基于變頻水泵的多級蓄熱水箱應(yīng)用于太陽能空調(diào)的試驗研究

崔龍騰，金蘇敏

（南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 221800）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，新能源的使用必然成為一種發(fā)展趨勢。太陽能作為一種總能量大、可再生無污染的潔凈能源，受到了廣泛的關(guān)注。在國際上，用于商業(yè)建筑中央空調(diào)所系統(tǒng)耗電能約占民用總耗電的50%[1]。在我國，建筑能耗占總能耗的25%[2]，這導(dǎo)致很高的用電成本。而將太陽能應(yīng)用到空調(diào)系 統(tǒng)中必將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。蓄熱技術(shù)可以有效克服熱量生產(chǎn)與熱量使用在時間和空間上的不匹配問題，利用蓄熱水箱對熱量進(jìn)行蓄調(diào)是一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)[3]。

蓄熱水箱[4-6]在太陽能空調(diào)系統(tǒng)中一直是一個重要的研究領(lǐng)域。目前，有大量學(xué)者對蓄熱水箱進(jìn)行了研究[7-9]。張永信等[10]對有限容積的蓄熱水箱的蓄熱量最大化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明加入相變材料可以顯著提高蓄熱系統(tǒng)的儲能密度，但也使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。有學(xué)者對蓄熱水箱溫度分層[11-13]進(jìn)行了研究，并提出強(qiáng)化溫度分層的方法[14-15]。但溫度分層對水箱結(jié)構(gòu)要求較高，并且達(dá)到良好溫度分層耗費(fèi)時間更長。王愛輝等[16-18]對分區(qū)蓄熱進(jìn)行了研究，表明減小運(yùn)行水箱體積可以延長系統(tǒng)工作時間，但是會造成兩區(qū)溫差較大以及運(yùn)行區(qū)的溫度波動較大。

本文提出了一種采用變頻水泵的多級蓄熱水箱，它可以使運(yùn)行水箱在短時間達(dá)到較高溫度，并減小運(yùn)行水箱的波動幅度，使夏季空調(diào)始終在較高的性能系數(shù)（COP）下運(yùn)行。

1 多級蓄熱水箱系統(tǒng)

1.1 多級蓄熱水箱原理

多級蓄熱水箱系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由1個體積較小的運(yùn)行水箱和4個體積相等的蓄熱水箱、變頻水泵和集熱器組成。運(yùn)行水箱分別與集熱器、蓄熱水箱和用熱設(shè)備（單效溴化鋰制冷機(jī)）相連，通過閥門的開合來控制蓄熱時不同級數(shù)水箱切換。運(yùn)行水箱相對于蓄熱水箱體積較小，太陽能集熱器收集的熱量開始先用于加熱運(yùn)行水箱，運(yùn)行水箱內(nèi)水溫在較短時間內(nèi)迅速升高達(dá)到用熱負(fù)荷的溫度要求，開始向溴冷機(jī)供熱從而形成快速啟動的效果。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，在滿足用熱需求之后運(yùn)行水箱多余的熱量通過變頻水泵逐級傳遞到蓄熱水箱中。

圖1 多級蓄熱水箱系統(tǒng)

1.2 多級蓄熱水箱系統(tǒng)特點

對于變頻水泵的多級蓄熱系統(tǒng)與以往常見蓄熱系統(tǒng)相比，它具有以下特點：

1）水泵通常泵功率是依據(jù)負(fù)荷最大值的1.1～1.2倍選配，因此存在著很大的能量損耗，采用變頻水泵可以節(jié)約能源，此處水泵相當(dāng)于一個強(qiáng)力高效換熱器，根據(jù)運(yùn)行水箱溫度來調(diào)節(jié)水泵換熱強(qiáng)度大小，減少不必要的能量損耗；

2）使用大集熱板以及在多級蓄熱水箱設(shè)置運(yùn)行水箱的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得蓄熱水箱快速達(dá)到用熱需求并且使運(yùn)行水箱長時間在高溫下工作，這樣在天氣晴朗太陽輻照強(qiáng)的情況下可以不使用輔助熱源，減少了輔助能源的消耗。

2 系統(tǒng)模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 集熱器模型

太陽能集熱器是將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，從而為系統(tǒng)提供熱量，是太陽能空調(diào)系統(tǒng)的主要部件。太陽能集熱器的最佳方位為正南方，對于面向正南方的集熱器，傾斜平面上的太陽直射輻射為：

式中：

ID——水平面上的太陽直射輻射，W/m2；

φ——當(dāng)?shù)氐木暥?，°?/p>

β——集熱器安裝角，°；

δ——赤緯角，°；

ω——太陽天頂角，°。

傾斜平面上的太陽散射輻射可用下式算：

式中：

ISH——水平面上的太陽散射輻射，W/m2。

假設(shè)地面及建筑物的反射為各向同性，傾斜平面上的太陽反射為：

式中：

ρ——地面的反射率，%。

投射到集熱器上的總輻射強(qiáng)度IZ為：

在熱平衡條件下太陽能單位面積集熱器的有效獲熱量計算公式為：

式中：

η——集熱器的效率，%；

Ac——集熱器的面積，m2。

本文中采用的平板集熱器的效率采用式(6)。

式中：

T1——集熱器流體工質(zhì)的進(jìn)口溫度，℃；

Ta——室外氣溫，℃。

2.2 多級蓄熱水箱模型

在系統(tǒng)的蓄熱階段，集熱量大于用熱量，多余的集熱量被水泵輸送到蓄熱水箱中，此過程的數(shù)學(xué)描述為式(7)。

式中：

Qi——太陽能集熱器的集熱功率，W；

Qu——用熱設(shè)備的用熱功率，W；

Vj,k——第j級系統(tǒng)第k級水箱蓄熱的熱水體積，m3；

tj,k——第j級系統(tǒng)第k級水箱蓄熱的熱水溫度，℃。

當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度不再滿足太陽能空調(diào)的用熱需求時，蓄熱水箱將蓄存的熱量反向傳遞給運(yùn)行水箱保證太陽能空調(diào)的正常工作，數(shù)學(xué)描述為：

2.3 分析模型

對于太陽能空調(diào)系統(tǒng)，地區(qū)的影響較為關(guān)鍵，此處選取南京地區(qū)，以7月份典型氣候條件為分析，以家用小型太陽能空調(diào)考慮，此處選取普通居民住房為例，建筑面積為118 m2，對其進(jìn)行冷負(fù)荷計算。為了分析方便，換算為單位面積的負(fù)荷值，采用真空管集熱器時，集熱面積為2 m2，可滿足2.4 m2、440 W建筑面積的負(fù)荷，系統(tǒng)每天工作24 h，每日從早上8:00工作到次日早上8:00。夏季水溫要求較高，熱水溫度不宜超過100 ℃，否則會導(dǎo)致水的沸騰。為了使溴冷機(jī)在夏季高效運(yùn)行，將水溫設(shè)定為95 ℃，蓄熱水箱的總體積應(yīng)為300 L，運(yùn)行水箱的體積選擇為10 L，單個蓄熱水箱的體積為75 L。本文采用電加熱器模擬，各個時段內(nèi)的太陽能集熱器的集熱功率，各個時段內(nèi)集熱功率見表1。

表1 各個集熱時段內(nèi)模擬太陽能集熱器集熱功率

3 結(jié)果與討論

3.1 不同循環(huán)水流量對蓄熱影響

圖2為在兩種頻率下水泵蓄熱時運(yùn)行水箱與蓄熱水箱的工作溫度逐時變化曲線。由圖2看出，由于運(yùn)行水箱體積較小，運(yùn)行靈活，在9:00達(dá)到95 ℃時，達(dá)到了溴化鋰制冷機(jī)的理想運(yùn)行要求，此時開啟水泵，打開第一級蓄熱水箱的閥門，熱量開始從運(yùn)行水箱向蓄熱水箱傳遞，此時進(jìn)入第一級蓄熱階段。如圖2(a)所示，當(dāng)水泵頻率為30 Hz，由于運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間溫差和體積相差較大，運(yùn)行水箱再將多余的熱量傳遞給蓄熱水箱，同時還額外向蓄熱水箱釋放了一部分顯熱，導(dǎo)致運(yùn)行水箱溫度劇烈下降，造成了運(yùn)行水箱的溫度波動，但波動幅度隨著級數(shù)的增加越來越小。第四級蓄熱水箱在下午18:00完成蓄熱。

圖2(b)中水泵流量為1.2 L/min，當(dāng)水泵的流量增大，會引起第一級蓄熱階段溫度波動次數(shù)的增加，這是因為在09:00—11:40期間，太陽輻射相對較小，增加流量導(dǎo)致運(yùn)行水箱的溫度下降更劇烈。單效溴化鋰制冷機(jī)的COP在90 ℃以下運(yùn)行狀況很差，當(dāng)運(yùn)行水箱的溫度低于90 ℃時關(guān)閉第一級蓄熱水箱的閥門，停止蓄熱直到運(yùn)行水箱的溫度上升到90 ℃，再次開啟閥門進(jìn)行蓄熱，第四級蓄熱水箱在17:00完成蓄熱。水泵流量增大對第二級和第三級水箱蓄熱完成時間影響較大，對第一級和第四級水箱蓄熱完成時間影響不大；原因在于11:40—14:30期間，太陽輻射達(dá)到一天中的最大值，隨著水泵流量的增加，太陽能集熱器的熱量被及時帶到蓄熱水箱中，使運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間混合換熱更加充分。但隨著流量增加，也增加了第一級水箱蓄熱時運(yùn)行水箱的波動次數(shù)。

圖2 蓄熱時不同水泵頻率下各水箱溫度逐時分布

3.2 不同水泵頻率對放熱的影響

水箱的體積越大，放出單位熱量所受溫度變化的影響也越小，所以在放熱的過程中不采用分級放熱的方式，而采用整體式放熱。當(dāng)最后一級水箱完成蓄熱后，太陽輻照不再滿足用熱設(shè)備的需求，把各級水箱的閥門全部打開給運(yùn)行水箱供熱。

圖3所示為水泵在不同循環(huán)水下工作時運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間的溫度差值。由圖3可知，運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間的溫度差值先增加較快，然后增加趨勢變緩慢，最終穩(wěn)定在一定值。這是因為在放熱開始階段，太陽還有一定的輻照強(qiáng)度，隨著時間的增加，輻照強(qiáng)度逐漸變?yōu)?，導(dǎo)致運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間的差值變大。此外，隨著頻率的增大，運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間溫度差值減小，是因為隨著循環(huán)水的流量增大，即時將蓄熱水箱的熱量輸送給運(yùn)行水箱。因此在放熱時盡量采取大流量放熱，以減小運(yùn)行水箱和蓄熱水箱的溫差。

圖3 放熱時循環(huán)水流量下各水箱溫度逐時分布

3.3 變頻水泵對水箱溫度分布的影響

循環(huán)水泵流量過大或過小會對運(yùn)行水箱溫度和蓄熱時長產(chǎn)生不良影響，因此依據(jù)運(yùn)行水箱的溫度對變頻水泵的頻率做出調(diào)整，以控制運(yùn)行水箱向蓄熱水箱的熱量傳遞。

圖4為采用變頻水泵之后各水箱的逐時溫度。采用變頻水泵之后運(yùn)行水箱溫度的波動幅度和次數(shù)都減小，整合了較大體積流量下蓄熱水箱蓄熱時間短和小體積流量下運(yùn)行水箱溫度波動次數(shù)少的優(yōu)勢，蓄熱完成時間提前1 h，運(yùn)行水箱的變化更加平穩(wěn)。

3.4 對比分析

在多級蓄熱水箱系統(tǒng)中，水泵是最主要的耗能設(shè)備，在實際工程應(yīng)用中并不能簡單地套用比例定律來對水泵的節(jié)能效果進(jìn)行評估，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，水泵的功率和頻率之間是三次函數(shù)關(guān)系式。

式中：

P1——水泵變頻后的總功率，W；

Pe——水泵的工頻功率，W；

fe——水泵的工頻頻率，Hz；

f1——水泵變頻后的頻率，Hz。

圖5所示為一個典型設(shè)計日內(nèi)，變頻水泵和定速水泵的能耗對比。

圖4 采用變頻水泵后各水箱溫度溫度逐時分布

圖5 變頻水泵和定速水泵的能耗對比

對于影響單效溴化鋰制冷機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)就是再生溫度，所以運(yùn)行水箱溫度的高低對于整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要。圖6為單效溴化鋰制冷機(jī)在使用整體式水箱和多級水箱的逐時COP。選用單效吸收式制冷機(jī)模型，溴化鋰制冷機(jī)的參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[20]設(shè)置，本文假設(shè)運(yùn)行水箱的溫度就是溴化鋰制冷機(jī)的再生溫度。從圖中可以看出，采用整體式水箱單效溴化鋰制冷機(jī)的COP在0.75～0.8之間的最佳持續(xù)時間為14.58 h，而采用變頻水泵單效溴化鋰制冷機(jī)的COP在0.75～0.8之間的持續(xù)時間為17.22 h，最佳工作時間提高了約18.1%。因此和整體式水箱相比，采用變頻水泵的多級水箱可以使溴冷機(jī)在較高COP下平穩(wěn)運(yùn)行更長的時間。

圖6 使用不同水箱模式制冷機(jī)COP

4 結(jié)論

1）多級蓄熱水箱采用運(yùn)行水箱設(shè)計可在太陽能輻射較弱的情況下使溴化鋰制冷機(jī)快速在理想的溫度運(yùn)行，加快了制冷系統(tǒng)的啟動時間，提高了供熱的穩(wěn)定性。

2）較小的體積流量會造成運(yùn)行水箱與蓄熱水箱之間熱量傳遞不及時，蓄熱完成時間增加，而較大流量會增加運(yùn)行水箱溫度波動次數(shù)。采用變頻水泵之后，蓄熱時運(yùn)行水箱溫度始終保持在92 ℃以上，溫度波動的幅度與次數(shù)都減少，蓄熱完成時間提前1 h，可以在太陽輻照充足的情況下不使用輔助熱源。

3）與整體式水箱相比，采用變頻水泵的多級蓄熱水箱可以使溴化鋰制冷機(jī)在最佳工作持續(xù)時間提高2.64 h，增幅約18.1%，使溴冷機(jī)在較高COP下平穩(wěn)運(yùn)行更長的時間。

4）通過使用變頻水泵，蓄熱階段節(jié)能效果明顯，相比于定速水泵通過閥門調(diào)節(jié)，能耗減少了10.88%。