空氣能+太陽能儲能供熱系統(tǒng)性能分析

劉鋒，丁錦宏

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空氣能+太陽能儲能供熱系統(tǒng)性能分析

劉鋒，丁錦宏

（廣東省河源市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東 河源 517000）

通過搭建空氣能+太陽能儲能供熱系統(tǒng)，結(jié)合空氣源熱泵、太陽能及電能等提供熱源，對三種能量的匹配，尋求合適的運行模式。對空氣能+太陽能儲能供熱系統(tǒng)進(jìn)行能源匹配，將用戶側(cè)的運行費用降至最低，同時達(dá)到節(jié)能減排目的。

太陽能；空氣能；相變儲能；熱源匹配

相變儲能技術(shù)主要利用相變材料發(fā)生物理相變時會吸收或釋放大量相變潛熱的特性，從而實現(xiàn)能量的儲存[1]。根據(jù)相變儲能的特性，利用該技術(shù)可在能量供過于求時對能量進(jìn)行儲存，在能量供不應(yīng)求時將所儲存的能量釋放，緩解能量的供求平衡[2]。Esakkimuthu S.研究了使用HS58（無機(jī)鹽相變材料）潛熱蓄能單元來儲存太陽能過剩的可行性[3]。黃金強等人基于相變儲能技術(shù)以及太陽能集熱技術(shù)搭建的系統(tǒng)，能夠滿足實驗房間的供暖需求[4]。本文主要搭建了空氣能+太陽能儲能供熱系統(tǒng)，系統(tǒng)將匹配空氣能、太陽能和谷電能等各類清潔能源，使系統(tǒng)進(jìn)行最為經(jīng)濟(jì)的運行模式。

1 系統(tǒng)搭建

考慮到某地區(qū)的太陽能輻照量并不低，而且冬季的室外溫度不算太低（全年最低氣溫一般不低于﹣5 ℃），考慮將太陽能與空氣源熱泵結(jié)合使用作為熱源對儲能裝置進(jìn)行蓄熱，充分考慮優(yōu)先使用清潔能源。某地區(qū)是執(zhí)行峰谷電差價試點城市之一，有峰谷電差價的存在，可將谷電時段的電能利用電加熱管儲能在相變材料中，其加熱功率較大，可降水加熱至沸騰甚至更高溫度。蓄熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 蓄熱側(cè)系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)性能分析

該系統(tǒng)匹配了空氣源熱泵、太陽能及谷電加熱等熱源，為更好地利用各能量，對各熱源進(jìn)行系統(tǒng)蓄熱能力測試。由于空氣源熱泵則對溫區(qū)有要求，目前本項目所使用的熱泵所能加熱的最高溫度為55 ℃，不能達(dá)到相變材料的相變溫度78 ℃，因此在空氣源熱泵加熱完的基礎(chǔ)上增加電加熱，利用夜間谷電對儲能裝置進(jìn)行儲能，白天進(jìn)行供暖。

2.1 空氣源熱泵-谷電蓄熱測試

在谷電時段，利用空氣源熱泵結(jié)合電加熱對裝置進(jìn)行儲能。當(dāng)時間處于谷電時段，空氣源熱泵自動開啟并為裝置儲能，直到裝置內(nèi)的水溫達(dá)到55 ℃，空氣源熱泵停止工作。電加熱隨后開啟，并由溫度控制器控制，停止溫度為90 ℃，85 ℃啟動電加熱，直到裝置儲能完成并進(jìn)行保溫。空氣源熱泵結(jié)合谷電進(jìn)行儲能的測試曲線如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵-電加熱儲能測試曲線

2.2 太陽能-谷電蓄熱測試

當(dāng)太陽能集熱器收集的太陽能不足以加熱儲能裝置時，停止太陽能集熱器側(cè)的循環(huán)水泵，再利用谷電再對儲能裝置蓄熱，直到裝置內(nèi)部相變材料的溫度升至85 ℃，能量儲存完成。太陽能-電加熱蓄熱測試如圖3所示。

3 供暖性能測試

將裝置能量蓄滿后，相變材料吸收潛熱之后，對某公司員工宿舍進(jìn)行供暖測試，供暖對象為3.5 m×3.8 m×3.2 m房間，一共4間，維持室內(nèi)溫度20～21 ℃。循環(huán)工質(zhì)為水，散熱器通過智能溫度控制，啟停溫度分別為20 ℃、21 ℃，即當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到21 ℃時停止供暖，當(dāng)室內(nèi)溫度低于20 ℃時開啟電磁閥繼續(xù)供暖。現(xiàn)對供暖房間的某一間進(jìn)行測試，蓄熱水箱在供暖放熱時各個測點的溫度變化曲線如圖4所示。蓄熱水箱在供暖過程中可維持20～21℃的室內(nèi)環(huán)境溫度接近12 h。

圖3 太陽能-電加熱蓄熱測試

圖4 供暖測試各測點溫度變化曲線

從裝置的供暖曲線可以看出，相變材料的相變平臺明顯，在供暖情況下，裝置儲存的能量可以進(jìn)行緩慢釋放，由于相變材料本身就屬于二次換熱，其將能量先儲存起來，待需要用熱時再進(jìn)行換熱，在實際供暖或供熱水應(yīng)用中，相變儲能裝置在供暖方面比直接供應(yīng)熱水更有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文主要對設(shè)計的空氣能+太陽能儲能系統(tǒng)進(jìn)行了討論，系統(tǒng)結(jié)合使用了太陽能、空氣源熱泵及電能，通過對三種能量的匹配，找到合適的運行模式。在搭建了以儲能球為儲能單元的供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分考慮某地區(qū)的天氣情況，對系統(tǒng)進(jìn)行能源匹配，對熱源的匹配進(jìn)行控制，分為太陽能+谷電和空氣源熱泵+谷電兩種運行模式，可在一定程度上降低系統(tǒng)運行費用。

［1］張仁元.相變材料與相變儲能技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］李艷.相變儲能材料熱性能研究［D］.濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2012.

［3］Esakkimuthu S，Hassabou A H，Palaniappan C，et al.Experimental investigation on phase change material based thermal storage system for solar air heating applications［J］.Solar Energy，2013，88（1）：144-153.

［4］黃金強，羅繼杰，馮國會，等.基于相變儲能和毛細(xì)管網(wǎng)末端的太陽能利用集成系統(tǒng)［J］.暖通空調(diào)，2012，42（6）：110-113.

2095－6835（2019）05－0010－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.010

劉鋒（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為熱泵儲能技術(shù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕