蓄能材料對內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)冬季性能的影響

吳 薇，夏 曼，尹正宇，高旭娜，黃金燕，秦芷萱

蓄能材料對內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)冬季性能的影響

吳 薇，夏 曼，尹正宇，高旭娜，黃金燕，秦芷萱

（江蘇省能源系統(tǒng)過程轉化與減排技術工程實驗室，南京師范大學能源與機械工程學院，南京 210042）

為充分利用太陽能，提高太陽能熱泵系統(tǒng)能效比，該研究提出了一種蓄能型內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)，可實現(xiàn)太陽能分季節(jié)最大化利用。搭建了系統(tǒng)性能試驗臺，在南京地區(qū)開展了2 a的試驗研究，對比分析了相近環(huán)境條件下充灌或未充灌相變材料的系統(tǒng)瞬時集熱效率、平均集熱效率、系統(tǒng)性能系數(shù)和供水水溫等隨太陽輻射波動性的變化規(guī)律。結果表明在與冬季白天相近的太陽輻射強度、太陽輻射波動性和環(huán)境溫度下，充灌相變材料系統(tǒng)的瞬時集熱效率波動性比未充灌的系統(tǒng)降低近60%，平均集熱效率較未充灌的系統(tǒng)提高25%以上。夜間工況下，充灌相變材料系統(tǒng)的COP（coefficient of performance）可達3.0以上，且能更快達到供熱水溫50 ℃，時間縮短20%以上。研究結果可為太陽能熱泵系統(tǒng)的推廣應用提供參考。

太陽能；熱泵；效率

0 引 言

能源危機以及環(huán)境污染日益加劇，2018年1月發(fā)布的《中共中央國務院關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》提出，優(yōu)化農村能源供給結構，大力發(fā)展太陽能、淺層地熱能、生物質能等。中國南方地區(qū)農村住宅分布范圍廣，科學運用太陽能熱水系統(tǒng)能夠提升能源綜合利用率和生態(tài)環(huán)境質量。太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能作為熱泵的低溫熱源，可提高性能系數(shù)[1-2]、?效率[3]，提升系統(tǒng)的綜合性能[4-5]，實現(xiàn)能源的高效利用[6]。但太陽能熱泵系統(tǒng)同太陽能熱水器一樣受環(huán)境、氣候等因素的影響較大，在夜間及陰雨天（即太陽輻射強度低于250 W/m2時）難以正常工作[7]。利用蓄能材料的相變潛熱儲存太陽能，可以在夜間和陰天太陽能不足時向系統(tǒng)提供熱量[8]，減少集熱器面積[9]，克服太陽輻射波動性對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)能效比[10-11]。Feliński等[12]研究表明在太陽能真空集熱管中充灌相變蓄能材料可以減少系統(tǒng)在夜間的熱量損失。Youssef等[13]發(fā)現(xiàn)加入相變蓄能裝置后，太陽能熱泵系統(tǒng)在晴天和陰天的平均性能系數(shù)分別提高了6.1%和14.0%。可見加入蓄能材料可以顯著提高太陽能熱泵系統(tǒng)在夜間和陰雨天的性能。

由于熱管具有無動力溫差小高效傳熱等特性，許多研究者將其應用于太陽能集熱器中[14-16]。Nkwetta等[17]研究了2種不同類型的太陽能集熱器，發(fā)現(xiàn)應用熱管后這2種集熱器的集熱性能均得到提升。Rittidech等[18]發(fā)現(xiàn)充注R134a工質的開放和閉合回路的振蕩熱管應用到太陽能集熱器中，集熱效率分別可達62%和76%。這些研究表明熱管應用于太陽能集熱器后可提高系統(tǒng)熱力性能。

目前對于蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)的研究主要側重于系統(tǒng)性能的提升，關于添加蓄能材料后提升系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的研究相對較少。曠玉輝等[19]搭建了一種帶有蓄熱水箱的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)試驗臺，研究結果表明蓄熱水箱可以使蒸發(fā)器日平均吸熱功率的變化趨于穩(wěn)定，即可以彌補太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性。但是使用蓄能材料后性能穩(wěn)定性如何提高沒有給出具體的評價指標。而標準偏差是一種用來衡量波動性的常用指標，標準差越大，波動性和不穩(wěn)定性越強[20-21]。因此，將相近條件下充灌相變材料前后系統(tǒng)相關指標的標準偏差進行對比，可以評價系統(tǒng)穩(wěn)定性。

鑒于以上研究，本文設計了一種蓄能型內插熱管式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)[22]，將太陽能集熱器、相變蓄能容器、振蕩熱管集于一體，利用相變材料儲存太陽能，通過振蕩熱管高效傳熱，根據(jù)太陽輻射強度選擇運行模式，實現(xiàn)太陽能分季節(jié)全天候利用，提高系統(tǒng)整體性能和運行穩(wěn)定性。搭建了蓄能型內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)冬季性能試驗臺，在南京地區(qū)冬季工況下開展了2a的試驗研究，通過大量的數(shù)據(jù)篩選，對比研究了相近的太陽輻射強度、太陽輻射強度標準偏差和環(huán)境溫度下，充灌或未充灌相變材料的系統(tǒng)其瞬時集熱效率、平均集熱效率、系統(tǒng)性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）和供水水溫等隨太陽輻射強度的變化規(guī)律，得到了充灌相變材料對系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 系統(tǒng)工作原理

蓄能型內插熱管式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)如圖1所示，主要由蓄能型內插熱管式太陽能集熱器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、截止閥、水箱和水泵等組成。其中，蓄能型內插熱管太陽能集熱器[23]的結構如圖2所示，振蕩熱管換熱器的蒸發(fā)段以U形管形式布置在太陽能真空集熱管內，相變材料填充在振蕩熱管的蒸發(fā)段與太陽能真空集熱管之間。振蕩熱管換熱器為南京工業(yè)大學設計加工，材料為紫銅，熱管工質為R134a，充灌率為50%。換熱器外殼套在振蕩熱管冷凝段外部，循環(huán)水管路的進口和出口設置在換熱器外殼上，振蕩熱管冷凝段與換熱器外殼之間充滿循環(huán)水。系統(tǒng)可以根據(jù)太陽輻射的季節(jié)性變化，通過切換截止閥，實現(xiàn)不同工作模式的轉換。

圖1 蓄能型內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)圖

圖2 蓄能型內插熱管式太陽能集熱器結構圖

夏季工況下，熱泵處于關閉狀態(tài)，截止閥A、C開通，B、D關閉。夜間時，相變材料將白天儲存的熱量釋放出來，通過振蕩熱管換熱器直接加熱循環(huán)水至所需供水溫度。

冬季工況下，熱泵處于開啟狀態(tài)，截止閥B、D開通，A、C關閉，如圖3所示。蓄能型內插熱管式太陽能集熱器中相變材料傳遞或者白天儲存供夜間放出的熱量有限，不足以直接加熱循環(huán)水至所需溫度。振蕩熱管換熱器通過循環(huán)水將這部分熱量傳遞給熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，通過熱泵循環(huán)將熱量傳遞到熱泵系統(tǒng)冷凝器側，加熱另一側的循環(huán)水至所需供水溫度。

圖3 冬季工況下的測試試驗臺

2 冬季工況下系統(tǒng)性能試驗

2.1 試驗臺介紹

為了研究冬季工況下，不同太陽輻射、不同環(huán)境溫度以及充灌和未充灌相變材料對系統(tǒng)整體性能的影響，在南京師范大學能源與機械工程學院（32°04′26.26″N，118°48′51.89″E）搭建了圖3中的系統(tǒng)性能測試試驗臺，測點分布如圖1所示。

根據(jù)國標《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術標準（GB50364-2018）》[24]中規(guī)定，太陽能熱水系統(tǒng)的供水水溫、水壓和水質應符合現(xiàn)行國家標準《建筑給水排水設計規(guī)范（GB50015-2017）》[25]的有關規(guī)定。根據(jù)國標GB50015-2017，自備熱水供應和淋浴設備的住宅每人每日最高日用水量為40~80 L。取普通三口之家每日所需熱水水量為180 L。

試驗中所用到的測試儀器見表1，其中太陽輻射強度由太陽能輻射計Global Water WE300測量，太陽輻射數(shù)據(jù)記錄儀GL500-7-2記錄。環(huán)境溫度、冷凝器進出口水溫由K型熱電偶測量，循環(huán)水體積流量由渦輪流量計測得，壓縮機和水泵的總功率由功率變送器測得。利用Agilent 34972A數(shù)據(jù)采集儀每10 s采集數(shù)據(jù)1次。試驗中所用相變材料選用國藥集團化學試劑有限公司生產的48#切片石蠟，相變溫度為48～50℃，比熱為2.9×103J/(kg·K)，固態(tài)時密度為912 kg/m3，液體時密度為769 kg/m3，汽化潛熱為234 kJ/kg。

本研究開展了2 a的試驗，第1年集熱器中未充灌相變材料，第2年集熱器中充灌石蠟作為相變材料，通過大量的數(shù)據(jù)篩選，對比研究了相近的環(huán)境條件（太陽輻射強度、太陽輻射強度標準偏差和環(huán)境溫度）下，充灌相變材料對系統(tǒng)克服太陽輻射波動性的影響。

表1 試驗測量裝置

2.2 評價指標

2.2.1 系統(tǒng)集熱效率

冬季白天工況下太陽輻射弱，蓄能型內插熱管式太陽能集熱器傳遞的熱量不足，需要啟動熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)加熱熱水。忽略振蕩熱管換熱器出口循環(huán)水與熱泵蒸發(fā)器傳熱時損失，蓄能型內插熱管太陽能集熱器向外輸出的熱量等于熱泵蒸發(fā)器得到的熱量。從熱泵循環(huán)側能量平衡來看，蒸發(fā)器獲得的熱量等于冷凝負荷與系統(tǒng)功耗的差。因此參照文獻[26-28]，定義冬季工況下系統(tǒng)瞬時集熱效率為

式中為系統(tǒng)瞬時集熱效率；c為水的比熱容，J/(kg·K)；為水的密度，kg/m3；vh為熱泵冷凝器側循環(huán)水的體積流量，m3/s；ho為熱泵冷凝器側循環(huán)水出水溫度，℃；hi為熱泵冷凝器側循環(huán)水進水溫度，℃；為真空管受輻射面積，m2；為太陽輻射強度，W/m2；為系統(tǒng)壓縮機和水泵總耗功，W。

2.2.2 供水水溫

國標《城鎮(zhèn)給水排水技術規(guī)范（GB50788-2012）》[29]規(guī)定，生活熱水系統(tǒng)的供水溫度不低于45 ℃，洗滌用水溫度為50～60 ℃。在南京地區(qū)夜間工況下，對充灌與未充灌相變材料的蓄能型內插熱管式太陽熱泵熱水系統(tǒng)供水溫度開展試驗，對比了從相近水溫加熱到50 ℃供水水溫時2個系統(tǒng)所需時間。

2.2.3 性能系數(shù)

冬季夜間或陰雨天工況下，蓄能型內插熱管式太陽能集熱器中相變材料將白天儲存的熱量釋放出來，通過振蕩熱管換熱器傳遞給熱泵蒸發(fā)器，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)側溫度提高，系統(tǒng)整體性能提升。系統(tǒng)性能系數(shù)為供熱量與系統(tǒng)耗功之比[30]

式中COP為系統(tǒng)性能系數(shù)；w為熱泵冷凝器水側得熱量，W。

2.2.4 標準差

標準差又稱均方差，是離均差平方的算術平均數(shù)的平方根，反映各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的程度，常用來衡量一組數(shù)據(jù)的波動性。

2.3 誤差分析

冬季系統(tǒng)集熱效率可由公式（1）計算得到，其中、w、可視為準確值。故有

式中?為效率的絕對誤差；?為溫度測量的絕對誤差，℃；?為太陽輻射強度測量的絕對誤差，W/m2；?vh為體積流量測量的絕對誤差，m3/s；?為功率測量的絕對誤差，W。

系統(tǒng)COP可由公式（2）計算得到，其中、w可視為準確值。故有

根據(jù)表1各測量儀器的測量精度及誤差，計算可得?/(ho?hi)=0.75%，?/≤2%，?vh/vh≤1%，?/≤0.5%，將相關參數(shù)分別帶入公式（4）、（5）中得到系統(tǒng)集熱效率、COP的誤差分別為2.7%和1.9%。

3 結果與分析

3.1 冬季白天工況下系統(tǒng)瞬時集熱效率

選取南京地區(qū)冬季白天工況下，平均太陽輻射強度、波動性和平均環(huán)境溫度相近的某幾天，分別對充灌和未充灌相變材料的系統(tǒng)集熱效率進行試驗。得到瞬時集熱效率曲線如圖4所示。

如圖4a所示集熱器內未充灌相變材料時，環(huán)境溫度平均為7.6 ℃，平均太陽輻射強度為334 W/m2，太陽輻射的標準偏差為25.90 W/m2，此時系統(tǒng)平均集熱效率為0.55，集熱效率的標準偏差為0.13。

如圖4b所示集熱器內充灌相變材料時，環(huán)境溫度平均為7.5 ℃，平均太陽輻射強度為333 W/m2，太陽輻射的標準偏差為25.63 W/m2，此時系統(tǒng)平均集熱效率為0.74，集熱效率的標準偏差為0.05。

由圖4可知，無論是充灌還是未充灌相變材料，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，系統(tǒng)的瞬時集熱效率均與太陽能輻射強度的變化規(guī)律相反，隨太陽輻射的增強而減小，隨太陽輻射的減弱而增大。對比圖4中充灌和未充灌相變材料的系統(tǒng)瞬時集熱效率曲線可以看出，在相近的環(huán)境條件下，充灌石蠟的系統(tǒng)其集熱效率的穩(wěn)定性優(yōu)于未充灌的系統(tǒng)，波動性減少了61.5%，且充灌石蠟的系統(tǒng)集熱效率大于未充灌的系統(tǒng)，高出約34.5%。

注：a圖試驗時間為2017-11-19，平均環(huán)境溫度7.6 ℃；b圖試驗時間為2018-12-17，平均環(huán)境溫度7.5℃。

3.2 冬季白天工況下系統(tǒng)平均集熱效率

選取南京地區(qū)2017年和2018年11月至來年3月白天工況下的天氣條件相近的某幾天，將試驗時間段內的太陽能輻射強度、環(huán)境溫度a、瞬時集熱效率取平均值，得到相近太陽輻射強度和環(huán)境溫度下，充灌和未充灌相變材料的系統(tǒng)平均集熱效率對比如表2所示。集熱器輸出熱量隨太陽輻射的變化曲線如圖5所示。

由表2可知，冬季白天工況下，未充灌相變材料時，系統(tǒng)的平均集熱效率隨著太陽輻射和環(huán)境溫度的降低而降低；充灌石蠟蓄熱后，系統(tǒng)的平均集熱效率隨著太陽輻射和環(huán)境溫度的降低而升高。這是因為石蠟的相變蓄熱作用，在太陽輻射降低之后，能夠將之前儲存的熱量釋放出來，太陽輻射和環(huán)境溫度越低，釋放的熱量越多。并且，在環(huán)境溫度、太陽輻射強度、太陽輻射強度波動等情況相近的條件下，充灌相變材料系統(tǒng)的平均集熱效率均高于未充灌相變材料的系統(tǒng)，平均提高了25.5%。

從圖5可知，充灌相變材料的集熱器輸出熱量均高于未充灌相變材料的集熱器，太陽輻射強度越小，差距越大。這是因為太陽輻射低的時候，充灌相變的集熱器內石蠟發(fā)生相變釋放出熱量，減少了系統(tǒng)的熱量損失，提高了系統(tǒng)的集熱效率。

表2 集熱器內未充灌或充灌相變材料時平均集熱效率對比

圖5 冬季工況下集熱器輸出熱量的變化

3.3 冬季夜間工況下系統(tǒng)瞬時性能系數(shù)和加熱時間

冬季夜間工況下，集熱器內充灌相變材料和未充灌相變材料的系統(tǒng)COP和供水水溫隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6a所示為集熱器內未充灌相變材料，試驗時環(huán)境溫度平均為7 ℃，系統(tǒng)平均性能系數(shù)為1.50。由圖6a可知，熱泵從16:30開始啟動，到18:30水溫可升至37.2 ℃，到20:30水溫上升到45.2 ℃，21:40水溫上升到49.2 ℃，之后保持穩(wěn)定小幅度上升，最高水溫為50.1 ℃。水溫從27.4 ℃加熱到50.1 ℃，耗時380 min。

如圖6b所示集熱器內充灌石蠟蓄熱，環(huán)境溫度為4.5 ℃，系統(tǒng)平均性能系數(shù)為3.05。由圖6b可知，熱泵從16:30開始啟動，到18:00水溫即可升至45.2 ℃，到20:30水溫上升到54.2 ℃，之后保持穩(wěn)定。水溫從24.8 ℃加熱到55.0 ℃，耗時290 min。

由圖6對比可知，冬季夜間工況下，充灌相變材料后系統(tǒng)的COP比未充灌相變材料的系統(tǒng)有明顯提高，高出近1倍，且充灌石蠟蓄熱的系統(tǒng)能在更短時間內達到供熱水溫50 ℃，加熱水時間縮短了23.7%。

注：a圖試驗時間：2018-01-14，平均環(huán)境溫度7 ℃；b圖試驗時間：2019-01-06，平均環(huán)境溫度4.5 ℃。

4 結 論

本研究提出了一種蓄能型內插熱管式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，在集熱器內充灌蓄能材料石蠟，通過振蕩熱管高效傳熱，根據(jù)太陽輻射強度切換工作模式，可實現(xiàn)對太陽能的分季節(jié)最大化利用。在南京地區(qū)冬季工況下開展了試驗研究，分析了相近的環(huán)境條件充灌或未充灌相變材料的系統(tǒng)性能隨太陽輻射波動性的變化規(guī)律，結論如下：

1）冬季白天工況下，蓄能型內插熱管式太陽熱泵熱水系統(tǒng)在環(huán)境溫度、太陽輻射強度、太陽輻射強度波動率等情況相近的條件下，利用相變材料潛熱蓄熱的系統(tǒng)瞬時集熱效率波動性比未充灌相變材料的系統(tǒng)減少61.5%，可以克服太陽輻射強度波動性對系統(tǒng)的直接影響。

2）冬季白天工況下，在環(huán)境溫度、太陽輻射強度、太陽輻射強度波動等情況相近的條件下，充灌相變材料系統(tǒng)的平均集熱效率較未充灌相變材料的系統(tǒng)提高25%以上。

3）冬季夜間工況下，啟動熱泵循環(huán)后，利用相變材料蓄熱的蓄能型內插熱管式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)COP可達3.0以上，是未充灌相變材料的系統(tǒng)近2倍，且利用相變材料蓄熱的系統(tǒng)能在更短時間內達到供熱水溫50 ℃。

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Effect of energy storage materials on performance of solar heat pump system with inserted heat pipe in winter

Wu Wei, Xia Man, Yin Zhengyu, Gao Xu’na, Huang Jinyan, Qin Zhixuan

(210042)

In order to make full use of solar energy and improve the energy efficiency of solar heat pump system, an energy storage solar heat pump water heating system with inserted oscillating heat pipe is proposed, whichintegrates solar collector, energy storage tank and oscillating heat pipe together reasonably and effectively. The system can store solar energy with the phase change materials (PCM) filled in the collector, transfer heat efficiently by oscillating heat pipe and switch operation mode according to solar radiation, and can realize the maximum utilization of solar energy in different seasons. In summer, enough heat is transferred or stored during the day to release at night by PCM in solar collector, which is directly used to heat the circulating water through the oscillating heat pipe heat exchanger. In winter, the heat transferred or stored during the day to release at night by PCM in solar collector is low, and the heat is transferred to the heat pump evaporator by the oscillating heat pipe heat exchanger to improve the evaporation temperature of the heat pump, and thus the overall performance of the system is improved. A test rig has also been established for the performance measurement of energy storage solar heat pump water heating system with inserted oscillating heat pipe. Paraffin is chose as phase change material of the system under the consideration of capacity, phase change temperature and latent heat of phase change. Experimental study has been carried out for two years under winter conditions in Nanjing, one year for the test rig without PCMs and another year with PCMs. Under similar environmental conditions (solar radiation intensity, fluctuation and ambient temperature), the variations of the instantaneous collecting efficiency, average collecting efficiency, COP (coefficient of performance) and water temperature of the system filling or not filling PCM with the fluctuation of solar radiation are compared and studied. The comparison and experimental results show that in winter daytime under similar solar radiation intensity, fluctuation and ambient temperature, the instantaneous collecting efficiency fluctuation with PCM is 61.5% less than that of the system without PCM, whichcan overcomethe instantaneous influence of the fluctuation of solar radiation intensity on the system. Meanwhile the average collecting efficiency with PCM is 25.5% higher than that of the system without PCM. At winter night, under similar operation conditions, COP of the system filled with PCM is over 3.0, which is nearly twice as high as that of the system without PCM, and make water temperature reach 50 ℃ in a shorter time, shortening the time by more than 20%.The results can provide theoretical basis for the popularization and application of solar energy heat pump system.

solar energy; heat pump; efficiency

2019-10-24

2020-02-09

江蘇省自然科學基金面上研究項目（BK20151549）；江蘇省太陽能技術重點實驗室開放課題（KLSST201903）

吳 薇，副教授，主要從事太陽能熱利用方面的研究。Email：wuwei@njnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.026

TK519

A

1002-6819(2020)-005-0226-07

吳 薇，夏 曼，尹正宇，高旭娜，黃金燕，秦芷萱. 蓄能材料對內插熱管式太陽能熱泵系統(tǒng)冬季性能的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(5)：226－232. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.026 http://www.tcsae.org

Wu Wei, Xia Man, Yin Zhengyu, Gao Xu’na, Huang Jinyan, Qin Zhixuan. Effect of energy storage materials on performance of solar heat pump system with inserted heat pipe in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 226－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.026 http://www.tcsae.org