基于变频水泵的多级蓄热水箱应用于太阳能空调的试验研究

崔龙腾，金苏敏

（南京工业大学能源科学与工程学院，江苏南京 221800）

0 引言

随着社会的发展，新能源的使用必然成为一种发展趋势。太阳能作为一种总能量大、可再生无污染的洁净能源，受到了广泛的关注。在国际上，用于商业建筑中央空调所系统耗电能约占民用总耗电的50%[1]。在我国，建筑能耗占总能耗的25%[2]，这导致很高的用电成本。而将太阳能应用到空调系 统中必将会产生巨大的经济和环境效益。蓄热技术可以有效克服热量生产与热量使用在时间和空间上的不匹配问题，利用蓄热水箱对热量进行蓄调是一种经济可行的技术[3]。

蓄热水箱[4-6]在太阳能空调系统中一直是一个重要的研究领域。目前，有大量学者对蓄热水箱进行了研究[7-9]。张永信等[10]对有限容积的蓄热水箱的蓄热量最大化进行了研究，结果表明加入相变材料可以显著提高蓄热系统的储能密度，但也使系统的结构更复杂。有学者对蓄热水箱温度分层[11-13]进行了研究，并提出强化温度分层的方法[14-15]。但温度分层对水箱结构要求较高，并且达到良好温度分层耗费时间更长。王爱辉等[16-18]对分区蓄热进行了研究，表明减小运行水箱体积可以延长系统工作时间，但是会造成两区温差较大以及运行区的温度波动较大。

本文提出了一种采用变频水泵的多级蓄热水箱，它可以使运行水箱在短时间达到较高温度，并减小运行水箱的波动幅度，使夏季空调始终在较高的性能系数（COP）下运行。

1 多级蓄热水箱系统

1.1 多级蓄热水箱原理

多级蓄热水箱系统如图1所示，系统由1个体积较小的运行水箱和4个体积相等的蓄热水箱、变频水泵和集热器组成。运行水箱分别与集热器、蓄热水箱和用热设备（单效溴化锂制冷机）相连，通过阀门的开合来控制蓄热时不同级数水箱切换。运行水箱相对于蓄热水箱体积较小，太阳能集热器收集的热量开始先用于加热运行水箱，运行水箱内水温在较短时间内迅速升高达到用热负荷的温度要求，开始向溴冷机供热从而形成快速启动的效果。当系统启动后，在满足用热需求之后运行水箱多余的热量通过变频水泵逐级传递到蓄热水箱中。

图1 多级蓄热水箱系统

1.2 多级蓄热水箱系统特点

对于变频水泵的多级蓄热系统与以往常见蓄热系统相比，它具有以下特点：

1）水泵通常泵功率是依据负荷最大值的1.1～1.2倍选配，因此存在着很大的能量损耗，采用变频水泵可以节约能源，此处水泵相当于一个强力高效换热器，根据运行水箱温度来调节水泵换热强度大小，减少不必要的能量损耗；

2）使用大集热板以及在多级蓄热水箱设置运行水箱的设计结构，使得蓄热水箱快速达到用热需求并且使运行水箱长时间在高温下工作，这样在天气晴朗太阳辐照强的情况下可以不使用辅助热源，减少了辅助能源的消耗。

2 系统模型及参数设置

2.1 集热器模型

太阳能集热器是将太阳能转化成热能，从而为系统提供热量，是太阳能空调系统的主要部件。太阳能集热器的最佳方位为正南方，对于面向正南方的集热器，倾斜平面上的太阳直射辐射为：

式中：

ID——水平面上的太阳直射辐射，W/m2；

φ——当地的纬度，°；

β——集热器安装角，°；

δ——赤纬角，°；

ω——太阳天顶角，°。

倾斜平面上的太阳散射辐射可用下式算：

式中：

ISH——水平面上的太阳散射辐射，W/m2。

假设地面及建筑物的反射为各向同性，倾斜平面上的太阳反射为：

式中：

ρ——地面的反射率，%。

投射到集热器上的总辐射强度IZ为：

在热平衡条件下太阳能单位面积集热器的有效获热量计算公式为：

式中：

η——集热器的效率，%；

Ac——集热器的面积，m2。

本文中采用的平板集热器的效率采用式(6)。

式中：

T1——集热器流体工质的进口温度，℃；

Ta——室外气温，℃。

2.2 多级蓄热水箱模型

在系统的蓄热阶段，集热量大于用热量，多余的集热量被水泵输送到蓄热水箱中，此过程的数学描述为式(7)。

式中：

Qi——太阳能集热器的集热功率，W；

Qu——用热设备的用热功率，W；

Vj,k——第j级系统第k级水箱蓄热的热水体积，m3；

tj,k——第j级系统第k级水箱蓄热的热水温度，℃。

当太阳能辐射强度不再满足太阳能空调的用热需求时，蓄热水箱将蓄存的热量反向传递给运行水箱保证太阳能空调的正常工作，数学描述为：

2.3 分析模型

对于太阳能空调系统，地区的影响较为关键，此处选取南京地区，以7月份典型气候条件为分析，以家用小型太阳能空调考虑，此处选取普通居民住房为例，建筑面积为118 m2，对其进行冷负荷计算。为了分析方便，换算为单位面积的负荷值，采用真空管集热器时，集热面积为2 m2，可满足2.4 m2、440 W建筑面积的负荷，系统每天工作24 h，每日从早上8:00工作到次日早上8:00。夏季水温要求较高，热水温度不宜超过100 ℃，否则会导致水的沸腾。为了使溴冷机在夏季高效运行，将水温设定为95 ℃，蓄热水箱的总体积应为300 L，运行水箱的体积选择为10 L，单个蓄热水箱的体积为75 L。本文采用电加热器模拟，各个时段内的太阳能集热器的集热功率，各个时段内集热功率见表1。

表1 各个集热时段内模拟太阳能集热器集热功率

3 结果与讨论

3.1 不同循环水流量对蓄热影响

图2为在两种频率下水泵蓄热时运行水箱与蓄热水箱的工作温度逐时变化曲线。由图2看出，由于运行水箱体积较小，运行灵活，在9:00达到95 ℃时，达到了溴化锂制冷机的理想运行要求，此时开启水泵，打开第一级蓄热水箱的阀门，热量开始从运行水箱向蓄热水箱传递，此时进入第一级蓄热阶段。如图2(a)所示，当水泵频率为30 Hz，由于运行水箱与蓄热水箱之间温差和体积相差较大，运行水箱再将多余的热量传递给蓄热水箱，同时还额外向蓄热水箱释放了一部分显热，导致运行水箱温度剧烈下降，造成了运行水箱的温度波动，但波动幅度随着级数的增加越来越小。第四级蓄热水箱在下午18:00完成蓄热。

图2(b)中水泵流量为1.2 L/min，当水泵的流量增大，会引起第一级蓄热阶段温度波动次数的增加，这是因为在09:00—11:40期间，太阳辐射相对较小，增加流量导致运行水箱的温度下降更剧烈。单效溴化锂制冷机的COP在90 ℃以下运行状况很差，当运行水箱的温度低于90 ℃时关闭第一级蓄热水箱的阀门，停止蓄热直到运行水箱的温度上升到90 ℃，再次开启阀门进行蓄热，第四级蓄热水箱在17:00完成蓄热。水泵流量增大对第二级和第三级水箱蓄热完成时间影响较大，对第一级和第四级水箱蓄热完成时间影响不大；原因在于11:40—14:30期间，太阳辐射达到一天中的最大值，随着水泵流量的增加，太阳能集热器的热量被及时带到蓄热水箱中，使运行水箱与蓄热水箱之间混合换热更加充分。但随着流量增加，也增加了第一级水箱蓄热时运行水箱的波动次数。

图2 蓄热时不同水泵频率下各水箱温度逐时分布

3.2 不同水泵频率对放热的影响

水箱的体积越大，放出单位热量所受温度变化的影响也越小，所以在放热的过程中不采用分级放热的方式，而采用整体式放热。当最后一级水箱完成蓄热后，太阳辐照不再满足用热设备的需求，把各级水箱的阀门全部打开给运行水箱供热。

图3所示为水泵在不同循环水下工作时运行水箱与蓄热水箱之间的温度差值。由图3可知，运行水箱与蓄热水箱之间的温度差值先增加较快，然后增加趋势变缓慢，最终稳定在一定值。这是因为在放热开始阶段，太阳还有一定的辐照强度，随着时间的增加，辐照强度逐渐变为0，导致运行水箱与蓄热水箱之间的差值变大。此外，随着频率的增大，运行水箱与蓄热水箱之间温度差值减小，是因为随着循环水的流量增大，即时将蓄热水箱的热量输送给运行水箱。因此在放热时尽量采取大流量放热，以减小运行水箱和蓄热水箱的温差。

图3 放热时循环水流量下各水箱温度逐时分布

3.3 变频水泵对水箱温度分布的影响

循环水泵流量过大或过小会对运行水箱温度和蓄热时长产生不良影响，因此依据运行水箱的温度对变频水泵的频率做出调整，以控制运行水箱向蓄热水箱的热量传递。

图4为采用变频水泵之后各水箱的逐时温度。采用变频水泵之后运行水箱温度的波动幅度和次数都减小，整合了较大体积流量下蓄热水箱蓄热时间短和小体积流量下运行水箱温度波动次数少的优势，蓄热完成时间提前1 h，运行水箱的变化更加平稳。

3.4 对比分析

在多级蓄热水箱系统中，水泵是最主要的耗能设备，在实际工程应用中并不能简单地套用比例定律来对水泵的节能效果进行评估，根据文献[19]，水泵的功率和频率之间是三次函数关系式。

式中：

P1——水泵变频后的总功率，W；

Pe——水泵的工频功率，W；

fe——水泵的工频频率，Hz；

f1——水泵变频后的频率，Hz。

图5所示为一个典型设计日内，变频水泵和定速水泵的能耗对比。

图4 采用变频水泵后各水箱温度温度逐时分布

图5 变频水泵和定速水泵的能耗对比

对于影响单效溴化锂制冷机系统运行的重要参数就是再生温度，所以运行水箱温度的高低对于整个系统来说至关重要。图6为单效溴化锂制冷机在使用整体式水箱和多级水箱的逐时COP。选用单效吸收式制冷机模型，溴化锂制冷机的参数根据文献[20]设置，本文假设运行水箱的温度就是溴化锂制冷机的再生温度。从图中可以看出，采用整体式水箱单效溴化锂制冷机的COP在0.75～0.8之间的最佳持续时间为14.58 h，而采用变频水泵单效溴化锂制冷机的COP在0.75～0.8之间的持续时间为17.22 h，最佳工作时间提高了约18.1%。因此和整体式水箱相比，采用变频水泵的多级水箱可以使溴冷机在较高COP下平稳运行更长的时间。

图6 使用不同水箱模式制冷机COP

4 结论

1）多级蓄热水箱采用运行水箱设计可在太阳能辐射较弱的情况下使溴化锂制冷机快速在理想的温度运行，加快了制冷系统的启动时间，提高了供热的稳定性。

2）较小的体积流量会造成运行水箱与蓄热水箱之间热量传递不及时，蓄热完成时间增加，而较大流量会增加运行水箱温度波动次数。采用变频水泵之后，蓄热时运行水箱温度始终保持在92 ℃以上，温度波动的幅度与次数都减少，蓄热完成时间提前1 h，可以在太阳辐照充足的情况下不使用辅助热源。

3）与整体式水箱相比，采用变频水泵的多级蓄热水箱可以使溴化锂制冷机在最佳工作持续时间提高2.64 h，增幅约18.1%，使溴冷机在较高COP下平稳运行更长的时间。

4）通过使用变频水泵，蓄热阶段节能效果明显，相比于定速水泵通过阀门调节，能耗减少了10.88%。