基于MATLAB改進的相變蓄熱集熱器在太陽能制冷系統(tǒng)中的性能分析

崔明輝，孟德志，夏昌浩，王 鑫，倪成名，劉 萌

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

基于MATLAB改進的相變蓄熱集熱器在太陽能制冷系統(tǒng)中的性能分析

崔明輝，孟德志，夏昌浩，王 鑫，倪成名，劉 萌

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

為提高太陽能制冷系統(tǒng)的性能參數，建立了集熱蓄熱一體化集熱器模型，以進行應用計算。基于TRNSYS與MATLAB軟件聯合模擬運行的無輔助熱源的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，分別對采用傳統(tǒng)集熱器的系統(tǒng)和采用改進后的相變蓄熱集熱器的系統(tǒng)的各部分參數的變化進行分析，對集熱器的效率、系統(tǒng)制冷量和性能系數進行了對比。模擬結果表明，在太陽能吸收式制冷系統(tǒng)中，采用改進后的相變蓄熱集熱器，與傳統(tǒng)的集熱器相比，其集熱效率提高約7.62%，系統(tǒng)制冷量增加約9.99%，系統(tǒng)的COP增加約23.60%。本模型能較好地應用于太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的模擬。

太陽能；太陽能集熱器；無輔助熱源；相變蓄熱；吸收式制冷；COP

隨著吸收式制冷系統(tǒng)與太陽能匹配性的不斷提升，太陽能空調系統(tǒng)的熱源利用范圍越來越廣泛[1-4]。但太陽輻射具有不穩(wěn)定性，維持末端機組高效、穩(wěn)定工作一直是人們研究的熱點問題[5-11]，系統(tǒng)的蓄熱便是研究熱點之一。蓄熱可分為顯熱蓄熱和潛熱蓄熱兩種，顯熱蓄熱一般采用蓄熱水箱作為蓄熱部件，潛熱蓄熱以相變蓄熱箱為蓄熱部件。

國內外諸多專家都對太陽能制冷系統(tǒng)做過不同的改進。何梓年等[12]對山東乳山市的一套太陽能空調進行了性能測試，指出熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機結合的太陽能空調方案是成功的。董旭等[13]對太陽能潛熱蓄熱用于吸收式制冷進行了分析，指出太陽能固液潛熱蓄熱技術能夠保證持續(xù)為吸收式制冷系統(tǒng)提供恒定溫度，解決了以往太陽能空調系統(tǒng)熱源的不穩(wěn)定和間斷性問題[14]。周興法等[15]列舉了6種太陽能吸收式制冷模型，其中弗勞恩霍夫研究所的太陽能制冷系統(tǒng)在7—8月份時機組的性能系數能達到0.6以上。

本文以集熱器為研究對象，對無輔助熱源的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)進行模擬改進。

1 集熱蓄熱裝置數學模型與部件的基本參數

本文選用的集熱器為BTZ-2型熱管式真空管集熱器[16]，攔截系數為0.671，一階損失系數為1.79，集熱器面積為500 m2。熱水循環(huán)泵額定流量為10 t/h。額定功率為1.1 kW。冷卻水循環(huán)泵額定流量為40 t/h,額定功率為5.5 kW。冷凍水循環(huán)泵額定流量為17.5 t/h,額定功率為3 kW。冷卻塔風機額定功率為1.5 kW。顯熱蓄熱介質為水，水的比熱容為4.19 kJ/(kg·K)，其中，顯熱蓄熱裝置為常壓分層蓄熱水箱。

相變材料為赤藻糖醇(Erythritol)，相變溫度為118 ℃，固態(tài)比熱容為1.15 kJ/(kg·K)，液態(tài)比熱容為1.15 kJ/(kg·K)，相變潛熱為339.8 kJ/kg。

1.1 BTZ-2型熱管式真空管集熱器

用MATLAB編譯集熱器模型代碼。其中，水流量、太陽輻射強度、集熱器進水溫度、環(huán)境溫度等變量通過TRNSYS計算收斂后輸入到MATLAB，MATLAB經運算后輸出集熱器出口水溫度、集熱器側循環(huán)水流量、集熱器的效率、有用的能量增益的結果到TRNSYS。

在出水溫度To<99 ℃時，集熱器效率[16]見式(1)。

(1)

由于出水溫度的大小與集熱器的集熱效率和集熱器的進水溫度有關，所以對于太陽能集熱器的一階模型，出水溫度見式(2)。

(2)

式中：To為集熱器出水溫度；Gt為單位時間內單位面積上集熱器受到的太陽輻射強度；Ti為集熱器進水溫度；Te為環(huán)境溫度；η0為攔截系數；η1為一階損失系數；A為集熱器面積；mw為單位時間內水的質量流量；cw為水的比熱容。

經計算后，如果To>99 ℃，出水溫度To強制輸出為99 ℃，集熱器效率見式(3)。

(3)

1.2 蓄熱水箱

蓄熱水箱模型選用TRNSYS內部的TYPE4b，形式為兩進兩出，容積設置為10 m3，流體比熱設置為4.19 kJ/(kg·K)，流體密度設置為1 000 kg/m3，熱損失系數設置為-3 kJ/(m2·h)，水箱內不設置電加熱，水箱內部分為6層，每層高度為0.4 m，初始溫度從上到下依次設置為35,34,33,32,31,30 ℃，沸點設置為100 ℃，其連接方式見圖1。

1.3 相變蓄熱BTZ-2型熱管式真空管集熱器

當太陽能過剩時，傳統(tǒng)BTZ-2型熱管式真空管集熱器通過集熱聯箱里面的介質將熱量傳遞至保溫水箱。受介質流速的限制，一方面由于介質溫度的升高影響熱管冷凝端向介質的傳熱速率；另一方面由于介質溫度存在上限，達到氣化溫度繼續(xù)吸收熱量不僅不會升溫，反而會產生氣體，影響換熱。當太陽能不足時，傳統(tǒng)BTZ-2型熱管式真空管集熱器集熱量會瞬間降低，甚至失去制備熱水能力。與傳統(tǒng)BTZ-2型熱管式真空管集熱器不同，相變蓄熱BTZ-2型熱管式真空管集熱器具有非常強的蓄熱、放熱能力。太陽能過剩時，剩余熱量會儲存在相變材料里，因大部分能量以潛熱方式儲存。相變材料在相變蓄熱過程中，傳熱速率不會因能量儲存量的增大而減小，且相變材料氣化溫度高，當相變材料完全融化后，仍然可用顯熱的方式儲存熱量。當太陽能不足時，由于相變材料的放熱，集熱器仍然能制備熱水。

在BTZ-2型熱管式真空管集熱器程序的基礎上加入相變蓄熱代碼，集熱器收集的太陽能首先傳遞給相變材料，當循環(huán)水流經集熱器時能量再由相變材料傳遞給循環(huán)水。在出水溫度小于99 ℃的傳熱過程中，假設每個時刻相變材料的終溫與出水溫度相同。太陽能不足，致使集熱器的集熱量為0時，通過MATLAB的IF函數，運行保溫程序，潛熱蓄熱裝置自動斷開與集熱器的傳熱，進入保溫狀態(tài)。相變材料的溫度初值設置為環(huán)境溫度，其中，相變材料選用赤藻糖醇(Erythritol)，質量為2 500 kg，相變蓄熱箱的熱損失系數εl為3 kJ/(m2·h)。

圖1 相變蓄熱BTZ-2型集熱器程序工作流程圖Fig.1 Program flow chart of latent thermal storage collector

相變蓄熱BTZ-2型熱管式真空管集熱器程序工作流程圖見圖1。

定義相變材料處于相變溫度且全部為固態(tài)時能量儲存量為0，其中固態(tài)、液態(tài)、固液共存狀態(tài)的能量儲存量方程見式(4)—式(6)。

根據能量守恒方程，相變材料儲能量方程見式(7)：

mwcw·(To-Ti)-εlS(To-Te)+Qlast。

(7)

式中：Q為相變材料的瞬時儲能量(對應下個時刻相變材料的初始儲能量)；Qlast為上個時刻相變材料的瞬時儲能量；Tc為相變材料的相變溫度；Te為環(huán)境溫度；cs為相變材料的固態(tài)比熱容；cl為相變材料的液態(tài)比熱容；c為相變材料的相變潛熱；S為相變蓄熱箱與外界的接觸面積；其他符號同上。

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)，重新計算。如求得99 ℃>To>Tc，To即為所求；如果To

(8)

(9)

如求得To>99 ℃，則To強制輸出為99 ℃，相變材料的瞬時儲能量通過重新分配并校核迭代后求得。

為了保證赤藻糖醇不沸騰以及部件的使用壽命，設置相變材料溫度不超過150 ℃。如計算后相變材料終溫大于150 ℃，則相變材料溫度強制輸出150 ℃，相變材料瞬時儲能量強制輸出為

Q=mtc+mtcl(150-Tc) 。

(10)

相變蓄熱集熱器效率通式為

(11)

2 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)模型

2.1 吸收式制冷機組運行概況

系統(tǒng)運行時間為每天8:30～18:30。溴化鋰制冷機組額定制冷量為100 kW，額定性能系數為0.76。系統(tǒng)工作時，熱水、冷卻水、冷凍水流量為水泵額定流量。

利用遠大X型非電空調選型設計手冊[17]編輯單效熱水制冷機組的外部文件，利用Meteonorm軟件生成石家莊地區(qū)的氣象參數外部文件。

末端負荷處，只對出水溫度進行控制并設置出水溫度為12 ℃。

機組冷凍水出水設點溫度控制見式(12)。

(12)

式中：tpoint為冷凍水出水設點溫度；tin為進入發(fā)生器的熱水溫度。

2.2 采用傳統(tǒng)集熱器集熱的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)

如圖2所示，太陽能顯熱蓄熱吸收式制冷系統(tǒng)采用的太陽能集熱器模塊為BTZ-2型熱管式真空管集熱器。通過TRNSYS的TYPE2b控制集熱器與水箱間水泵，水箱溫度與集熱器溫差大于10 ℃時熱水循環(huán)泵1開啟，直到溫差小于2 ℃熱水循環(huán)泵1關閉。當水箱負荷側出水溫度大于88 ℃時，系統(tǒng)其他部件開始運行，直到水溫小于83 ℃時，除了熱水循環(huán)泵1外，其他部件都為關閉狀態(tài)。集熱器內水溫即將超過99 ℃時，水溫強制輸出為99 ℃。

圖2 太陽能顯熱蓄熱吸收式制冷系統(tǒng)Fig.2 Sensible heat heat storage of solar absorption refrigeration system

2.3 采用相變蓄熱型集熱器集熱的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)

如圖3所示，太陽能潛熱蓄熱吸收式制冷系統(tǒng)采用的太陽能集熱器模塊為集熱相變蓄熱一體化真空管集熱器，即相變蓄熱BTZ-2型集熱器。當集熱器出水溫度大于88 ℃時，系統(tǒng)其他部件開始運行，直到水溫小于83 ℃時，除了熱水循環(huán)泵1外，其他部件都為關閉狀態(tài)。集熱器內水溫即將超過99 ℃時，水溫強制輸出為99 ℃。

3 數據分析

從圖4可以看出太陽輻射強度具有不穩(wěn)定性，石家莊地區(qū)6—8月內集熱器每天接收的最大輻射強度為13 061 MJ，最小輻射強度為1 796 MJ。

從圖5可以看出，在太陽輻射強度相同的情況下，在系統(tǒng)運行時間內，有82天潛熱蓄熱系統(tǒng)的制冷量大于顯熱蓄熱系統(tǒng)的制冷量，占總運行時間的89.13%。太陽能不足時，制冷量隨時間的降低有一定的延遲，太陽能充足時，制冷量隨時間上升較快。

圖3 太陽能潛熱蓄熱吸收式制冷系統(tǒng)Fig.3 Latent heat storage of solar absorption refrigeration system

圖4 集熱器接收的太陽輻射強度Fig.4 Amount of solar radiation collectors accepted

圖5 不同蓄熱方式下系統(tǒng)的制冷量Fig.5 Refrigerating capacity of the system under different heat storage manner

從圖6可以看出，在太陽輻射強度相同的情況下，系統(tǒng)運行時間內，有73天潛熱蓄熱系統(tǒng)集熱器效率大于顯熱蓄熱系統(tǒng)集熱器效率，占總運行時間的79.35%。

圖6 不同蓄熱方式下集熱器的效率Fig.6 Collectors efficiency under different heat storage manner

從圖7可以看出，在太陽輻射強度相同的情況下，在系統(tǒng)運行時間內，有91天潛熱蓄熱系統(tǒng)制冷機組的性能系數大于顯熱蓄熱系統(tǒng)制冷機組的性能系數，占總運行時間的98.91%。

從圖8可以看出，在系統(tǒng)運行第1天，由顯熱蓄熱延遲導致的水泵運行能耗較低外，其余時間潛熱蓄熱系統(tǒng)能耗小于顯熱蓄熱系統(tǒng)制冷機組的能耗。

表1為系統(tǒng)在6—8月份連續(xù)模擬運行3個月的結果。由表1可知，在無輔助熱源太陽能制冷系統(tǒng)中，系統(tǒng)選用相變蓄熱型集熱器集熱后，集熱器效率比傳統(tǒng)集熱器提高約7.62%，系統(tǒng)的制冷量比采用傳統(tǒng)集熱器的系統(tǒng)提高約9.99%，制冷機組的性能系數略有提高，系統(tǒng)能耗略有降低，系統(tǒng)的COP增加約23.60%。

圖7 不同蓄熱方式下的制冷機組的性能系數Fig.7 Coefficient of performance of the refrigeration unit under different heat storage manner

圖8 不同蓄熱方式下制冷系統(tǒng)的能耗Fig.8 Energy consumption of the refrigeration unit under different heat storage manner

集熱器的形式集熱器接收的輻射總量/MJ制冷量/MJ集熱器效率機組性能系數系統(tǒng)能耗/MJ系統(tǒng)COP傳統(tǒng)集熱器7560642542750．4460．760357067．12相變蓄熱型集熱器7560642796710．4800．768317898．80

4 結 語

在無輔助熱源太陽能制冷系統(tǒng)中，選用相變蓄熱型集熱器集熱后，制冷量隨時間變化幅度變小，末端吸收式制冷機組的工作更加穩(wěn)定。計算模擬表明，集熱器與相變材料的一體化融合能夠顯著提高無輔助熱源太陽能制冷系統(tǒng)中的各項參數的性能。系統(tǒng)體積變小，相變材料廉價易得，可減少系統(tǒng)初期投資和占地面積。因此，該研究為現有的太陽能制冷系統(tǒng)的改造提供了一個新思路。

[1] 趙明海，洪仁龍，陶海臣，等．溴化鋰吸收式制冷機在太陽能領域的應用與前景[J]．流體機械，2014(6):84-86． ZHAO Minghai, HONG Renlong, TAO Haichen, et al. Lithium bromide absorption chiller applications and prospects in the field of solar energy[J]. Fluid Machinery, 2014(6):84-86.

[2] 王永剛，鐘水庫．太陽能溴化鋰吸收式制冷技術的研究進展[J]．能源研究與信息, 2009(3):160-165． WANG Yonggang, ZHONG Shuiku. Research progress of solar LiBr absorption refrigeration technology[J]. Energy Research and Information, 2009(3):160-165.

[3] 宛超，劉益才，張明研，等．太陽能吸收式制冷系統(tǒng)概述[J]．真空與低溫，2009(3):137-142． WAN Chao, LIU Yicai, ZHANG Mingyan, et al. A review for solar absorption refrigeration system[J]. Vacuum and Cryogenics, 2009(3):137-142.

[4] 陳杰，畢月虹，劉肖，等．太陽能吸收式制冷技術發(fā)展現狀及展望[J]. 制冷與空調, 2015(6):59-68． CHEN Jie, BI Yuehong, LIU Xiao, et al. Development situation and trend of solar absorption refrigeration technology[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2015(6):59-68.

[5] 郭初，李志生，曾濤．兩種新型太陽能吸收式制冷系統(tǒng)性能分析[J]．制冷學報，2014(6):75-80． GUO Chu, LI Zhisheng, ZENG Tao. Performance analysis on two new kinds of solar-absorption refrigeration system[J]. Journal of Refrigeration, 2014(6):75-80.

[6] 李志生，曾濤，郭初．兩種新型太陽能吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)[J]．建筑節(jié)能，2014(2):30-33． LI Zhisheng, ZENG Tao, GUO Chu. Two types of new solar-absorption refrigeration cycle system[j]. Building Energy Efficiency, 2014(2):30-33.

[7] 鄒同華，涂光備，申江，等．太陽能吸收式制冷的最佳發(fā)生溫度及節(jié)能分析[J]．流體機械, 2004(2):50-53． ZOU Tonghua, TU Guangbei, SHEN Jiang, et al. Optimum generation temperature of solar absorption refrigeration and analysis on its saving energy[J]. Fluid Machinery, 2004(2):50-53.

[8] 徐士鳴，劉渝宏．以空氣為攜熱介質的開式太陽能吸收式制冷循環(huán)研究與分析[J]．太陽能學報，2004(2):204-210． XU Shiming, LIU Yuhong. Research and analysis by using air as the heat carrying medium in open type solar energy absorption refrigeration cycle[j]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2004(2):204-210.

[9] 劉濤．太陽能制冷技術在溴化鋰吸收式制冷機中的應用與研究[J]．制冷與空調(四川)，2007(2):32-34． LIU Tao. Solar energy refrigerate technology in libr absorption refrigerator application and study [J]. Refrigeration & Air-Condition, 2007(2):32-34.

[10]楊啟容，姜培鵬，王翠蘋．有輔助能源的太陽能吸收式制冷循環(huán)模式[J]．煤氣與熱力，2006(11):64-67． YANG Qirong, JIANG Peipeng, WANG Cuiping. Circulating mode of solar absorption refrigeration with auxiliary energy [J]. Gas & Heat, 2006(11):64-67.

[11]崔明輝，孟德志，倪成名.板式換熱器間接連接熱水供暖系統(tǒng)集中供暖調節(jié)公式研究[J].河北科技大學學報,2016,37(5):522-526. CUI Minghui,MENG Dezhi,NI Chengming.Analysis of plate heat exchanger in the central heating regulation of the indirect connection hot water heating system[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(5):522-526.

[12]何梓年，朱寧，劉芳，等．太陽能吸收式空調及供熱系統(tǒng)的設計和性能[J]．太陽能學報，2001(1):6-11． HE Zinian, ZHU Ning, LIU Fang, et al. Design and performance of solar absorption air conditioning and heating system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2001(1):6-11.

[13]董旭，張永貴．太陽能相變潛熱蓄熱應用于吸收式制冷的分析[J]．節(jié)能技術，2012(6):557-560． DONG Xu, ZHANG Yonggui. Analysis on application of solar energy thermal storage with phase change to absorption refrigeration [J]. Energy Conservation Technology, 2012(6):557-560.

[14]楊華，周丹，齊承英，等.太陽能跨季節(jié)儲熱耦合熱泵系統(tǒng)性能影響因素分析[J].河北工業(yè)大學學報，2010，39(2)：83-87. YANG Hua,ZHOU Dan,QI Chengying,et al.A study on performance factors of seasonal solar energy coupled heat pump system[J].Journal of Hebei University of Technology,2010,39(2):83-87.

[15]周興法，謝應明，謝振興．太陽能單效溴化鋰吸收式制冷空調技術研究現狀[J]．流體機械，2014(7):58-64． ZHOU Xingfa, XIE Yingming, XIE Zhenxing. Research status of solar single-effect lithium bromide absorption refrigeration and air conditioning technology[J]. Fluid Machinery, 2014(7):58-64.

[16]何梓年，蔣富林，葛洪川，等．熱管式真空管集熱器的熱性能研究[J]．太陽能學報，1994(1):73-82． HE Zinian, JIANG Fulin, GE Hongchuan, et al. Study on thermal performance of heat pipe vacuum heat collector[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，1994(1):73-82.

[17]佚名.遠大X型非電空調選型設計手冊[Z].[S.l.]:[s.n.],2010．

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；責任編輯：馮 民

河北科技大學研究生創(chuàng)新資助項目(201502)

崔明輝(1962—)，男，河北獻縣人，教授，碩士，主要從事人工環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化與新能源利用方面的研究。

E-mail:cuiminghui666@163.com

TK511+.3

A

10.7535/hbgykj.2017yx01005

崔明輝，孟德志，夏昌浩，等.基于MATLAB改進的相變蓄熱集熱器在太陽能制冷系統(tǒng)中的性能分析[J].河北工業(yè)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.