相变材料在太阳能-地源热泵系统中的应用

发布于:2021-06-15 08:41:17

维普资讯 http://www.cqvip.com

第 2卷 7

第 1 期  2









报 

Vo . 7 No 1   12 . .2
De . 2 )6 c . ( )  (

20 0 6年 l   2月

AL 、  NER A S ]A E GI E  OL  U   I C f S S NI A 

文章 编 号 :05 - % (06 1-2 1 4 240 0 20 )213 -   0

相 变 材 料在 太 阳能. 源 热泵 系统 中的应 用  地
王 芳 2 郑茂余  李忠建     , , ,雷帮伟  
(. 尔淡上 业大学 市政 : 1哈 境学院 , 哈尔滨 10 9 ;. 500 2 哈尔滨理T大学机械动力_稗学 院,哈尔演 108  _ I : 500

3 1交第  航务 丁程勘查设汁院, I 2 02  .f 1   0 3) 海 0



要 :针对太 阳能  地源热泵的供热量波 动性 问题 , 在系 统中设 置蓄热装 置 , 用相变 蓄热材 料具有 蓄 、 热 的  利 放

特性 。 达到调节系统供热量 和稳 定性 的 目的。通 过对带 有蓄热 装置的太 阳能  地源 热泵 系统 的运 行模式 及其转换 

条件的研究 , 使系 统运行处 于最 佳运 行工况 , 高了系统 的总*均供热 C P值 , 提 O 并使之达到 65  .。 关键词 :蓄热 ; 变材料 ; 阳能一 相 太 地源热象 
中图分类号 : T52  I 1  , 文献 标识 码 :A  

0 引  言   
太 阳 的辐 射强 度 的间歇性 为 其大 规 模开 发 利用 

系统作为主要供热方式。在太阳能热泵系统不能满  足供暖要求时, 土壤源热泵 系统作 为辅助供暖方式 

或主 要供暖 方式 。相 变蓄 热系 统 主要 是调 节 太 阳能  带来 技术 上 的困难 , 尤其 是太 阳能 的收集 、 存 和转  热 泵 系统 中集 热 器热 量 、 泵 供 热 量 以及 建 筑 物 热  贮 热 移是 人们 所面 临的 儿大 问题 。 国外 太 阳能热 泵 蓄热  负荷之间的*衡 , 提高集热器的集热效率 , 增加太 阳  

系统的研究工作取得的成果对我 国在该领域的研究  能热泵的供热时间, 从而提 高整个 系统 的供热性能  虽具 有一 定 的参 考 价 值 , 由于 地 理 位 置 和 国 情 的  系数 。运行 模 式 主要 包 括 : 箱 蓄热 一太 阳能 直 接  但 水
不同 , 不完 全适 用 。太 阳能 热 泵 蓄 热 系统 特 别 是  供暖一水箱直接供暖一水箱蓄热。 并   相变 蓄热 的 研 究 在 国 内 目前 还 处 于 实 验 的 初 期 阶 
段 。对 于采用 什 么 样 的 蓄 热 材料 、 系统 运行 模 式 的 

优 化选择 和转 换条 件 等都需 进行 深入 的研究 。  

1 太 阳能热泵蓄热 系统的实验研 究 
11 太 阳能 热泵 蓄热 系统 的组成  .

本太 阳能 热泵 蓄热 系统 是在 哈 尔滨 工业 大 学 建 

筑节能实验室原有的太 阳能 一 土壤源热泵系统的基 
础.建立 起来 的 。系 统 主 要 由太 阳能 集热 器 、 变  1 - . 相 蓄热水 箱 、 泵 ( 太 阳能或 土壤 作 为 低温 热源 )垂  热 以 、

图 l 太 阳能地源热泵蓄热 系统示意图   
g 1 S he t   iga   fSAHP y tm  t  .  c mai da rm o   c s se wih

a ltn  e t tr g  a k   e t a  oa e t   a h s n

直 u形长管土壤换热器 、 风机盘管 、 循环水泵 、 流量  12 太 阳能 热泵 蓄热 实验 系统 的运行 模式  . 表、 电流表 、 各种阀门、 温度传感器 ( 康铜热电偶 ) 铜一  
太 阳能热 泵 蓄热 系统 的运行 方 式主 要根 据 天气  以及温 度 测 量 仪 表 等 组 成 。 系统 示 意 图 如 图 l所  情况 和 系统运 行情 况来 确定 。 主要 有 以下几 种 运行  示 。它 将 太 阳能 热 泵 系统 、 壤 源 热 泵 系 统 以及 相  模式 : 土  

模式一 : 水箱蓄热。当太阳辐射较强, 室外温度  较高时 , 建筑物太阳辐射得热量大于建筑物的失热  源系统的不足 , 一年四季均可运行 , 提高了装置 的利  室内温度在不供暖的情况下也能维持在所要求  用率和运行效率。在气象条件较好时 , 阳能热泵  量 , 太
变蓄热 系统 三 者有 机 地 结 合 在 一 起 , 补 了单 个 热  弥
收 稿 日期 :20 . .3 050 0  9 基 金 项 目:哈 尔滨 工 业大 学 跨 学 科 交 叉 性 研 究荩 金 ( IMD 022 ) HT 20 .   4

维普资讯 http://www.cqvip.com

1 3  22

太 

阳 

能 

学 

报 

2 卷  7

的范围内。此时系统停止 向建筑物供暖 , 太阳能集  热器收集的太 阳能全部储存在相变蓄热水箱中;   模式二 : 阳能直接供暖 同时水箱 蓄热。当太  太 阳辐射较强 , 建筑物的热负荷较小时 , 阳能集热器  太 收集的热量除直接进行供 暖外还有剩余 , 这部分剩  余 的热量就储存在相变蓄热水箱 中;   模式三: 水箱供 暖。在夜晚或阴雨天没有太 阳   辐射的时候 , 蓄热水箱在 白天蓄存的热量足够多 , 水 
图 2 P M 水 箱 不 意 图    C
Fg 2 S h mai d a rm  fP i .   c e t   ig a o  CM  n   c t k a

保 

一  

箱内的相变材料温度也较 高, 此时可 以利用相变蓄  22 相变 蓄热 材料 的选择  . 热水 箱直 接供 暖 ;   相变 蓄热也 叫潜 热 蓄热 , 最 大优 点 是 : 其 材料 在  模 式 四 : 阳能 热 泵供 暖 。 白天太 阳辐 射 较弱 , 太   能够在*似恒温的状态下贮存或  且建筑物需供暖 , 但从太 阳集热器出来的载热介 质  发生相变的过程中, 且这个过程易于控制  。由于各类  J 温度达不到  苴接供暖 的要求。此 时, 集热器出来 的  放出大量的热量, 化学性能以及成本等方面  载热介质作为热泵的低 温热 源 , 用太 阳能热泵进行  相变材料本身的热物性能、 有很大的差别 , 相变蓄热材料的选择将直接影响贮能  供暖;   系统 的运 行 效 果 。因 此 , 变 材 料 应具 有  : 相 j①合 适  模式 五 : 土壤 源热 泵供 暖 。在很 恶 劣 的天 气 , 如 
连续 阴天 , 述情 况都 不能满 足 时 , 上 则需 启 用辅 助 热  源— — 土壤源 热 泵进行 供 暖 。  
13 太 阳能 热泵 蓄热 系统 的运 行转换 条 件  .

的相变温度 ; 较大 的相变潜 热 ; 合适 的导 热性 能 ; ② ③   ④相 变温 度 恒 定 , 变 可 逆性 好 ; 无 毒 、 易燃 , 相 ⑤ 不 对 

人体无伤害; ⑥与容器材料相容; ⑦体积膨胀率小。 密 

⑧原料易购 、 价格便宜等特点。   系统运行 模式转 换依据 主要是集 热器 出 口温  度较大; 由于真正能满足 以上所有条件的相变蓄热材料  度、 蓄热水 箱 出 口温 度 、 风机 盘管 出 口温度 及室 内温  很 难 找到 , 在实 际 选择 相变 材 料 时 , 首 先满 足 前 3 应   度 。本 实验运 行 时 , 主要采 用 3种模式 。  
特 冈为相 变 温度 决 定 了相  1当集 热 器 出 口温 度 高于 3℃或 高于水 箱温 度  个 条 件 , 别是 第一 个 条件 , ) 0 变材料的最佳工作温度范围 , 这个工作 温度 范围应  3 , ℃ 且室 内温度 高 于 1q时 可进行 水 箱蓄热 ; 9C     2水箱出 u温度等于或高于水箱进 口温度时 , 该 和 系统 的工 作温 度 范围一 致 。 )  

水箱停止蓄热 。此时若室 内温度低于 2 q且集热器  1   C 温度高于室内 5 ℃时 , 太阳能直接进行供暖 ;  

本系统 所 选 的相 变蓄热 材 料 为 CC26 2 。理  a1?H  0 由有 3 : CC26 2 的相 变 温 度 与 本 系统 的运  个 ① a1?H 0

相 导   3晚 t ) 二 或阴雨天 , 当室内温度低于 1℃时 , 9 水箱  行 温 度范 围一 致 、 变 潜 热 很 大 、 热 系 数 也 较 大 , 直接 供 暖或启 动土 壤源 热 泵供 暖 。若 利用 水箱 直 接  符合太 阳能热泵 蓄热系统 的要求 ; a I 6 z ②C C ?H O无  : 供暖 , 当水箱温度低于 2%时, 3 水箱停止供暖 , 启动  毒 、 无污染 、 溶液呈中性 ; aI?H O的价格 比较  ③CC 6 z  
土壤 源热 泵  ,  

便宜 , 大概 90 t 0 ¥/  。
2 3 C C2 H O用 量 的确 定  .  a I ?6 2 C C2 6 2 a I?H 0用 量 的确 定主要 是根据 蓄热 水 箱 预 

2 相变蓄 热水 箱及相变材料的选择 
2 1 相变 蓄 热水箱 的工作 原理  . 图 2 示 为相 变蓄 热水 箱 示 意 图。相 变 蓄热 材  所 料 (C 封装 在 聚 乙烯 塑 料 内并 置 于换 热 器上 , 1 M) ) 水  箱 中的水 与盛 装 P M 的塑 料小 桶 进 行 热交 换 , C 同时 

期所能贮蓄的热量来确定。蓄热水箱 的蓄热量 Q  
可表 示为 :   Qh= Q  h  =】 】 A d 7 7  , h    () 1  

塑料容器与蛇形盘管 中的载热介质进行热交换 , 把 

其中 ,   —太 阳 集 热 器 1 Q. — d中 收 集 的 太 阳 能;  

  叩 ——太 阳集热器  热量传递给系统 , 该蓄热水箱克服 了以往水箱需承  A ——太阳集热器的集热 面积 ;      压和相变材料 易分层 的缺点 。本系统 中, 相变蓄热  的* 均集 热 效 率; ——蓄 热 水 箱 的 蓄 热 效 率;   . ——太阳辐射 1*均值。 3   水 箱通 过热 交 换器 与 系统 相连 , 承 受系 统压 力 , 不 而  ,
且 相 变材料 封 装在 小桶 中 , 增加 了换 热 面积 。   相变材 料 蓄热 时 , 温度 变化 范 围为 2 8~5 ℃ , O 则 

维普资讯 http://www.cqvip.com

l 2期 



芳 等 : 变 材 料 在 太 阳 能一 源 热 泵 系 统 巾 的 应 用  相 地

每千克相变材料的蓄热量 q 为 :    
qc P  M ×( 2   +c  T T 一T )   ×(  一T )   ( ) p 1+ 2 

C— — 载热 介质定压 比热 , (gK) o p J k ? ;T —— 水箱( / 风 

机盘 管) ¨温度 ; i 水箱 ( 出 T—— 风机盘管 ) 1温度 。 进: 3  

. 其中,1 7——蓄热起始温度 , ; 2 , ℃ T——蓄热终 止温  3 2 实验 数据 分析  由图 3 图 4及 表 1 、 可看 出 :   度 , T— — 相 变 温 度 , ;  —相 变 材 料 的 固  ℃;   ℃ Cs p —

态 比热 ,J( ? ;Cl — 相 变 材 料 的 液 态 比热 , k/   K) p —   k/k ? ) , —相 变材 料潜 热 ,J( ? )  J(gK ;J — k/ K 。  

1在水箱蓄热的初期阶段( 2 3 )水箱 内的 ) 前 ~ h,  
水温 和 P M 的 温 度 在 P M 融 点 附 * 变 化 (8~ C C 2  

2C)尽 但 因此 , 据蓄 热 水 箱 的蓄 热 量 和 单 位 蓄热 材料  3 o , 管这 一 阶 段 水 温 上 升 不 大 , 单 位 时 间 的  根 蓄热量最大 , 占总蓄热量 的 6 %以上 。当进 行到一  0 的蓄热晕可计算出相变蓄热材料 的质量  :  
MP c M=Q sqc    p h M / () 3 

定 程 度 , 箱 得 到 的热 量 比 P M 吸 收 的 热 量 多 时 , 水 C  

本实验 中相变蓄热材料 C C ? H0的用 量可  a1 6 2 ,
为计算值 的 8% , 主要是 考 虑 到集热 器水箱 、 0 这 蓄热  器水箱 及 系 统 中 的 水 都 要 参 与 蓄 热 。 大 多 数 情 况 

水箱温度开始升高。这一阶段 , 水箱蓄热主要 以潜 
热 的方式进 行 ;  

下, 是在蓄热的同时进行供暖以及在较少太阳辐射  的情 况 下水箱 也能 达 到较高 的温 度 。  
24 C C2 6 0 封 装容 器的选 择  .  a l? H2

\ 

麒  赠 

【軎 __壤 粗  * 

舶 蛇 弧 ∞ 拍控     吕吕 兽 高   本 实验 系统采 用 聚乙烯 长方 体 塑料 小桶 作 为相 
0   tq "


寸 寸

I n

卜  

吕 吕 墨 墨 骞 骞 骞∞   ∞ ∞ ∞ ∞∞   ∞ 骞 ∞  
n 一 03 "  I   n
" t q  c q

变材 料 CC  6 : a1?H O的 封 装 容 器 , 寸 为 10 m × 尺 4r   a



  l
寸 寸

  l

l  


【  


  l


  l

l  

, 

  I
I   n

l  
I   n

  I

I  

I  
 ̄q - 

tq  tq  " "

" t q  tq  "

tq  tq  t " " " q 

寸  寸
n  

I  

n I   I   1   n n

' t - q 

' t - q

 ̄ - q  tq - '

1 m 7m 肇厚约 ll, 2 m× 0 m, 0 nl每个小桶盛装相变蓄热  ' I 3
材料 (C 约 2g 共 需 15个 。它 具 有 : 与 相变  P M) k, 2 ①

n   n  

n  

n  

、   n  n  n  n   n  j

时 划 

材料相容性好 , 不被 P M腐蚀 ; C ②材料结构稳定 ; ③  容器壁薄 ; ④材料韧性大 ,C P M体积的变化对容器的   密封性影Ml ; I,⑤封装容易 , l 价格便宜等优点。  

=柰  淼    内的腰 一水内的度 :水 2温  : 籍 1温 =箱   褶 
桶 1的 温度  一 窀内温度 


t 桶 2的温度 

图 3 水箱测点 温度曲线罔 
Fg 3 C r e  fs re   on e e aue o   n   i .  u v s o u v y p it mp rtr   f a k t t

3 实验 数 据 处 理 及 分 析 
3 1 实验 数据 处理  .

本系统 已连 续 运 行 两 个 供 暖 期 , 哈尔 滨 地 区 的 

冬季供暖室外计算温度为 一 6 供暖期从 l 2 ℃, 0月 l 9  
日至 次年 的 4月 l  共 16 。为 了能更 好反 映系  3 R, 7 d
昌昌 吕 兽 兽 兽 昌 兽 昌 兽 昌 兽 昌 昌  
呈   薯 

统 中各 设备 的运 行 状 况 及系 统 的运 行 特性 , 选 取  将
天气较 好 的两天 (0 4年 3月 2   20 4 R及 3月 2 5日) 作 

毒  
q  一 

t " q  
时划 

具体的分析。3 2 月 4日和 3 2 月 5日最高温度 、 最低 
温度分 别 为 4 , ℃和 l℃ , ℃ , 向 风 力 都  ℃ 一2 O 一2 风 为西且小 于 3级 。2  4R全 大 为 晴天 ;5日中午 1   2 2: 3 ~1 :5多 云 , 它 时 『 为 晴 天 。这 两 天 中 , 系  O 35 其 丌 J 本 统 的运 行 模式 为 “ 箱 蓄 热一 太 阳能 直 接 供 暖一 水  水 箱直 接 供 暖一 水 箱 蓄 热 ” 系 统 运 行 数 据 见 表 l 。 。   相变 蓄热水 箱 中各测 点温 度 曲线 和相 变蓄 热水 箱 蓄  ( ) 量 曲线 见 图 3和 图 4 放 热 。水 箱 瞬 时 蓄 ( ) 及  放 热

图 4 蓄热水箱蓄( 热最 曲线图  放)
Fg4 C reo  a s r e(m  ̄ o ) f a k i   uv f e t t a e i n o  n  . h  o g d t

表 1 系统运 行数据表 
T b e 1 E p r n r s l   fs s m o e ae   a l   x e i t e ut o y t   p rt d me   s e

风机盘管瞬时供热量可表示 为:  
q =疵 ×c ×( 1一7 )   7 。 1  i () 4 

其 中,  —— 水 箱 ( 机 盘管 ) 风 内载 热 介质 流 量 ,gs k/;  

维普资讯 http://www.cqvip.com

13   24

太 

阳 

能 

学 

报 

2 7卷 

2 蓄热后半 阶段 , ) 发生相变 的 P M越来越少 , C   的蓄热量也迅速下降。这个 阶段水箱主要以显热 蓄  热为 主 ;   3蓄 、 ) 放热 阶段 , 蓄热 阶段 的流量 比放热 阶段 
高;  

的 C P值为 64 , O . 远大于其它热泵 系统。可见 , 9 本 

水箱温 度上 升很快 , 热器 的集 热 量 迅速 下 降 , 集 水箱  太 阳能 热 泵蓄热 系统 的节能 效果 是非 常 明显 的 。  

4 结  论 
本 文针‘ 太 阳能 地 源 热 泵 系 统 的 蓄热 装 置 , 对 研 

大, 蓄热阶段换 热器的换热 系数高 , 水箱 蓄热效 率  究 _ 『 相变蓄热材料的选择和用量 ,特别是相变蓄热 
水箱的布置及结构 , 克服 了以往 水箱须承受系统 压  4在蓄热过程中, ) 水箱中上、 下层水温相差很小, 力的缺点, 大 了换热 面积, 免 了相 变材 料 的分    增 避 层 。本 文还 对太 阳能地 源热泵 系统 的最 佳运 行 模式  因此, 可以认为在蓄热阶段水箱内温度场均匀一致 ;   5对整个系统来说 , ) 利用水箱 直接供热是最 节  及转换条件进行 了探讨 , 从而使 整个 系统 的总供热  能的。因此 , 在运行时应充分利用水箱 蓄 、 放热来供 
暖。  

C P值 显著 提 高 , 能效 果 明显 。 O 节  

[ 参考文献 ]  
[ ] 旷玉辉 ,王如竹 . 阳能热利用技术在 我国建筑 节能中  1 太 的应 用与展望 [] 制冷与空凋 ,0 114 :7 4  J. 20 ,( )2—3 .
t ema e h oo y u e     n ry c n e st n i  u lig     h r l c n lg   s d i e eg   o v rai   b i n s i t n o n d n

实验 进 行 期 间 , 系统 总供 热 量 为 19 . M , 306 J 占  9

建筑采 暖负荷 的 6% , 中有效 利用 的太 阳能 为  2 其 暖占采暖负荷的比例来看 , 系统 也 可以在室外 温  本 度更低的天气条件下运行 ,但系统 的运行模式将 有 
所改变 。太 阳能 热泵 的运 行 时间将 随着 室 外温 度 及 

1   un u u, n uh A pi t n dpo et foa n ci a s   s r 12 .3 J占建筑物采暖负荷的 5%。从太阳能供  [ ] K agY h i WagR z . pl ao n r pc o l   209M , 3 ciaJ .R fgr i  n  i C n t n g 0 1 i4 : h [] ei a o adAr odi i ,20 , ( ) n re t n   i on  
2 - 4. 7 一3  

[ ] M h tEe .Te lprr ac fasl-ie a n 2  eme sn hr   f m ne o  o r dd let   ma e o   aa t  ha s r ue  r pc et gb et u p J . o  n  et t  sdf   ae an y a pm [] Sl E —  o e os h i h   r a

太阳辐射的降低 而减少 , 其它辅助 热源的运行 时问  

将增加 , 系统 的 C P也将 随之 降低 。常用热 泵 的  O e y20 ,9 1 :l— 2 . r ,10 6 ( ) 5 5  g 3 C P性 能指 标见 表 2所示 l。从 表 中可 知 , 系统  O 4 ] 本 [ ] Bln a a Js M Man Li   aea R v wo  e- 3 e   l 。 o6   r , us FC bz. ei   t r 6Z b   i a e nh  
表 2 常用热泵 C P比较  O
T b e 2 C mp r o   f C P o  i ee t e tp mp a l   o ai n o  O   f f rn   a u     s d h  

n   n r  trg   i   h s   h n e ml e g s a ew t p a ec a g :mae as e t mn  ̄r e y o h tr l ,h a  s   i t

n l i a  p laos J . pldT e l ni e n , aa s  d api t n[] A pi   hra E g er g y sn ci e m  ni  
20 0 3.2 3:2 — 2 3  51 8 .

类型 

C P值  O
6.   49

太阳能热泵蓄热系统 
空气源 热泵 
水 源 热 泵  土 壤 源 热 泵 

[ ] 杨卫波 , 华 . 4  董 土壤源热泵的研究与开发 [] J .能源技 
术,03 2 () 4—24  20 , 4 6 :2 1 4 .

3左 右 
4 ~5  

[ ] Yn  i , ogH a R sa h ddvl m n o g ud 4 agWe o D n  u . e r    ee p etf r n  b e ca n o   o Sl eha p m  y e J .E eg  u e  eh o g , Or  et u psa m[ ] nr S r sT cnl   le   yo c o y
20 , ( ) 2 l 24  03 2 6 : 一 4 . 4 4

3左 右 
4以 上 

太阳能热泵 

AP II P  CAT ON    HAS CHANGE Ⅳ TE AL  I OF P E    RI D S OLAR  AS l T S S ED  GROUND  OURCE  S HEAT PU P S TEM    1 Ⅳ即  l YS
WagF n  Z egM ou ,L h n a 。 L i ag e n a g ~, hn  ay 。 i o ̄i , e B w i Z n  n  
( . il ni n et n i en cdm ,H rnl tu   1 Cv E v om n Egn rgAae y ab t il o 西咖 i r ei i  ̄ tef  ,H rn 109 , hn 2 H ri n zsyo  ab  500 C i i a; . ab U k rt  n ei f Si c & Tcnl y nb  500 hn 3  eTi  abr ni en  w t ai c ne e o g ,H m 10 8 ,C i e h o v a; ,  hr H r   gn r b  ̄ i tn& D. nl it ,Sa li 002 ht) d o E ei g g o ei   tt h n u  0 3 ,C b    ̄  ̄tte g g  ̄2 a

A s atAm da ha sp l f c a o f o r sie ru ds reha p m S G P yt bt c. ie t et u p  ut t no sl   s t gon — uc et u p(E H )ss m,a n r  t - r     yl u i   a a sd o   e neeg s r y o 

aet kW   s l d I re   duth et u p   ds b i  fh   s m, h eca g  ae a ( C wt g  n  a i t l . no r oajs t ha sp l a  t it o  es t pa   n em t i P M) i  a s n ae d t  e   yn a ly t y e s h r l h
te c a a tr t   f tr g a d e t n   n ry W   s d td ig te o e ai g mo e  d c n eso   o dt n o  e h   h rce si o   o n     mi i g e eg   a u e .Su yn  h   p rt   d la   o v rin c n i o   ft   i c s i n t s n n i h S G S w t   n e eg  tr g  a k,t e s s m p rts a    p i lc n i o E HP   i a   n ry s a e tn h  y t o e ae   ta o t   o d t n.T e s s m’   v rl a ea e h ai g h o e ma i h  yt e So e al v rg   e t     n C P W  mp o e   d r a h d u     5. O   a i rv a  e c e   p t 6.   s d n o Ke wo d : e ts r e h e c a g   tr ;s l   n ry g o n —o le h a p mp y r s h a t a ;p a   h n e ma e a o g s i l oa e eg   r u d s u   e t u   r  ̄  

联 系人 Emalzeg ay @13 cn — i: n m ou 6 .o   h


相关推荐

最新更新

猜你喜欢