PV/T與熱泵一體化系統(tǒng)中蓄熱水箱溫度分層性能研究

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

0 引言

太陽能PV/T系統(tǒng)與熱泵等系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，為太陽能應(yīng)用提供了更為有效的途徑［1］。蓄熱水箱作為太陽能系統(tǒng)中的蓄能裝置，其熱力特性影響著整個熱水系統(tǒng)的工作效率［2］。因此，分析研究蓄熱水箱的熱力性能，提高其溫度分層度及分層穩(wěn)定性，有利于進一步地提高太陽能PV/T系統(tǒng)的使用效率。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于太陽能熱水系統(tǒng)中蓄熱水箱特性的完善，運用試驗和數(shù)值模擬的方法開展了大量研究工作。Lavan等［3］對蓄熱水箱內(nèi)的垂直溫度分層進行了試驗研究，分析了不同水箱高徑比、進出水口溫差及補水速率對水箱熱性能的影響。Hahne等［4］對圓柱形蓄熱水箱建立了數(shù)值模型，并提出充熱效率來評估水箱垂直溫度分層度。Rosen［5］發(fā)現(xiàn)冷熱水之間的摻混是造成蓄熱水箱分層程度降低的主要原因，并發(fā)現(xiàn)立式水箱相較于臥式水箱能夠更好的維持溫度分層。李琳［6］模擬了不同進水速度和不同進水溫度下水箱內(nèi)冷熱水混合的瞬態(tài)過程。韓延明等［7］研究了導(dǎo)流板對蓄熱水箱蓄熱性能的影響。

總結(jié)上述國內(nèi)外研究進展，可見，人們對蓄熱水箱進行了各類研究，但缺少立足于提升蓄熱水箱性能進而提高太陽能PV/T與熱泵一體化系統(tǒng)的綜合性能的研究。因此，本文選取了太陽能PV/T與熱泵一體化系統(tǒng)中蓄熱水箱的溫度分層度及蓄熱水箱結(jié)構(gòu)作為研究對象，通過試驗研究與數(shù)值模擬的方法對蓄熱水箱的內(nèi)部流體的流動情況和蓄熱性能進行分析，計算蓄熱水箱不同進水口流速、不同結(jié)構(gòu)下蓄熱水箱的溫度分層效果。

1 系統(tǒng)原理及試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由3部分組成，太陽能PV/T組件與熱泵一體化系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1.1 太陽能PV/T組件與熱泵一體化系統(tǒng)

試驗設(shè)備安置在上海市楊浦區(qū)上海理工大學(xué)經(jīng)濟與管理中心樓屋頂，屋頂高16 m左右，無陰影遮擋，光照充足。如圖1所示，系統(tǒng)共由3部分組成，分別為：太陽能光伏光熱組件（PV/T）、熱泵機組和生活用熱水組件。其中太陽能光伏光熱組件包括光伏光熱板、集熱水泵、蓄熱水箱以及相應(yīng)的管路和閥門。光伏光熱組件由7塊板組成，總面積為9.18 m2。熱泵機組主要材料部件見表1。

圖1 太陽能PV/T組件與熱泵一體化系統(tǒng)原理

表1 熱泵機組主要部件材料表

生活用熱水組件包括供熱水箱、熱水泵以及相應(yīng)的管道和閥門［8］。蓄熱水箱規(guī)格為500 L，蓄熱水箱中的水流經(jīng)光伏光熱一體化組件后帶走電池背板的熱量，可以在冷卻太陽能電池板的同時制取熱水流回蓄熱水箱儲存起來。

1.1.2 試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗中的試驗數(shù)據(jù)主要有溫度數(shù)據(jù)、流速數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。其中溫度數(shù)據(jù)通過Pt100鉑電阻采集。Pt100的量程為-150～150 ℃，精度為A級。流速數(shù)據(jù)通過PV/T水系統(tǒng)中安裝的電磁流量計采集，型號為OPTIFLUX 4100C，精度±0.3%±1 mm/s。環(huán)境監(jiān)測測量的參數(shù)由光伏發(fā)電采集軟件SPS-PVNET（Ver2.0）記錄，主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、輻照、溫度等環(huán)境參數(shù)，通過風(fēng)速傳感器（精確度±0.1 m/s），風(fēng)向傳感器（精確度±1°），日照輻射表（靈敏度 7～14 mV/（kW·m2）），測溫探頭等測量。測量得到的這些數(shù)據(jù)都將通過Labview或相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件讀取顯示在電腦上。

1.2 試驗方法

為了研究不同進水口流速對蓄熱水箱性能的影響，設(shè)置了3種不同進入蓄熱水箱水流速工況，分別為0.10，0.15，0.20 m/s。并選取天氣狀況良好且氣象參數(shù)相近的天氣進行試驗，具體環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 不同流速試驗工況環(huán)境參數(shù)

試驗過程中將通過調(diào)節(jié)蓄熱水箱進水口的流速值，實時測量不同流速下的蓄熱水箱的進、出口水溫，水箱平均水溫等參數(shù)。

2 模型建立

利用ANSYS Fluent軟件建立蓄熱水箱的數(shù)值模型，并對試驗工況進行模擬，將模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比驗證模型的準(zhǔn)確性，之后采用數(shù)值模擬的方法對水箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2.1 模型簡化與假設(shè)

為了便于劃分網(wǎng)格、節(jié)省計算時間，經(jīng)濟合理地模擬計算出蓄熱水箱內(nèi)部流體的溫度分布，對蓄熱水箱的物理模型簡化做出了如下幾條假設(shè)：

（1）整個蓄熱水箱可簡化為一個沒有外力施加和內(nèi)部熱源的封閉體。

（2）蓄熱水箱和進出水管的壁面視為絕熱壁面，忽略向周圍環(huán)境的熱量損失。

（3）在常溫狀態(tài)下，水為不可壓縮流體。

（4）蓄熱水箱進口狀態(tài)在蓄熱過程中是保持恒定的，進水口的流速和進水溫度保持不變。

2.2 物理模型

為了與試驗數(shù)據(jù)形成對比，建立的水箱幾何模型尺寸與試驗系統(tǒng)中水箱內(nèi)膽尺寸一致，即水箱為立式圓柱形水箱，高990 mm，底部直徑800 mm。進水管道在上方，出水管道在下方，進出口直徑均為50 mm，其中心位置距水箱頂部和底部均為300 mm，進出水管道均伸入水箱100 mm。水箱內(nèi)注滿水，并且在初始時刻處于靜止?fàn)顟B(tài)，具有均勻一致的初始溫度，建立的水箱幾何模型如圖2所示。

圖2 蓄熱水箱幾何模型

利用ANSYS Fluent軟件對蓄熱水箱進行網(wǎng)格劃分，對蓄熱水箱的高度和管口流道方向都作了O型網(wǎng)格處理，而且對水箱壁面和出入口壁面都作了邊界層處理。劃分后的蓄熱水箱網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 蓄熱水箱網(wǎng)格劃分

在ANSYS Fluent軟件中設(shè)置流體材料的參數(shù)見表3。

表3 流體材料特性參數(shù)設(shè)置

2.3 邊界條件

根據(jù)簡化模型假設(shè)，設(shè)置蓄熱水箱和進出水管的壁面都為絕熱壁面。具體邊界條件設(shè)置參數(shù)見表4。

表4 邊界條件設(shè)置

2.4 蓄熱水箱溫度分層效果的量化指標(biāo)

蓄熱水箱溫度分層效果常用的量化指標(biāo)有取出效率、混合數(shù)、分層數(shù)、進出水口溫差等。本文采用進出水口溫差及取出效率［9］來衡量。取出效率的計算公式如下［10］：

式中t10%——進出水溫差從初始值減小10%所經(jīng)歷的時間，min；

Vst——水箱容積，L；

v——進水流速，L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果及分析

圖4示出0.10 m/s流速工況下從10：30到12：00之間共90 min內(nèi)不同時刻蓄熱水箱的溫度變化。由圖可知，隨著時間的增加，出水口溫度，進水口溫度以及水箱平均溫度都是升高的，這是因為太陽能電池板的溫度隨著室外輻射照度的增強而升高，蓄熱水箱中的水流經(jīng)電池板所帶走的熱量也增多。且由于蓄熱水箱溫度分層的作用，設(shè)置在蓄熱水箱底部的出水口流出的水溫低于水箱平均水溫，而在經(jīng)過太陽能電池板帶走多余熱量后的循環(huán)水，即蓄熱水箱進水口溫度也高于水箱的平均溫度。進出水口溫差大約為2 K左右。

圖4 0.10 m/s流速下蓄熱水箱不同時刻溫度變化

圖5示出3種不同進口流速工況下進出水口溫差隨時間的變化。由圖可知，對于同一進口流速，隨著時間的增加，其進出水口溫差都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是因為隨著太陽能輻射照度的增強，PV/T光伏電池板的溫度上升速度較快，PV/T系統(tǒng)中循環(huán)水帶走的熱量也短時間內(nèi)劇烈增大，進水口溫度隨之迅速升高。而隨著時間的推移，蓄熱水箱內(nèi)的儲存的熱量也逐漸增加，水箱平均水溫升高，蓄熱水箱的儲能能力逐漸降低，對進水口流入的熱水的降溫效果也逐漸減弱，因此進出水口的溫差也呈現(xiàn)下降的趨勢。對比3種不同流速可知，蓄熱水箱進口流速越大，進出水口溫差越小。圖中不同流速下，進出水口溫差由上升轉(zhuǎn)為下降出現(xiàn)的時間不同，因為不同流速對蓄熱水箱的擾動不同，流速大的擾動強，拐點出現(xiàn)的時間越早，反之亦然。

圖5 不同進口流速工況下進、出水口溫差

3.2 模擬結(jié)果分析

對0.1 m/s流速工況下的試驗進行模擬。將Fluent數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗測試的出水口溫度和水箱平均水溫進行對比。從圖6可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗測試結(jié)果基本吻合，可用于后續(xù)研究。

圖6 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

3.3 進出水口位置對蓄熱水箱溫度分層性能影響模擬

為了研究進出水口位置對水箱蓄熱溫度分層性能的影響，設(shè)計了結(jié)構(gòu)2水箱與原有水箱（結(jié)構(gòu)1）進行對比見表5，2種結(jié)構(gòu)的水箱進水口流速均為0.10 m/s。

表5 兩種結(jié)構(gòu)水箱參數(shù)

圖7，8分別示出在進口流速為0.10 m/s時，結(jié)構(gòu)1水箱平均溫度、蓄熱過程中不同時刻水箱中心截面溫度云圖隨時間的變化。從圖中可以看出，水箱的蓄熱過程大致分為3個階段，第1階段為0～60 min，為蓄熱初始階段，溫度較高的水從進水口流入水箱內(nèi)，帶來大量的熱量儲存在蓄熱水箱中，因而此階段內(nèi)水箱平均溫度上升速度較快。由于進水口流入的熱水溫度高于水箱內(nèi)的水，密度較低，因此進水口進入的熱水迅速流向水箱頂部，形成溫度高于水箱下部的熱水域。蓄熱過程的第2階段為60～135 min。由溫度云圖可看到，在此階段水箱內(nèi)部分為3種明顯的溫度區(qū)域：水箱底部初始狀態(tài)的冷水域、水箱頂部的熱水域及將這兩種水域分開的具有明顯溫度分層的溫度過渡層。水箱蓄熱過程的第3階段為135～180 min。由溫度云圖可以觀察到，水箱內(nèi)熱水的范圍不斷變大，中間的溫水在此階段內(nèi)下降到與出水口水平的位置，進而流出水箱，水箱內(nèi)的溫度分層狀態(tài)被破壞。并且蓄熱水箱儲存的熱量變多，水箱平均水溫接近保持穩(wěn)定。

圖7 結(jié)構(gòu)1水箱平均溫度

圖8 結(jié)構(gòu)1水箱不同時刻中心截面溫度云圖

圖9示出結(jié)構(gòu)2水箱不同時刻水箱中心截面溫度，對比圖8和圖9可知，在蓄熱水箱內(nèi)平均水溫到達穩(wěn)定時，結(jié)構(gòu)2水箱的出水口溫度要低于結(jié)構(gòu)1水箱。這是因為結(jié)構(gòu)1水箱的出水口位置較高，水箱底部溫度低、密度大的冷水無法通過出水口流出，出水口流出的是水箱中部溫度較高、密度相對較小的溫水；而結(jié)構(gòu)2水箱的出水口位于水箱的底部，冷水順利從出水口流出。

圖9 結(jié)構(gòu)2水箱不同時刻水箱中心截面溫度云圖

圖10示出0.1 m/s流速工況下結(jié)構(gòu)1水箱與結(jié)構(gòu)2水箱蓄熱過程中出口水溫度差值與平均水溫差值隨時間變化的圖像。在蓄熱過程的初始階段，結(jié)構(gòu)1水箱的出水溫度與結(jié)構(gòu)2水箱的出水溫度差值迅速升高，15 min時達到最大值0.84 K。隨著熱水的不斷流入，出水溫度的差值也有所減小，到60 min時，出水溫度的差值下降至0.34 K。到135 min時，2種結(jié)構(gòu)水箱出口水溫幾乎沒有差別，一直持續(xù)到180 min時蓄熱過程結(jié)束。

結(jié)構(gòu)1水箱的平均水溫一直低于結(jié)構(gòu)2水箱的平均水溫，0時刻起，2種結(jié)構(gòu)水箱之間的平均水溫差值穩(wěn)定增長，到60 min時達到0.36 K。這是因為結(jié)構(gòu)1水箱內(nèi)流出的為溫度較高的溫水，溫度較低的冷水積聚在水箱的底部，導(dǎo)致水箱內(nèi)整體平均水溫較低。隨著熱水的不斷流入，蓄熱過程進入第二階段，水箱內(nèi)部的水溫變化緩慢，兩種結(jié)構(gòu)水箱之間的平均水溫差值也不斷穩(wěn)定。直到蓄熱過程結(jié)束，結(jié)構(gòu)1水箱的平均水溫比結(jié)構(gòu)2水箱的平均水溫低0.34 K左右。

圖10 0.10 m/s流速工況不同結(jié)構(gòu)水箱溫度差值

圖11示出2種結(jié)構(gòu)水箱在0.1m/s流速工況下蓄熱過程的取出效率。取出效率越高，溫度分層效果越好。結(jié)構(gòu)1水箱的取出效率為11.44%，低于結(jié)構(gòu)2水箱的取出效率12.43%。這是因為結(jié)構(gòu)2水箱的進出水口之間的距離較大，熱水流入蓄熱水箱引起的擾動較小，減少了水箱內(nèi)垂直高度上不同溫度的水之間的摻混，溫度分層效果較好。

圖11 不同結(jié)構(gòu)水箱取出效率

由上文的分析可以得出，與結(jié)構(gòu)1水箱相比，結(jié)構(gòu)2水箱的溫度分層效果較好。

4 結(jié)論

（1）在 3種不同進口流速工況：0.1，0.15，0.2 m/s下，蓄熱水箱進口流速越大，進出水口溫差越小。

（2）蓄熱水箱的蓄熱過程大致分為3個階段：第1階段內(nèi)溫度分層效果不明顯，水箱平均水溫迅速升高；第2階段內(nèi)蓄熱水箱內(nèi)部分為3種明顯的溫度區(qū)域；第3階段中水箱內(nèi)熱水的范圍不斷變大，水箱平均水溫逐漸保持穩(wěn)定。

（3）對不同結(jié)構(gòu)的水箱，進出水口位置分布越遠，水箱溫度分層效果越好。在0.1 m/s流速下，結(jié)構(gòu)1水箱的取出效率為11.44%，結(jié)構(gòu)2水箱的取出效率為12.43%。結(jié)構(gòu)2的取出效率大于結(jié)構(gòu)1，其溫度分層效果較好。