太陽能熱泵熱水系統(tǒng)微細(xì)通道集熱板/蒸發(fā)器性能模擬

周偉，張小松

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096）

太陽能熱泵熱水系統(tǒng)微細(xì)通道集熱板/蒸發(fā)器性能模擬

周偉*，張小松

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096）

本文提出了一種采用微細(xì)通道的平板式集熱板/蒸發(fā)器，它可以從太陽和環(huán)境空氣二方面獲取熱量。其主要特點(diǎn)是采用樹形分支模型，由兩塊鋁板冷軋吹脹而成，減小了接觸熱阻，提高了集熱板的換熱系數(shù)。本文建立了該集熱板/蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了熱性能分析，深入研究了不同環(huán)境工況條件下該熱泵熱水系統(tǒng)的性能，包括系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）、集熱板集熱效率、加熱時間等運(yùn)行參數(shù)的變化特性。結(jié)果顯示，將150 L水從15℃加熱到50℃時，系統(tǒng)全年各月的平均COP為4.76，平均加熱時間為314 min，環(huán)境溫度的升高和太陽輻射強(qiáng)度的降低會使集熱效率顯著增加。

微細(xì)通道集熱板/蒸發(fā)器；太陽能熱泵；樹形分支模型；集熱效率

0　引言

我國是太陽能資源十分豐富的國家，年日照時數(shù)大于2,200 h，太陽年輻射總量高于5,016 MJ/m2的地區(qū)占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件[1-2]。但太陽能受天氣影響較大，能量密度低，單獨(dú)利用太陽能有一定的局限性[3]。空氣源熱泵系統(tǒng)是以空氣作為冷源或熱源的熱泵，利用空氣源熱泵，可將建筑的冷熱源合二為一，節(jié)約了成本，提高了設(shè)備使用率。但其缺點(diǎn)是冬季氣溫下降時，蒸發(fā)壓力隨之降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比容增大，制冷劑流量減少，因而制熱能力大幅度衰減[4-5]。將太陽能和熱泵兩者結(jié)合起來，既能達(dá)到節(jié)能減排又能保證全年全日連續(xù)供熱，是近年來中央熱水系統(tǒng)熱源設(shè)備發(fā)展的新方向[6]。

20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對太陽能熱泵系統(tǒng)投入了大量的研究[7-9]。90年代之后，國內(nèi)各高校先后對太陽能熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究，取得了一定的成果[8-10]。尚存存等[11]設(shè)計(jì)了一種直膨式多功能太陽能熱泵系統(tǒng)，將太陽能熱利用與空氣源熱泵相結(jié)合，綜合了太陽能熱利用與空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著提高；上海交通大學(xué)搭建的DX-SAHP樣機(jī)[12-13]，在春季工況下運(yùn)行時COP（Coefficient of Performance）的范圍在3.1～6.6之間，但是當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度低于250 W/m2時，該系統(tǒng)無法滿足熱水負(fù)荷；徐國英等[14]提出了一種太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵熱水器，該裝置通過一個螺旋翅片蒸發(fā)管的平板型集熱/蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同時或交替使用太陽能和空氣能；日本的ITO等[15]進(jìn)行了熱水實(shí)驗(yàn)，在冬季典型工況下其性能系數(shù)COP可達(dá)到5.3，但當(dāng)太陽能輻照強(qiáng)度隨時間逐漸減弱時，COP降至2.2，無法從根本上解決系統(tǒng)全天候穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

針對以上問題，本文將自主設(shè)計(jì)的集熱/蒸發(fā)器應(yīng)用到熱泵熱水系統(tǒng)中，并行交替地使用太陽能和空氣能，同時解決了太陽能間歇性、不連續(xù)性及空氣源熱泵COP偏低的問題；該系統(tǒng)中核心部件是微細(xì)通道集熱/蒸發(fā)器，它的熱性能及數(shù)學(xué)模型的建立在整個系統(tǒng)的模擬運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用。

1　系統(tǒng)原理及組成

如圖1所示，集熱板/蒸發(fā)器采用冷軋吹脹法加工而成，由上下兩塊鋁板構(gòu)成。制冷劑在管路網(wǎng)絡(luò)中流動，吸收太陽能和空氣的熱量蒸發(fā)后經(jīng)熱泵循環(huán)，將所吸收的熱量釋放給板式換熱器，后經(jīng)過儲液器和熱力膨脹閥回到集熱板/蒸發(fā)器完成一個熱力循環(huán)。圖2所示為集熱板的局部構(gòu)造，實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的集熱板/蒸發(fā)器為1,000 mm×2,000 mm，內(nèi)部管路是仿照樹形的分叉結(jié)構(gòu)，由支管和集管構(gòu)成，其中支管的管徑為3 mm，上集管的管徑為10 mm，下集管管徑為5 mm，支管間距為10 mm（如圖2）。壓縮機(jī)為封閉式壓縮機(jī)額定功率為245 W，排氣量為7.28 cm3/r，熱水箱容積為150 L。系統(tǒng)還包括熱力膨脹閥、儲液器等裝置。

圖1　太陽能熱泵熱水系統(tǒng)原理圖

圖2　集熱板/蒸發(fā)器局部構(gòu)造

該系統(tǒng)的核心是太陽能集熱板/蒸發(fā)器，當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)使得集熱板/蒸發(fā)器的溫度高于環(huán)境溫度時，系統(tǒng)以太陽能作為低位熱源；當(dāng)太陽輻射不足使得集熱板/蒸發(fā)器的溫度低于環(huán)境溫度時，系統(tǒng)同時以太陽能和空氣能為低位熱源；當(dāng)陰雨天或者在夜間時，由于沒有光照，系統(tǒng)以空氣為低位熱源從中吸取熱量。由于該集熱板/蒸發(fā)器采用了樹形分支模型而且由兩塊鋁板冷軋吹脹而成，使得接觸熱阻很小而肋化效率卻很高，從而提高了集熱板的換熱系數(shù)，使得系統(tǒng)能夠從環(huán)境中吸取足夠的熱量來制取生活熱水。該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)全年、全天候高效穩(wěn)定地制取生活熱水，而且由于采用冷軋吹脹的技術(shù)，降低了集熱板/蒸發(fā)器的制造成本，具有廣泛的使用價(jià)值。

2　集熱板/蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型

在多數(shù)情況下，制冷劑在集熱器整個區(qū)域中的流動時，存在霧狀流到泡狀流的不同流態(tài)[16-17]。因此，本文假定氣液兩相具有相同的流速，以此建立集熱板/蒸發(fā)器的兩相流數(shù)學(xué)模型，并作如下假設(shè)：

1）集熱板水平放置，忽略重力對制冷劑的影響，制冷劑作沿軸向的一維流動；

2）忽略制冷劑的軸向熱傳導(dǎo)和沿軸向的質(zhì)擴(kuò)散；

3） 制冷劑在管內(nèi)分布均勻，流動為均相流動；

4）認(rèn)為制冷劑氣液兩相在理想狀態(tài)下混合，具有相同的流速，不考慮相間的滑移。

基于如上假設(shè)，對每一基本計(jì)算微元建立模型如圖3所示。

圖3　集熱板/蒸發(fā)器微元模型

2.1太陽能集熱板/蒸發(fā)器吸熱方程

太陽能集熱板/蒸發(fā)器吸熱的公式如下：

式中：

Ae——集熱板上表面面積，m2；

F′——集熱板集熱效率因子，具體的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[18]；

S——集熱器吸收與發(fā)射輻射之差，W/m2；

ULC——集熱板的總熱損失系數(shù)，W/(m2·K)；

Trm——制冷劑平均溫度，K；

T0——環(huán)境溫度，K；

α——集熱板表面吸收率，取0.96；

IT——太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；

ε——集熱板表面輻射率；

σ——玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；

Tsky——有效天空溫度[19]，K；

uW——室外風(fēng)速，m/s；

εsky——天空發(fā)生率；

tdp——露點(diǎn)溫度，℃。

集熱板傾斜面所接受的太陽能總輻射計(jì)算公式：

式中：

It——水平面上的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；

Idh——水平面上的漫輻射強(qiáng)度，W/m2；

θt——太陽直射在傾斜面和水平面的投射角，°；

β——集熱板安裝傾角，°；

ρg——地面對太陽全輻射的反射率，取0.2。cosθt的計(jì)算公式如下：

式中：

θ——入射角，°；

δ——赤緯角，°；

ω——時角，°；

Φ——當(dāng)?shù)鼐暥?，南京地區(qū)為北緯32.04°；

ψ——集熱板表面傾斜角，°。

2.2制冷劑側(cè)換熱方程

制冷劑側(cè)的換熱方程式如下：

式中：

qm——制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s；

hr1,hr2——制冷劑進(jìn)出口焓值，kJ/kg；

аr——制冷劑側(cè)表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A——管內(nèi)表面積，m2；

Tw——管壁溫度，K；

Trm——制冷劑平均溫度，單位K；

Tr1,Tr2——制冷劑進(jìn)出口溫度。

其中，制冷劑側(cè)表面換熱系數(shù)如公式(9)：

式中：

λ1——液態(tài)制冷劑導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Gr——單位面積制冷劑質(zhì)量流量，kg/(s·m2)；

dcdi——銅管內(nèi)徑，m；

μl——液態(tài)制冷劑動力粘度系數(shù)，N·s/m2；

Cpr——制冷劑等壓比熱，J/(kg·K)。

2.3微元管內(nèi)外熱平衡方程

2.4微元管集熱面積

2.5集熱板/蒸發(fā)器集熱效率

3　集熱板數(shù)學(xué)模型的求解

基于上文建立的集熱板數(shù)學(xué)模型，本文開發(fā)了基于集熱板計(jì)算面積設(shè)計(jì)集熱板出口狀態(tài)的迭代算法，具體描述如下。

1） 輸入集熱板/蒸發(fā)器的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和已知條件，包括：制冷劑流量、集熱板入口制冷劑焓值等。

2） 假設(shè)集熱板的蒸發(fā)溫度，確定集熱板兩相區(qū)和過熱區(qū)制冷劑進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)，分別計(jì)算兩相區(qū)和過熱區(qū)每個微元的集熱面積，相加后得到集熱板的計(jì)算面積。

3） 比較集熱板的計(jì)算面積和真實(shí)面積，精度取0.02；如果計(jì)算面積大于真實(shí)面積，說明蒸發(fā)溫度偏高，應(yīng)該減小蒸發(fā)溫度，相反則增加蒸發(fā)溫度。重新調(diào)整蒸發(fā)溫度后轉(zhuǎn)向2）繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到收斂精度小于0.02，輸出結(jié)果。

4　模擬與分析

根據(jù)裸板太陽能集熱板/蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型和求解方法，基于直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，將集熱板模型與系統(tǒng)中其他部件的模型通過能量、質(zhì)量進(jìn)行耦合，用Microsoft Visual Studio 2010軟件編寫系統(tǒng)的仿真程序，模擬集熱板/蒸發(fā)器的集熱效率和它對系統(tǒng)整體運(yùn)行特性的影響，并研究集熱器結(jié)構(gòu)和氣象參數(shù)對集熱板/蒸發(fā)器性能的影響。

4.1集熱板/蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算條件

集熱板/蒸發(fā)器中管路直徑為3 mm，集熱板面積為1.0 m×2.0 m，厚度為4 mm，間距10 mm，上表面涂刷光譜選擇性吸收材料，光譜吸收率為0.9；在模型模擬中，將150 L水從8℃加熱到50℃，制冷劑工質(zhì)為R22，室外環(huán)境溫度為30℃，室外風(fēng)速為2.8 m/s，并假設(shè)熱泵熱水系統(tǒng)集熱器出口過熱度10℃，冷凝水箱出口過冷度5℃。

4.2模擬結(jié)果及分析

對微細(xì)通道集熱板/蒸發(fā)器進(jìn)行模擬計(jì)算，依次分析集熱板/蒸發(fā)器的熱性能，部分模擬計(jì)算結(jié)果見圖4～圖7，在計(jì)算中只改變計(jì)算工況某一參數(shù)的值，其余參數(shù)保持不變。

圖4給出了在環(huán)境溫度ta=10℃和ta=30℃時，集熱效率η隨太陽輻射強(qiáng)度It的變化關(guān)系。ta=10℃時，平均集熱效率為1.13；ta=30℃時，平均集熱效率為1.67。由圖可知，η隨環(huán)境溫度的增加而增加，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而不斷減小。這是由于隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加與環(huán)境溫度的降低，集熱板/蒸發(fā)器與環(huán)境之間的溫差增加，其向周圍空氣的散熱量增加，因此集熱板效率η降低；而η大于1則是由于集熱板溫度低于環(huán)境溫度，集熱板除了吸收太陽能還從空氣中吸收了一部分能量所致。

圖4　集熱效率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化

圖5給出了在太陽輻射強(qiáng)度It=500 W/m2時，集熱效率η隨環(huán)境溫度ta之間的變化關(guān)系。由圖可知，集熱效率η隨環(huán)境溫度增加而不斷增加。這是由于太陽能集熱板與環(huán)境之間存在著熱量交換，剛開始時，集熱板的溫度低于環(huán)境溫度，集熱板從空氣中吸收熱量，隨著環(huán)境溫度的不斷增加，集熱板吸收的熱量也不斷增加，從而使得η增加；如果板溫高于環(huán)境溫度，則集熱板向空氣中散熱，環(huán)境溫度越高則散熱量越小，因此η越大。從圖中可以看出，在太陽輻射強(qiáng)度It=500 W/m2，ta=5℃時，η開始大于1。由此證明，本文所設(shè)計(jì)的太陽能集熱板/蒸發(fā)器具有較高的集熱性能。

圖5　集熱效率隨環(huán)境溫度的變化

圖6給出了南京市典型夏季工況下（ta=30℃），太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的COP及加熱時間隨太陽輻射強(qiáng)度It的變化關(guān)系。由圖中可以看出，隨著太陽輻射強(qiáng)度It的不斷增加，COP不斷增加，而加熱時間不斷減小。這是因?yàn)殡S著輻射強(qiáng)度的增加，集熱板的蒸發(fā)溫度隨之上升，制冷劑相變過程吸收的單位質(zhì)量熱量也就增大，系統(tǒng)的性能系數(shù)COP隨之增大，因此加熱的時間不斷降低。從圖中還可以看出，系統(tǒng)在典型夏季工況下的COP范圍在5.0～8.0，可見系統(tǒng)是以高效、節(jié)能的方式運(yùn)行的。

圖6　COP和加熱時間隨太陽輻射強(qiáng)度的變化

為了研究系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性，以南京氣象資料為例，模擬出系統(tǒng)將水從8℃加熱到50℃時全年逐月平均運(yùn)行參數(shù)（COP、加熱時間），如圖7。系統(tǒng)的全年各月COP在3.9～5.9，平均值為4.8；全年各月加熱時間為251 min～392 min，平均值為314 min。

圖7　系統(tǒng)全年各月平均運(yùn)行參數(shù)

5　結(jié)論

本文基于太陽能集熱板/蒸發(fā)器存在制冷劑壓降的基礎(chǔ)上建立了太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文編制了系統(tǒng)性能的模擬計(jì)算程序，分析了南京市各氣象參數(shù)對太陽能集熱板/蒸發(fā)器集熱效率以及系統(tǒng)性能系數(shù)COP和加熱時間的影響。初步模擬結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的增加，太陽能集熱板/蒸發(fā)器的集熱效率有顯著增加；而隨著太陽能輻射強(qiáng)度It的增加，集熱效率卻不斷下降，但系統(tǒng)的COP會有顯著增加，加熱時間也會不斷減少；通過對系統(tǒng)全年運(yùn)行性能的模擬分析顯示，系統(tǒng)全年各月的平均COP為4.76，平均加熱時間為314 min。

今后將進(jìn)一步研究綜合考慮各參數(shù)對熱性能的影響情況，優(yōu)化太陽能集熱板/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行控制，使得太陽能熱泵熱水系統(tǒng)能夠在最優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行。

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Performance Simulation of Microchannel Collector/Evaporator for Solar Heat Pump Water Heater

ZHOU Wei*,ZHANG Xiao-song
(School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China)

In this paper a new flat-plate collector/evaporator was presented by using microchannel to gain heat from both solar radiation and ambient air. Its main characteristic was using the model of tree branch. The collector/evaporator was made of two pieces of aluminium plates by using the method of cold-rolled huff,which could reduce the contact thermal resistance and improve the heat transfer efficiency of the collector. A simulation model of the collector/evaporator was developed and its thermal performance was analyzed. The performances of heat pump hot water system were evaluated experimentally under different ambients,including heat pump coefficient of performance (COP),heat collecting efficiency and heating time of hot water,etc. The results showed that heating 150 L water with the heat pump from 15℃ to 50℃,the COP of the whole year was 4.76,and the heating time was 314 min all year around. Meanwhile the heat collecting efficiency increased evidently with the ambient temperature increasing and solar radiation intensity decreasing.

Microchannel collector/evaporator； Solar heat pump； Model of tree branch； Heat collecting efficiency

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.102

*周偉（1991-），男，碩士。研究方向：太陽能利用與建筑節(jié)能。聯(lián)系地址：江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號，郵編：200096。

聯(lián)系電話：15105177377。E-mail：seuzhous@163.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51376044），國家科技支撐計(jì)劃（No.2011BAJ03B14）。