光熱吸收式蓄熱熱泵的設(shè)計分析

趙洋　賈巖　李梅　賈瑜

光熱吸收式蓄熱熱泵的設(shè)計分析

趙洋賈巖李梅賈瑜

本文介紹一種光熱吸收式蓄熱熱泵采暖系統(tǒng)，該套系統(tǒng)主要采用水循環(huán)系統(tǒng)及太陽能蓄熱加熱系統(tǒng)，文中主要對該系統(tǒng)的組成進行介紹并對其工作原理進行分析，通過對其節(jié)能原理的分析簡要介紹該套系統(tǒng)的優(yōu)點及可行性。

太陽能熱泵；蓄熱；溴化鋰-水系統(tǒng)

能源是人類賴以生存的基本要素，是中國經(jīng)濟和社會發(fā)展面臨的最嚴重的問題之一。在我們所消耗的能量中的 90% 以上來源于礦物質(zhì)燃燒，如煤、石油、天然氣等。但是礦物質(zhì)燃料的蘊藏量總是有限的，以目前的開采速度，煤和石油的貯藏量正在迅速減少。另外，礦物質(zhì)燃料所造成的環(huán)境污染問題，己經(jīng)成為人類的沉重負擔(dān)。因此人類應(yīng)當(dāng)從生存、發(fā)展的長遠利益考慮，開發(fā)新能源。太陽能是一種有效的可再生新能源，現(xiàn)在得到了越來越多的發(fā)展與應(yīng)用［1］。

然而，太陽能也有它相應(yīng)的局限性，太陽能的分散性和間歇性決定了太陽能熱泵系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，而且地域不同、季節(jié)不同、晝夜不同，太陽的日照強度會有很大的差別，并且隨著晝夜交替和季節(jié)變換有規(guī)律的變化。同時氣候條件對太陽輻射的影響也是很大的， 比如陰雨天氣將使太陽輻射能大為降低，甚至無法利用。因此，要想把這些能量密度低、間隙性、不穩(wěn)定的能源為人們所用，就需要應(yīng)用到蓄能技術(shù)，將晴朗白天收集到的太陽輻射能所轉(zhuǎn)換成的熱能存貯起來，以供陰雨天或夜間使用。

相變蓄能是能量存貯技術(shù)中最有良好前景的一項技術(shù)，它是利用物質(zhì)在凝固/融化、凝結(jié)/汽化、凝華/升華以及其他形式的相變過程中，常伴有較大能量的吸收或釋放的原理，蓄能技術(shù)即是應(yīng)用該原理進行能量的蓄存和釋放。相變蓄能具有蓄能密度大、溫度變化小等許多優(yōu)點，是目前國內(nèi)外研究的熱點，并己在工程中有應(yīng)用。

在相變蓄熱材料方面，我國己有一定的研究，對于單一相變材料如水合無機鹽等有其相應(yīng)的缺點，例如其大多相變溫度都在30℃左右，很難用于高溫蓄熱，更無法用于蓄冷，因此，國內(nèi)外己經(jīng)開展了對于復(fù)合相變材料的研究，這不但將相變溫度的范圍拓廣，更使得材料的溫度波動小，蓄能量更大。目前，還沒有設(shè)置相變蓄熱裝置的太陽能系統(tǒng)，因而開發(fā)一種帶有相變蓄熱裝置的太陽能熱采暖裝置，可以使得太陽能采暖系統(tǒng)在陰雨天也能夠正常應(yīng)用，提高了太陽能產(chǎn)品的實用性［2］。

1.光熱蓄熱熱泵系統(tǒng)的設(shè)計

1.1光熱蓄熱熱泵系統(tǒng)的組成

溴化鋰-水系統(tǒng)是該太陽能蓄熱熱泵系統(tǒng)的核心，與一般溴化鋰-水制冷機不同，系統(tǒng)采用了二級溴化鋰-水循環(huán)，使得該制熱效率更好，同時該系統(tǒng)驅(qū)動能源來源于太陽能，是一種利用低品位能源獲取高品位熱能的制熱系統(tǒng)。

圖1 太陽能蓄熱熱泵系統(tǒng)的組成

圖1所示為包含了太陽能蓄熱部分的溴化鋰-水吸收式熱泵系統(tǒng)，其中溴化鋰溶液循環(huán)系統(tǒng)的主要組成部分包括兩個溶液發(fā)生器3a和3b、兩個溶液熱交換器2a和2b、溶液泵9以及溶液吸收器1，其連接方式為：高壓發(fā)生器經(jīng)過第二熱交換器與低壓發(fā)生器相連，低壓發(fā)生器經(jīng)過第一熱交換器再與吸收器相連。

系統(tǒng)中水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分主要包括兩個溶液發(fā)生器2a和2b，冷凝器4，蒸發(fā)器5以及節(jié)流裝置10組成，該水系統(tǒng)的連接方式為高壓發(fā)生器與低壓發(fā)生器并聯(lián)，并且兩發(fā)生器均與冷凝器相連，冷凝器經(jīng)過節(jié)流閥與蒸發(fā)器相連。

系統(tǒng)中太陽能蓄熱部分的構(gòu)成主要包含太陽能集熱板7、蓄熱裝置6以及電加熱裝置20組成，其連接方式為：電加熱裝置和太陽能集熱板通過水泵分別與蓄熱裝置相連，蓄熱裝置通過水泵，分別與系統(tǒng)中的兩組發(fā)生器以及水系統(tǒng)中的蒸發(fā)器相連。

1.2光熱蓄熱熱泵系統(tǒng)的工作原理

本套太陽能蓄熱熱泵系統(tǒng)主要分為溴化鋰溶液循環(huán)，水循環(huán)及太陽能驅(qū)動力端。

1.2.1溴化鋰溶液循環(huán)過程

來自吸收器中的溴化鋰稀溶液通過溶液泵的作用先后經(jīng)過兩套溶液熱交換裝置，先后與溶液熱交換器中的來自低壓和高壓發(fā)生器中的溴化鋰濃溶液換熱，使得溴化鋰稀溶液的溫度升高并進入高壓發(fā)生器中，高壓發(fā)生器中的溴化鋰稀溶液被來自蓄熱相變裝置中的熱水不斷加熱，此過程中溴化鋰稀溶液中的水分不斷蒸發(fā)，溶液濃度變高。濃溶液經(jīng)過換熱器的換熱作用后噴灑在低壓發(fā)生器中與來自蓄熱相變裝置中的熱水繼續(xù)作用后，水分進一步蒸發(fā)，其溶液濃度也隨之變高。此后溴化鋰濃溶液經(jīng)過換熱裝置直接噴灑在吸收器中，并吸收來自蒸發(fā)器中蒸發(fā)掉的水蒸氣變?yōu)殇寤囅∪芤哼M入下一次循環(huán)。

1.2.2水溶液的循環(huán)過程

本文1.2.1中所述溴化鋰稀溶液先后在高壓發(fā)生器及地下發(fā)生，其中完成發(fā)生作用，產(chǎn)生的水蒸氣并聯(lián)進入冷凝器中通過相變反應(yīng)從水蒸氣冷凝為液態(tài)水，散發(fā)出來的熱量經(jīng)過風(fēng)機盤管11進行供暖。剩余的液態(tài)水經(jīng)過節(jié)流裝置降壓后進入蒸發(fā)器中被來自太陽能產(chǎn)生的熱水加熱后蒸發(fā)并被吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收，從而完成了一次水循環(huán)。

1.2.3太陽能蓄熱端工作原理

太陽能集熱板產(chǎn)生的高溫水在泵的作用下經(jīng)過相變蓄熱材料分別可以與高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器及蒸發(fā)器相連，并在與每組裝置相連的管道上設(shè)置開關(guān)閥門用以保證太陽能所產(chǎn)生的熱水可以分別與三者作用。高低壓發(fā)生器及蒸發(fā)器均是系統(tǒng)中的吸熱部件，有效的利用太陽能集熱裝置制取的熱水可以在一定幅度上節(jié)約系統(tǒng)所消耗的電能，在系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)，仍然可以利用太陽能熱水對相變裝置進行持續(xù)加熱，將太陽能儲存后可以用于保證在夜晚及陰雨天氣下的系統(tǒng)在一定時間內(nèi)的運行。

2.蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計及原理介紹

2.1蓄熱材料及裝置的設(shè)計

2.1.1蓄熱材料選擇

目前我國使用的相變蓄熱材料根據(jù)其化學(xué)成分主要可以分為無極相變材料、有機相變材料和復(fù)合相變材料。其中無機相變材料主要包含結(jié)晶水合鹽類、金屬類及合金類，其中一些材料如KNO2·NaNO3熔鹽、CaCL2·6H20等普遍有價格便宜、體積蓄熱密度大等優(yōu)點。但其材質(zhì)的相變溫度較低，一般多在30℃～70℃，不適宜用于本套高溫相變系統(tǒng)。而有機相變材料如脂肪酸和一些高級脂肪烴、醇類的相變溫度相對較高，并且這類相變材料還有無腐蝕、熱效率高等特點，比較適合用于本套太陽能蓄熱相變系統(tǒng)。因此，本文所設(shè)計的太陽能蓄熱系統(tǒng)選材質(zhì)為石蠟類相變材質(zhì)C40H82，其相變溫度在80～90℃，相變潛熱約為240kj/kg［3］。

2.1.2蓄熱裝置的設(shè)計

本套蓄熱系統(tǒng)主要包含太陽能端、進出水端、蓄熱材料及保溫外殼。

圖2 蓄熱箱構(gòu)成圖

圖2所示的是蓄熱裝置的設(shè)計剖面圖，其中主要包含C40H82相變蓄熱材料604、太陽能集熱器的散熱管道605、電加熱散熱管道606、絕熱板外殼603以及進出水管道601及602。

2.2蓄熱裝置的工作原理

本套太陽能蓄熱裝置的驅(qū)動能源主要來源于太陽能，通過太陽能集熱板產(chǎn)生的熱水，加熱絕熱板中的水溶液驅(qū)動整套溴化鋰吸收式熱泵機組同時使得絕熱層中的C40H82從固態(tài)像液態(tài)完成相變，當(dāng)太陽能不足的時，則使用電加熱裝置加熱系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)熱源水。在相變蓄熱材料完全相變成液態(tài)后，可使其充分放熱驅(qū)動整套系統(tǒng)完成制熱循環(huán)。

3.光熱蓄熱熱泵系統(tǒng)的可行性分析

3.1集熱性能分析

本文設(shè)計的太陽能熱泵系統(tǒng)所采用的太陽能集熱裝置為太陽能真空管集熱器，假定其光熱效率≥80%［4］。

表1給出了10-4月每月隨機選擇光照較好的一天進行對光照強度的實測，結(jié)果顯示出，北京在4-10月中的晴朗天氣下存在平均輻射強度高于600W/m2的可能。

表1　北京10-4月10：00～17：00實測光照強度表

根據(jù)公式（1）計算得到太陽能真空管的產(chǎn)熱量約為432W/m2，對于平頂?shù)膭e墅而言，一般屋頂可放置的太陽能集熱器的面積應(yīng)≥50m2，因此對于此種情況應(yīng)用太陽能可以提供約22kW的熱源用以驅(qū)動熱泵系統(tǒng)運行，考慮供熱熱泵的COP以及各項損失以30%計，仍可以得到15.4kW的供熱量，基本滿足戶內(nèi)一部分的供熱需求。因此可以判定，該套系統(tǒng)在理論上可以滿足一些晴朗天氣下的部分供暖需求。

3.2蓄熱材料用量分析

根據(jù)本文2.1.1中介紹，該系統(tǒng)所選用的蓄熱材料為C40H82，其相變潛熱約為240kj/kg，根據(jù)3.1中的理論估算太陽能所產(chǎn)出的熱能容量約為15Kw：

m = P / C（2）

根據(jù)公式（2）計算可得，所需蓄熱材料的質(zhì)量約為227kg/h，即若使該相變材質(zhì)提供15kW的供熱量，一個小時之內(nèi)至少要消耗掉227kg材料。從數(shù)據(jù)上看，蓄熱裝置的可行性比較差，無法提供較長時間穩(wěn)定的熱能輸出，應(yīng)尋找潛熱更高，體積更小的蓄熱材料進行代替。

3.3太陽能蓄熱熱泵的優(yōu)勢總結(jié)

通過對本次太陽能蓄熱熱泵的設(shè)計介紹和理論分析，可總結(jié)本文所述的太陽能蓄熱熱泵系統(tǒng)仍有以下兩點優(yōu)勢：

3.3.1設(shè)計前提是采用可再生能源，并且利用低品位能源獲取高品位能源，從設(shè)計思路和理論分析上都證明使用太陽能驅(qū)動熱泵有一定經(jīng)濟性和環(huán)保型優(yōu)勢。

3.3.2蓄熱系統(tǒng)雖在可行性上有一定不足，但在原理上可以給未來的熱泵設(shè)計提供一定思路。

4.結(jié)束語

通過設(shè)計原理的闡述和部分理論及可行性分析證明該種光熱吸收式蓄熱熱泵具有一定的可行性，但在現(xiàn)階段，由于太陽能光熱裝置價格過高、雖然其光熱效率較高但體積較大，另外蓄熱裝置的潛熱不夠，使得這套系統(tǒng)實施較為困難。然而，若從節(jié)能減排的角度上考慮，這種光熱熱泵則具有相當(dāng)大的潛力。同時，對于一些電力短缺的地區(qū)和國家，發(fā)展光熱產(chǎn)業(yè)更加具有市場前景。總而言之，這套光熱吸收式蓄熱熱泵系統(tǒng)具有一般熱泵系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點，而且隨著太陽能產(chǎn)業(yè)以及蓄熱材料業(yè)的日漸成熟，光熱熱泵也將會是熱泵系統(tǒng)發(fā)展的一個重要的方向。

［1］ 孫冰冰.太陽能、空氣源熱泵的理論與實驗研究 .天津商業(yè)大學(xué). 2012

［2］ 馬素霞，蔣永明，文博，張亞琦.相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵性能實驗研究.太陽能學(xué)報.2015 （03）

［3］ 董旭，張永貴. 太陽能相變蓄熱應(yīng)用于吸收式制冷的研究.制冷.2012 （04）

［4］魏鳳. 通過太陽真空管光學(xué)性能推倒光熱轉(zhuǎn)換效率的研究.2010年全國科學(xué)儀器自主創(chuàng)新及應(yīng)用技術(shù)研討會論文集. 2010（04）

（作者單位：中國建筑設(shè)計院有限公司）

TU238.3

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1671-3362（2016）10-0054-03