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基于低温空气含湿量的太阳能耦合空气源热泵热水系统性能分析

发表日期:2018/12/3 13:55:32 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

在化石能源限量及环境污染严控的双重压力下,迫切需要清洁高效可持续的现代能源体系支撑,因此太阳能成为符合上述需求的化石能源体系介入者。关于兼顾利用太阳能与空气源热泵制取热水的系统研究,国内外学者已取得大量进展。直膨式热泵热水系统是一种利用太阳能为主、空气热源为辅的代表系统,其新型太阳能集热器型式为蜂巢式和肋板管式,相比应用平板太阳能集热器,应用蜂巢式和肋板管式太阳能集热器的直膨式热泵热水系统性能系数分别提高了20.5%和14.6%。另外,在太阳能光伏组件背阳侧增加制冷剂盘管冷却部件,利用光伏余热进行直膨式热泵循环,其制热性能系数相比空气源热泵可提高9%,热电联产光电转换率相比单一光电转换率可提高25%。由内而外依次为制冷剂、相变蓄热材料、水的三套管换热器被应用于太阳能联合空气源热泵热水系统。林辩启等对热泵辅助供热太阳能热水系统各种典型运行模式的特点及适用环境进行了研究。Li S. S.等对R22,R134a,R744和CO2应用于太阳能集热与空气源热泵嵌套的热水系统的制热性能进行了研究。

将太阳能集热器与空气源热泵蒸发器耦合一体化的太阳能蒸发集热器及其耦合热泵系统被学者提出,并深入研究了其制热性能、效率、潜力、热力学完善度。此耦合热泵系统提高了利用空气源热泵制热同时的太阳能利用效率,增强了空气源热泵日间制热的节能效果。在关于耦合热泵系统的已有研究中,尚未见太阳能蒸发集热器结霜除霜对于耦合热泵系统性能影响的分析。故笔者应用TRNSYS能耗模拟软件,基于低温空气含湿量(指室外低环境温度下湿空气的含湿量),模拟太阳能蒸发集热器结霜除霜对于太阳能耦合空气源热泵热水系统(简称“耦合热泵系统”)制热性能的影响。

1  耦合热泵系统运行原理

太阳能耦合空气源热泵热水系统的新型部件是太阳能蒸发集热器,是在空气源热泵铝铜翅片管式蒸发器外表面电解敷设一层铝阳极氧化太阳能选择性吸收涂层,其吸收率不低于0.94,并配套设置改性聚甲基丙烯酸甲酯透明外壳,其透射率不低于0.92。耦合热泵室外机外观如图1所示,其与相同型号常规空气源热泵热水机的结构相似,可实现具有参考价值的性能对比。耦合热泵系统运行原理如图2所示,其中太阳能蒸发集热器旁路与压缩机旁路的意义是协调太阳能蒸发集热器的吸热量分配,保护压缩机启动吸气的低温低压,并实现压缩机停机时的太阳能集热微循环,其余控制方法与常规空气源热泵热水机相同。此机型模式充分考虑了现有生产线的兼容度和用户安装的便捷度,实现太阳能与空气源热泵制热的工程实用化。


2  数学模型与参数设计

利用TRNEdit与宏编辑器,通过对TRNSYS软件空气源热泵模块蒸发器部件的数学模型优化,增加蒸发器翅片表面的太阳能吸收功能,即实现太阳能蒸发集热器的模拟目的,形成新的部件模块。利用TRNSYS软件进行耦合热泵系统的热力分析与水力分析,结合低温热源侧环境参数如相对湿度的变化,综合判断基于低温空气含湿量指标的太阳能蒸发集热器结霜除霜对于耦合热泵系统制热性能的影响。

2.1  数学模型

式(1)中:QU为有效太阳能辐射热(kJ/h);QA为总太阳能辐射热(kJ/h);QL为太阳能辐射散失热(kJ/h)。

式(2)中:A为太阳能集热面积(m2);IT为太阳能辐射强度(kJ/(h•m2));(τ×α)n为太阳能总吸收率,由透明盖板透射率τ与太阳能涂层吸收率α组成。

式(3)中:Qevap为太阳能蒸发集热器的空气热源吸收量(kJ/h);Qcap为总制热量(kJ/h);Pcom为压缩机功耗(kJ/h)。

式(4)中:hair,out为太阳能蒸发集热器出口空气焓值(kJ/kg);hair,in为太阳能蒸发集热器进口空气焓值(kJ/kg);mair为风机贯流空气质量流量(kg/h)。

式(5)中:hb,out为风机出口空气焓值(kJ/kg);Pblo为风机功耗(kJ/h)。

式(6)中:Qtotal,air为空气热源总吸收量(kJ/h)。

式(7)中:Qsens,air为空气显热吸收量(kJ/h);cpair为空气的定压比热容(kJ/(kg•℃));tb,out为风机出口空气温度(℃);tair,in为太阳能蒸发集热器进口空气温度(℃)。

式(8)中Qlat,air为空气潜热吸收量(kJ/h)。

式(9)中:tdhw,out为水箱供水温度(℃);tdhw,in为水箱初始加热温度(℃);mdhw为加热水体质量(kg/h);cpdhw为水的定压比热容(kJ/(kg•℃)。

式(10)中:COPh为制热性能系数;Pcon为控制器功耗(kJ/h)。

2.2  参数设计

基于TRNSYS软件的模块库开放式结构,用户可根据个性化需求建立模块。新建模块需要确定部件的固化参数、输入变量、输出变量、外部文件的设置。新建的耦合热泵模块及其他初始参数设计如表1所示。

导入空气源热泵制热性能样本(如图3所示),作为耦合热泵系统与同型号常规空气源热泵系统(简称“常规热泵系统”)的性能对比基础。由于耦合热泵系统和常规热泵系统对蒸发温度的判断逻辑都是基于铝翅片的表面温度,判断机制相同,所以对于耦合热泵系统的太阳能与空气热源双低位热源模式,也可形成基于铝翅片表面温度的蒸发温度当量,对应于空气源热泵制热性能样本,可以根据蒸发温度当量找到对应的制热性能系数。


利用TRNEdit与宏编辑器完成数学模型与参数设计后,将该模块另存于模块库中。

3  模拟平台搭建

依据耦合热泵系统的数学模型与参数设计,以太原地区典型气象年数据作为环境条件,搭建耦合热泵系统与常规热泵系统的对比模拟平台,如图4所示。此对比模拟平台的关键点为新建的耦合热泵模块与常规空气源热泵模块的选用,其余控制模块的设计相同。为了充分利用太阳能与空气热源,将水箱150 L水由15 ℃加热至55 ℃,设定耦合热泵系统与常规热泵系统的开机时间为11:00,且一次性加热完成。

 

由于空气源热泵蒸发器结霜的有利条件是室外干球温度为-12~3 ℃且空气相对湿度不低于60%,故选取3个低温空气含湿量典型日,其气象条件如表2所示。3个典型日的气象特点是热泵运行时间内的室外平均干球温度处于-12~3 ℃的平均水平,平均太阳能辐射强度较接近,相对湿度水平分别落在不易结霜区、60%临界线和易结霜区,可较好地分析基于低温空气含湿量的太阳能蒸发集热器结霜除霜对于耦合热泵系统制热性能的影响。由于含湿量是空气湿度的绝对指标,其独立参考意义强于作为空气湿度相对指标的相对湿度,故选用含湿量作为模拟研究的控制变量。

TRNSYS迭代计算过程的判断节点是水箱供水温度tdhw,out和太阳能蒸发集热器出口空气相对湿度,若tdhw,out高于55 ℃,则计算过程停止并输出结果;若太阳能蒸发集热器出口空气相对湿度大于90%,则判定太阳能蒸发集热器结霜,启动耦合热泵系统额定功率的逆循环除霜,直至太阳能蒸发集热器出口空气相对湿度不大于90%,则判定除霜过程结束,计算过程停止并输出结果。

4  结果分析

太原地区典型气象年低温空气含湿量典型日耦合热泵系统与常规热泵系统的COPh对比,如图5所示。在室外干球温度、太阳能辐射强度水平相似的条件下,影响系统制热性能的关键环境因素是含湿量。由图可知,含湿量越小,系统COPh越高。这是因为含湿量越小,太阳能蒸发集热器和蒸发器的结霜概率越小,热泵除霜能耗越少,使得系统COPh越高。耦合热泵系统由于太阳能低位热源的介入,制热性能系数高于常规热泵系统。低温空气含湿量典型日耦合热泵系统的平均COPh为2.64,相比常规热泵系统(2.45)提高7.7%。

1月15日和1月6日分别是太原地区典型气象年最冷月(1月)的平均含湿量最小日和平均含湿量最大日,选取1月15日和1月6日的平均含湿量最大的工况,分析低温空气含湿量变化分别对耦合与常规热泵系统COPh的影响。低温空气含湿量从0.67 g/kg干空气增加至1.78 g/kg干空气,增加了1.11 g/kg干空气,对应的耦合热泵系统平均COPh从3.11降低至2.25,降低了27.7%;对应的常规热泵系统计算得图5中平均COPh从2.83降低至2.12,降低了25.1%。耦合热泵系统COPh降低幅度大于常规热泵系统,说明太阳能蒸发集热器结霜对太阳能与空气热源吸收量的影响大于蒸发器结霜对空气热源吸收量的影响,低位热源吸热量直接影响热泵系统制热性能。

由图5可见,不同工况下两热泵系统COPh最大值出现的时刻不同。低温空气含湿量越小,COPh最大值出现的时刻越靠前,热泵运行时间越短,系统制热性能越强。相同工况下耦合热泵系统与常规热泵系统的COPh最大值出现时刻相同,说明空气热源对系统制热性能的影响大于太阳能的影响。虽然不同工况下两热泵系统COPh最大值出现时刻不同,但COPh最大值出现时的水箱水温都为30℃左右,说明冷凝温度对系统制热性能系数的影响大于低温空气含湿量的影响。在COPh最大值出现之前,冷凝温度的升高有利于热泵系统COPh的增大,随着室外干球温度与太阳能辐射强度的升高,热泵系统COPh逐渐增大。在COPh最大值出现之后,冷凝温度升高不利于热泵系统COPh的增大。


太原地区典型气象年低温空气含湿量典型日耦合热泵系统与常规热泵系统的耗电量对比,如图6所示。含湿量越大,太阳能蒸发集热器与蒸发器的结霜除霜过程越频繁,系统制热性能越弱,热泵运行时间越长,耗电量越大。由于太阳能低位热源的介入,耦合热泵系统可发挥更强的制热能效,其低温空气含湿量典型日耗电量平均为2.8 kW•h,相比常规热泵系统耗电量(3.01kW•h)可节省6.9%。


太原地区典型气象年低温空气含湿量典型日耦合热泵系统制热量分配,如图7所示。太阳能吸收量占比总制热量的平均值为6.4%,占比93.6%的空气源热泵制热依然是耦合热泵系统制热功能的主导。在低温空气含湿量典型日室外干球温度与太阳能辐射强度水平相似的条件下,随着耦合热泵系统运行时间的延长,系统耗电量越大,虽然太阳能吸收量越大,但是由于总制热量是定值,所以系统制热性能系数越低。因此,如何在具有较强的空气热源吸收能力的基础上,大幅提高太阳能吸收量和制热性能系数,缩短热泵运行时间,是今后太阳能耦合空气源热泵热水技术的改进方向,需要对太阳能蒸发集热器进行结构优化。

5  结论

1) 利用TRNEdit与宏编辑器,通过对TRNSYS软件空气源热泵模块蒸发器部件的数学模型优化,新建太阳能耦合空气源热泵模块,综合判断基于低温空气含湿量的太阳能蒸发集热器结霜除霜对于太阳能耦合空气源热泵热水系统制热性能的影响。

2) 在太原地区典型气象年低温空气含湿量典型日工况下,太阳能耦合空气源热泵热水系统相比同型号常规空气源热泵热水系统的平均耗电量节省6.9%,COPh提高7.7%。低温空气含湿量增加1.11 g/kg干空气,太阳能耦合空气源热泵热水系统平均COPh降低0.86,同型号常规空气源热泵热水系统平均COPh降低0.71。

3) 低环境温度下空气含湿量越小,COPh最大值出现的时刻越靠前,系统制热性能越强。COPh最大值出现时的水箱水温均为30 ℃左右,说明冷凝温度对系统制热性能系数的影响大于低温空气含湿量的影响。

如何提高太阳能吸收量和制热性能系数,缩短热泵运行时间,是今后太阳能耦合空气源热泵热水技术的改进方向。

本文选自《制冷与空调》2018年10月刊,72-76页,作者:董旭  田琦  黎珍;未经许可,不得转载



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