制冷量大于显热蓄热系统的制冷量，占总运行时间的89.13%。太阳能不足时，制冷量随时间的降低有一定的延迟，太阳能充足时，制冷量随时间上升较快。

图3 太阳能潜热蓄热吸收式制冷系统Fig.3 Latent heat storage of solar absorption refrigeration system

图4 集热器接收的太阳辐射强度Fig.4 Amount of solar radiation collectors accepted

图5 不同蓄热方式下系统的制冷量Fig.5 Refrigerating capacity of the system under different heat storage manner

从图6可以看出，在太阳辐射强度相同的情况下，系统运行时间内，有73天潜热蓄热系统集热器效率大于显热蓄热系统集热器效率，占总运行时间的79.35%。

图6 不同蓄热方式下集热器的效率Fig.6 Collectors efficiency under different heat storage manner

从图7可以看出，在太阳辐射强度相同的情况下，在系统运行时间内，有91天潜热蓄热系统制冷机组的性能系数大于显热蓄热系统制冷机组的性能系数，占总运行时间的98.91%。

从图8可以看出，在系统运行第1天，由显热蓄热延迟导致的水泵运行能耗较低外，其余时间潜热蓄热系统能耗小于显热蓄热系统制冷机组的能耗。

表1为系统在6—8月份连续模拟运行3个月的结果。由表1可知，在无辅助热源太阳能制冷系统中，系统选用相变蓄热型集热器集热后，集热器效率比传统集热器提高约7.62%，系统的制冷量比采用传统集热器的系统提高约9.99%，制冷机组的性能系数略有提高，系统能耗略有降低，系统的COP增加约23.60%。

图7 不同蓄热方式下的制冷机组的性能系数Fig.7 Coefficient of performance of the refrigeration unit under different heat storage manner

图8 不同蓄热方式下制冷系统的能耗Fig.8 Energy consumption of the refrigeration unit under different heat storage manner

集热器的形式集热器接收的辐射总量/MJ制冷量/MJ集热器效率机组性能系数系统能耗/MJ系统COP传统集热器7560642542750．4460．760357067．12相变蓄热型集热器7560642796710．4800．768317898．80

4 结 语

在无辅助热源太阳能制冷系统中，选用相变蓄热型集热器集热后，制冷量随时间变化幅度变小，末端吸收式制冷机组的工作更加稳定。计算模拟表明，集热器与相变材料的一体化融合能够显著提高无辅助热源太阳能制冷系统中的各项参数的性能。系统体积变小，相变材料廉价易得，可减少系统初期投资和占地面积。因此，该研究为现有的太阳能制冷系统的改造提供了一个新思路。

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Performance analysis based on MATLAB improved phase change thermal storage collectors in solar refrigeration system

CUI Minghui, MENG Dezhi, XIA Changhao, WANG Xin, NI Chengming， LIU Meng

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang， Hebei 050018, China)

Based on TRNSYS and MATLAB, jointly run without auxiliary heat source solar absorption refrigeration system. Analyze the difference and the change of parts of the system parameters which use the phase change traditional collectors and improved regenerative collector. Comparing among the collector efficiency, refrigeration capacity and coefficient of performance. The simulation results show that comparing using the improved phase change thermal storage heat collector with using traditional in the solar absorption refrigeration system, the collection efficiency is about 7.62% higher, the system capacity increases nearly 9.99%, and the COP of the system increases nearly 23.60%.

solar; solar collector; no auxiliary heat source; phase change thermal storage; absorption refrigeration; COP

1008-1534(2017)01-0023-07

2016-08-14;

2016-11-08；责任编辑：冯 民

河北科技大学研究生创新资助项目(201502)

崔明辉(1962—)，男，河北献县人，教授，硕士，主要从事人工环境系统优化与新能源利用方面的研究。

E-mail:cuiminghui666@163.com

TK511+.3

A

10.7535/hbgykj.2017yx01005

崔明辉，孟德志，夏昌浩，等.基于MATLAB改进的相变蓄热集热器在太阳能制冷系统中的性能分析[J].河北工业科技,2017,34(1):23-29. CUI Minghui, MENG Dezhi, XIA Changhao, et al.Performance analysis based on MATLAB improved phase change thermal storage collectors in solar refrigeration system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(1):23-29.