基于變頻水泵的多級蓄熱水箱應用于太陽能空調的試驗研究

崔龍騰，金蘇敏

（南京工業大學能源科學與工程學院，江蘇南京 221800）

0 引言

隨著社會的發展，新能源的使用必然成為一種發展趨勢。太陽能作為一種總能量大、可再生無污染的潔凈能源，受到了廣泛的關注。在國際上，用于商業建筑中央空調所系統耗電能約占民用總耗電的50%[1]。在我國，建筑能耗占總能耗的25%[2]，這導致很高的用電成本。而將太陽能應用到空調系 統中必將會產生巨大的經濟和環境效益。蓄熱技術可以有效克服熱量生產與熱量使用在時間和空間上的不匹配問題，利用蓄熱水箱對熱量進行蓄調是一種經濟可行的技術[3]。

蓄熱水箱[4-6]在太陽能空調系統中一直是一個重要的研究領域。目前，有大量學者對蓄熱水箱進行了研究[7-9]。張永信等[10]對有限容積的蓄熱水箱的蓄熱量最大化進行了研究，結果表明加入相變材料可以顯著提高蓄熱系統的儲能密度，但也使系統的結構更復雜。有學者對蓄熱水箱溫度分層[11-13]進行了研究，并提出強化溫度分層的方法[14-15]。但溫度分層對水箱結構要求較高，并且達到良好溫度分層耗費時間更長。王愛輝等[16-18]對分區蓄熱進行了研究，表明減小運行水箱體積可以延長系統工作時間，但是會造成兩區溫差較大以及運行區的溫度波動較大。

本文提出了一種采用變頻水泵的多級蓄熱水箱，它可以使運行水箱在短時間達到較高溫度，并減小運行水箱的波動幅度，使夏季空調始終在較高的性能系數（COP）下運行。

1 多級蓄熱水箱系統

1.1 多級蓄熱水箱原理

多級蓄熱水箱系統如圖1所示，系統由1個體積較小的運行水箱和4個體積相等的蓄熱水箱、變頻水泵和集熱器組成。運行水箱分別與集熱器、蓄熱水箱和用熱設備（單效溴化鋰制冷機）相連，通過閥門的開合來控制蓄熱時不同級數水箱切換。運行水箱相對于蓄熱水箱體積較小，太陽能集熱器收集的熱量開始先用于加熱運行水箱，運行水箱內水溫在較短時間內迅速升高達到用熱負荷的溫度要求，開始向溴冷機供熱從而形成快速啟動的效果。當系統啟動后，在滿足用熱需求之后運行水箱多余的熱量通過變頻水泵逐級傳遞到蓄熱水箱中。

圖1 多級蓄熱水箱系統

1.2 多級蓄熱水箱系統特點

對于變頻水泵的多級蓄熱系統與以往常見蓄熱系統相比，它具有以下特點：

1）水泵通常泵功率是依據負荷最大值的1.1～1.2倍選配，因此存在著很大的能量損耗，采用變頻水泵可以節約能源，此處水泵相當于一個強力高效換熱器，根據運行水箱溫度來調節水泵換熱強度大小，減少不必要的能量損耗；

2）使用大集熱板以及在多級蓄熱水箱設置運行水箱的設計結構，使得蓄熱水箱快速達到用熱需求并且使運行水箱長時間在高溫下工作，這樣在天氣晴朗太陽輻照強的情況下可以不使用輔助熱源，減少了輔助能源的消耗。

2 系統模型及參數設置

2.1 集熱器模型

太陽能集熱器是將太陽能轉化成熱能，從而為系統提供熱量，是太陽能空調系統的主要部件。太陽能集熱器的最佳方位為正南方，對于面向正南方的集熱器，傾斜平面上的太陽直射輻射為：

式中：

ID——水平面上的太陽直射輻射，W/m2；

φ——當地的緯度，°；

β——集熱器安裝角，°；

δ——赤緯角，°；

ω——太陽天頂角，°。

傾斜平面上的太陽散射輻射可用下式算：

式中：

ISH——水平面上的太陽散射輻射，W/m2。

假設地面及建筑物的反射為各向同性，傾斜平面上的太陽反射為：

式中：

ρ——地面的反射率，%。

投射到集熱器上的總輻射強度IZ為：

在熱平衡條件下太陽能單位面積集熱器的有效獲熱量計算公式為：

式中：

η——集熱器的效率，%；

Ac——集熱器的面積，m2。

本文中采用的平板集熱器的效率采用式(6)。

式中：

T1——集熱器流體工質的進口溫度，℃；

Ta——室外氣溫，℃。

2.2 多級蓄熱水箱模型

在系統的蓄熱階段，集熱量大于用熱量，多余的集熱量被水泵輸送到蓄熱水箱中，此過程的數學描述為式(7)。

式中：

Qi——太陽能集熱器的集熱功率，W；

Qu——用熱設備的用熱功率，W；

Vj,k——第j級系統第k級水箱蓄熱的熱水體積，m3；

tj,k——第j級系統第k級水箱蓄熱的熱水溫度，℃。

當太陽能輻射強度不再滿足太陽能空調的用熱需求時，蓄熱水箱將蓄存的熱量反向傳遞給運行水箱保證太陽能空調的正常工作，數學描述為：

2.3 分析模型

對于太陽能空調系統，地區的影響較為關鍵，此處選取南京地區，以7月份典型氣候條件為分析，以家用小型太陽能空調考慮，此處選取普通居民住房為例，建筑面積為118 m2，對其進行冷負荷計算。為了分析方便，換算為單位面積的負荷值，采用真空管集熱器時，集熱面積為2 m2，可滿足2.4 m2、440 W建筑面積的負荷，系統每天工作24 h，每日從早上8:00工作到次日早上8:00。夏季水溫要求較高，熱水溫度不宜超過100 ℃，否則會導致水的沸騰。為了使溴冷機在夏季高效運行，將水溫設定為95 ℃，蓄熱水箱的總體積應為300 L，運行水箱的體積選擇為10 L，單個蓄熱水箱的體積為75 L。本文采用電加熱器模擬，各個時段內的太陽能集熱器的集熱功率，各個時段內集熱功率見表1。

表1 各個集熱時段內模擬太陽能集熱器集熱功率

3 結果與討論

3.1 不同循環水流量對蓄熱影響

圖2為在兩種頻率下水泵蓄熱時運行水箱與蓄熱水箱的工作溫度逐時變化曲線。由圖2看出，由于運行水箱體積較小，運行靈活，在9:00達到95 ℃時，達到了溴化鋰制冷機的理想運行要求，此時開啟水泵，打開第一級蓄熱水箱的閥門，熱量開始從運行水箱向蓄熱水箱傳遞，此時進入第一級蓄熱階段。如圖2(a)所示，當水泵頻率為30 Hz，由于運行水箱與蓄熱水箱之間溫差和體積相差較大，運行水箱再將多余的熱量傳遞給蓄熱水箱，同時還額外向蓄熱水箱釋放了一部分顯熱，導致運行水箱溫度劇烈下降，造成了運行水箱的溫度波動，但波動幅度隨著級數的增加越來越小。第四級蓄熱水箱在下午18:00完成蓄熱。

圖2(b)中水泵流量為1.2 L/min，當水泵的流量增大，會引起第一級蓄熱階段溫度波動次數的增加，這是因為在09:00—11:40期間，太陽輻射相對較小，增加流量導致運行水箱的溫度下降更劇烈。單效溴化鋰制冷機的COP在90 ℃以下運行狀況很差，當運行水箱的溫度低于90 ℃時關閉第一級蓄熱水箱的閥門，停止蓄熱直到運行水箱的溫度上升到90 ℃，再次開啟閥門進行蓄熱，第四級蓄熱水箱在17:00完成蓄熱。水泵流量增大對第二級和第三級水箱蓄熱完成時間影響較大，對第一級和第四級水箱蓄熱完成時間影響不大；原因在于11:40—14:30期間，太陽輻射達到一天中的最大值，隨著水泵流量的增加，太陽能集熱器的熱量被及時帶到蓄熱水箱中，使運行水箱與蓄熱水箱之間混合換熱更加充分。但隨著流量增加，也增加了第一級水箱蓄熱時運行水箱的波動次數。

圖2 蓄熱時不同水泵頻率下各水箱溫度逐時分布

3.2 不同水泵頻率對放熱的影響

水箱的體積越大，放出單位熱量所受溫度變化的影響也越小，所以在放熱的過程中不采用分級放熱的方式，而采用整體式放熱。當最后一級水箱完成蓄熱后，太陽輻照不再滿足用熱設備的需求，把各級水箱的閥門全部打開給運行水箱供熱。

圖3所示為水泵在不同循環水下工作時運行水箱與蓄熱水箱之間的溫度差值。由圖3可知，運行水箱與蓄熱水箱之間的溫度差值先增加較快，然后增加趨勢變緩慢，最終穩定在一定值。這是因為在放熱開始階段，太陽還有一定的輻照強度，隨著時間的增加，輻照強度逐漸變為0，導致運行水箱與蓄熱水箱之間的差值變大。此外，隨著頻率的增大，運行水箱與蓄熱水箱之間溫度差值減小，是因為隨著循環水的流量增大，即時將蓄熱水箱的熱量輸送給運行水箱。因此在放熱時盡量采取大流量放熱，以減小運行水箱和蓄熱水箱的溫差。

圖3 放熱時循環水流量下各水箱溫度逐時分布

3.3 變頻水泵對水箱溫度分布的影響

循環水泵流量過大或過小會對運行水箱溫度和蓄熱時長產生不良影響，因此依據運行水箱的溫度對變頻水泵的頻率做出調整，以控制運行水箱向蓄熱水箱的熱量傳遞。

圖4為采用變頻水泵之后各水箱的逐時溫度。采用變頻水泵之后運行水箱溫度的波動幅度和次數都減小，整合了較大體積流量下蓄熱水箱蓄熱時間短和小體積流量下運行水箱溫度波動次數少的優勢，蓄熱完成時間提前1 h，運行水箱的變化更加平穩。

3.4 對比分析

在多級蓄熱水箱系統中，水泵是最主要的耗能設備，在實際工程應用中并不能簡單地套用比例定律來對水泵的節能效果進行評估，根據文獻[19]，水泵的功率和頻率之間是三次函數關系式。

式中：

P1——水泵變頻后的總功率，W；

Pe——水泵的工頻功率，W；

fe——水泵的工頻頻率，Hz；

f1——水泵變頻后的頻率，Hz。

圖5所示為一個典型設計日內，變頻水泵和定速水泵的能耗對比。

圖4 采用變頻水泵后各水箱溫度溫度逐時分布

圖5 變頻水泵和定速水泵的能耗對比

對于影響單效溴化鋰制冷機系統運行的重要參數就是再生溫度，所以運行水箱溫度的高低對于整個系統來說至關重要。圖6為單效溴化鋰制冷機在使用整體式水箱和多級水箱的逐時COP。選用單效吸收式制冷機模型，溴化鋰制冷機的參數根據文獻[20]設置，本文假設運行水箱的溫度就是溴化鋰制冷機的再生溫度。從圖中可以看出，采用整體式水箱單效溴化鋰制冷機的COP在0.75～0.8之間的最佳持續時間為14.58 h，而采用變頻水泵單效溴化鋰制冷機的COP在0.75～0.8之間的持續時間為17.22 h，最佳工作時間提高了約18.1%。因此和整體式水箱相比，采用變頻水泵的多級水箱可以使溴冷機在較高COP下平穩運行更長的時間。

圖6 使用不同水箱模式制冷機COP

4 結論

1）多級蓄熱水箱采用運行水箱設計可在太陽能輻射較弱的情況下使溴化鋰制冷機快速在理想的溫度運行，加快了制冷系統的啟動時間，提高了供熱的穩定性。

2）較小的體積流量會造成運行水箱與蓄熱水箱之間熱量傳遞不及時，蓄熱完成時間增加，而較大流量會增加運行水箱溫度波動次數。采用變頻水泵之后，蓄熱時運行水箱溫度始終保持在92 ℃以上，溫度波動的幅度與次數都減少，蓄熱完成時間提前1 h，可以在太陽輻照充足的情況下不使用輔助熱源。

3）與整體式水箱相比，采用變頻水泵的多級蓄熱水箱可以使溴化鋰制冷機在最佳工作持續時間提高2.64 h，增幅約18.1%，使溴冷機在較高COP下平穩運行更長的時間。

4）通過使用變頻水泵，蓄熱階段節能效果明顯，相比于定速水泵通過閥門調節，能耗減少了10.88%。