太陽能利用系統(tǒng)中蓄熱裝置的蓄放熱性能研究

太陽能利用系統(tǒng)中蓄熱裝置的蓄放熱性能研究

由于太陽能地球的能量密度較低，必須解決太陽能的間歇性和不可靠問題。要解決上述問題，必須在采用太陽能系統(tǒng)時調(diào)整蓄熱裝置的問題。是解決上述問題最有效的方法之一。大體來說太陽能蓄熱分為顯熱蓄熱、相變式蓄熱和化學(xué)式蓄熱3類。本課題組結(jié)合實驗室開發(fā)的太陽能熱泵系統(tǒng),設(shè)計了1種顯熱式太陽能蓄熱裝置,以水作為蓄熱介質(zhì),并進(jìn)行了實際測試,得出蓄熱裝置的蓄放熱規(guī)律和日均蓄放熱熱量,為太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)和利用提供了有價值的參考依據(jù)。1太陽能熱泵供熱過程太陽能蓄熱的一般原理大致如下:集熱介質(zhì)在太陽能集熱器中得到由集熱板吸收的太陽輻射能后,流入蓄熱器中的換熱盤管,通過熱交換把部分熱量傳遞給蓄熱介質(zhì),而蓄熱介質(zhì)則在良好的保溫條件下將這部分熱量儲存起來;當(dāng)需要用熱時,則利用另一種溫度較低的(也可以是同一種)載熱介質(zhì)流經(jīng)換熱盤管,把所儲存的熱量提取出來輸送給熱泵或用熱設(shè)備。太陽能熱泵供暖系統(tǒng)中的蓄熱以及整個蓄熱和取熱過程的簡單流程,如圖1所示。圖1中,與集熱器直接相連的為低溫蓄熱器。集熱器將載熱流體加熱后將熱量儲存在蓄熱器中,熱泵機(jī)組從蓄熱器中吸收熱量,將溫度提升,向房間供熱。這種蓄熱方式的最大特點是蓄熱溫度較低,熱損失小,對于隔熱措施的要求不高,結(jié)構(gòu)也比較簡單,但溫度不穩(wěn)定。2系統(tǒng)主要部件的確定在太陽能蓄熱系統(tǒng)中,熱能的儲存應(yīng)當(dāng)與整個系統(tǒng)綜合考慮。系統(tǒng)的主要部件是太陽能集熱器、蓄熱裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、輔助熱源和控制設(shè)備等。本課題組綜合考慮蓄熱裝置的性能、投資和保溫等因素,設(shè)計適合SAHP供熱系統(tǒng)中的蓄熱設(shè)備。2.1蓄熱系統(tǒng)設(shè)計蓄熱容積的大小與集熱量、換熱效率以及熱負(fù)荷的變化等因素有關(guān)。此外,還需考慮蓄熱成本對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。本文采用式(1)計算蓄熱水箱容積。式中:V—蓄熱容積/m3;Qu—集熱器有效集熱量/(kJ/d);Qy—日照期間用熱量/(kJ/d);(ρc)w—蓄熱介質(zhì)體積比熱/(kJm3·℃);△t—蓄熱介質(zhì)利用溫差/℃;ηx—蓄熱介質(zhì)熱損失率。根據(jù)青島氣候條件冬季日平均日照數(shù),假定1天中1/3時間有陽光,日照期間得熱量為Qy=39074kJ/d,水的體積比熱(ρc)w為4200kJ/m3·℃,供暖工況下蓄熱介質(zhì)的利用溫差△t一般為10~15℃,設(shè)計采用12℃。安裝在室外的蓄熱水箱,即使采用厚100mm的隔熱材料,冬季熱損失系數(shù)也高達(dá)20%~40%,設(shè)計蓄熱水箱采用200mm巖棉保溫,且工作溫度較低,取熱損失率為20%。則蓄熱容積為1.93m3。2.2導(dǎo)熱系數(shù)m系統(tǒng)可采用聚乙烯塑料管作為蓄熱水箱的換熱盤管。塑料管外徑為32mm,壁厚2.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.373W/m。由于蓄熱水箱內(nèi)換熱過程復(fù)雜,本設(shè)計采用參考文獻(xiàn)提供單位供熱量所需換熱盤管長度24.1m/kW,則換熱盤管長度l=54.5m。2.3蓄熱水泵設(shè)計蓄熱水箱的形狀一般有矩形和圓筒形。矩形水箱易于加工且成本較低,但散熱面積大,需要較多保溫材料,承壓能力低。系統(tǒng)可采用矩形水箱,對箱體的結(jié)構(gòu)和保溫都做了處理,以克服其承壓能力差、保溫困難的缺點。蓄熱水箱的常用材料有混凝土、鋼板、不銹鋼和玻璃鋼?？紤]蓄熱水箱經(jīng)濟(jì)性和耐久性,蓄熱水箱采用厚3mm鋼板焊制水箱主體結(jié)構(gòu),用厚1.2mm鋼板焊制水箱外殼,并在箱體四周及底面用角鋼進(jìn)行加固。蓄熱水箱內(nèi)容積尺寸為1250mm×1250mm×1250mm,凈容積為1.95m3。蓄熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。3試驗系統(tǒng)及測試系統(tǒng)通過對原有測試系統(tǒng)的改進(jìn),本實驗臺不僅可以對大量溫度測點及太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行24h自動循環(huán)掃描測試以及實時的顯示和分析,而且能夠精確地測量各環(huán)路流量、熱流量(2者均包括瞬時量和積累量)以及各種設(shè)備的耗電量等參數(shù),既提高了測試的精度,又節(jié)省了人力,測試系統(tǒng)如圖3所示。3.1溫度測點及設(shè)備溫度測試系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元、插入式模塊、計算機(jī)、打印機(jī)組成。為研究系統(tǒng)的供熱性能以及系統(tǒng)各設(shè)備的工作性能,本實驗需要設(shè)置大量的溫度測點。根據(jù)測溫范圍、熱電偶的靈敏度以及測量誤差的要求,選擇銅-康銅(T型)熱電偶作為溫度傳感器。本實驗利用直流電弧焊裝置自制了18個銅-康銅熱電偶,然后對其進(jìn)行了標(biāo)定,得出了各個熱電偶的溫度修正系數(shù),并利用HP34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元的定標(biāo)功能對測量值加以修正,從而提高了溫度測量的精度。3.2熱電勢測量系統(tǒng)的應(yīng)用投射到集熱面上的太陽總輻射強(qiáng)度(光譜范圍為0.3~3μm)由TBQ-2總輻射表按熱電效應(yīng)原理測定。感應(yīng)元件為表面涂有高吸收率黑色涂層的繞線電鍍式多接點熱電堆。熱結(jié)點在感應(yīng)面上,冷結(jié)點位于機(jī)體內(nèi),通過測量冷熱結(jié)點產(chǎn)生的溫差電勢即可換算得出太陽輻射強(qiáng)度。為減小溫度的影響,表內(nèi)配有溫度補償線路;為減小室外環(huán)境的影響,表面采用雙層石英玻璃罩。該表的靈敏度為7.464μV/(W·m2),感應(yīng)時間≤30s,穩(wěn)定性和非線性均達(dá)到±2%,在線性范圍內(nèi)其輸入信號與太陽輻射強(qiáng)度成正比。輻射表的安裝角度與集熱器傾角相同。根據(jù)輻射表的熱電勢測量原理,將輻射表的正負(fù)接線分別連接到HP34901A20模塊內(nèi)第19通道的測量螺旋端子HI(+)、LO(-)上,通過前面板或遠(yuǎn)程接口操作進(jìn)行直流電壓測量設(shè)置,并利用HP34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元的定標(biāo)功能將測得的溫差電勢值轉(zhuǎn)換成太陽輻射強(qiáng)度值。由此,太陽輻射強(qiáng)度的測量同溫度測量一樣實現(xiàn)了完全的自動化。3.3德國產(chǎn)wm-sli52132ct熱表室內(nèi)、外循環(huán)管路中流體的積累流量由瑞典產(chǎn)的MCE08-787型積累式流量計測定,瞬時流量由國產(chǎn)的LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計測定。為了較準(zhǔn)確、直觀地測定集熱器的集熱量,在集熱器進(jìn)、出口管路上安裝了德國產(chǎn)WM-Sli2513020型熱能表,該表將multidataS1熱計量儀與DN20口徑的ETHI-XL流量計配套使用,采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器,測量靈敏度<0.01。輕觸菜單功能鍵INFO,即可方便地讀取累積熱流量及流量、供回水溫度及溫差、瞬時熱流量及流量以及運行時間。4不啟動熱泵和電加熱器的實際測試本課題組在青島地區(qū)氣候條件下,進(jìn)行了太陽能直接供暖工況(不啟動熱泵和電加熱器)的實際測試。測試時間在600~18∶00,選擇一典型日(3月22日)結(jié)果,主要考察太陽能集熱器和蓄熱裝置工作性能,關(guān)于集熱器的工作性能可參見文獻(xiàn)5。4.1太陽輻射強(qiáng)度圖4給出了太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化趨勢,可以看出太陽輻射強(qiáng)度基本按照正弦曲線變化。出現(xiàn)最大值的時間為11∶00,最大值為780W/m2,平均值為510W/m2。4.2蓄熱器放熱分析蓄熱水箱的蓄放熱量可由式(2)計算得到。式中q—蓄熱水箱瞬時蓄放熱熱量/kW;ts,i、ts,o—蓄熱水箱進(jìn)、出口溫度/℃;ρ—集熱介質(zhì)密度/(kg/L);c—集熱介質(zhì)比熱容/(kJ/kg.℃);V—集熱介質(zhì)瞬時流量/(L/h)。圖5給出了蓄熱器進(jìn)、出口流體溫度的變化情況。由圖可以看出:(1)蓄熱器進(jìn)、出口溫度變化趨勢大體相同,隨時間的推移先增加后減小,在12:00左右達(dá)到極大值。(2)在8∶00~16∶00內(nèi),蓄熱器進(jìn)口溫度大于出口溫度,蓄熱器蓄熱;其余時間放熱。(3)蓄熱器進(jìn)、出口溫度受太陽輻射強(qiáng)度影響很大,輻射強(qiáng)度大時,溫度較高;輻射強(qiáng)度小時溫度較低。(4)蓄熱器出口流體的平均溫度為28.33℃。圖6給出了蓄熱水箱瞬時放熱熱量隨時間的變化規(guī)律。由圖可見:(1)放熱量為正值時,蓄熱水箱放熱;放熱量為負(fù)值時,蓄熱水箱蓄熱。(2)蓄熱水箱放熱時,曲線變化平緩,說明蓄熱器放熱工況性能穩(wěn)定。(3)在8∶00到16∶00內(nèi),放熱量為負(fù)值,說明蓄熱介質(zhì)吸熱,此曲線下的積分值為蓄熱器日間蓄熱量(蓄熱量為14.56kWh)。5對蓄熱裝置的研究和開發(fā)蓄熱技術(shù)可以保證不間斷的利用太陽能,對太陽能技術(shù)在我國的推廣具有重要意義。太陽能蓄熱技術(shù)是一種比較復(fù)雜的技術(shù),但又是太陽能利用的薄弱環(huán)節(jié)。我國的太陽能熱泵技術(shù)尚屬研究與開發(fā)階段,無論從技術(shù)還是投資方面都需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。本課題研究和開發(fā)的太陽能熱泵系統(tǒng)中蓄熱裝置,蓄熱介質(zhì)溫度穩(wěn)定,蓄放熱規(guī)律明顯,取得了較好的實驗結(jié)果。在太陽能直接供暖工況(不啟動熱泵和電加熱器)的實際測試中,蓄熱裝置日間蓄熱量平均值為11.6