太阳能热泵热水系统微细通道集热板/蒸发器性能模拟

周伟，张小松

（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

太阳能热泵热水系统微细通道集热板/蒸发器性能模拟

周伟*，张小松

（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

本文提出了一种采用微细通道的平板式集热板/蒸发器，它可以从太阳和环境空气二方面获取热量。其主要特点是采用树形分支模型，由两块铝板冷轧吹胀而成，减小了接触热阻，提高了集热板的换热系数。本文建立了该集热板/蒸发器的数学模型并进行了热性能分析，深入研究了不同环境工况条件下该热泵热水系统的性能，包括系统性能系数（COP）、集热板集热效率、加热时间等运行参数的变化特性。结果显示，将150 L水从15℃加热到50℃时，系统全年各月的平均COP为4.76，平均加热时间为314 min，环境温度的升高和太阳辐射强度的降低会使集热效率显著增加。

微细通道集热板/蒸发器；太阳能热泵；树形分支模型；集热效率

0　引言

我国是太阳能资源十分丰富的国家，年日照时数大于2,200 h，太阳年辐射总量高于5,016 MJ/m2的地区占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件[1-2]。但太阳能受天气影响较大，能量密度低，单独利用太阳能有一定的局限性[3]。空气源热泵系统是以空气作为冷源或热源的热泵，利用空气源热泵，可将建筑的冷热源合二为一，节约了成本，提高了设备使用率。但其缺点是冬季气温下降时，蒸发压力随之降低，导致压缩机吸气比容增大，制冷剂流量减少，因而制热能力大幅度衰减[4-5]。将太阳能和热泵两者结合起来，既能达到节能减排又能保证全年全日连续供热，是近年来中央热水系统热源设备发展的新方向[6]。

20世纪50年代以来，国内外众多学者对太阳能热泵系统投入了大量的研究[7-9]。90年代之后，国内各高校先后对太阳能热泵进行了实验及理论研究，取得了一定的成果[8-10]。尚存存等[11]设计了一种直膨式多功能太阳能热泵系统，将太阳能热利用与空气源热泵相结合，综合了太阳能热利用与空气源热泵的优点，系统的经济性显著提高；上海交通大学搭建的DX-SAHP样机[12-13]，在春季工况下运行时COP（Coefficient of Performance）的范围在3.1～6.6之间，但是当太阳辐射强度低于250 W/m2时，该系统无法满足热水负荷；徐国英等[14]提出了一种太阳能-空气复合热源热泵热水器，该装置通过一个螺旋翅片蒸发管的平板型集热/蒸发器，实现系统同时或交替使用太阳能和空气能；日本的ITO等[15]进行了热水实验，在冬季典型工况下其性能系数COP可达到5.3，但当太阳能辐照强度随时间逐渐减弱时，COP降至2.2，无法从根本上解决系统全天候稳定运行的问题。

针对以上问题，本文将自主设计的集热/蒸发器应用到热泵热水系统中，并行交替地使用太阳能和空气能，同时解决了太阳能间歇性、不连续性及空气源热泵COP偏低的问题；该系统中核心部件是微细通道集热/蒸发器，它的热性能及数学模型的建立在整个系统的模拟运行中起到了至关重要的作用。

1　系统原理及组成

如图1所示，集热板/蒸发器采用冷轧吹胀法加工而成，由上下两块铝板构成。制冷剂在管路网络中流动，吸收太阳能和空气的热量蒸发后经热泵循环，将所吸收的热量释放给板式换热器，后经过储液器和热力膨胀阀回到集热板/蒸发器完成一个热力循环。图2所示为集热板的局部构造，实验中所设计的集热板/蒸发器为1,000 mm×2,000 mm，内部管路是仿照树形的分叉结构，由支管和集管构成，其中支管的管径为3 mm，上集管的管径为10 mm，下集管管径为5 mm，支管间距为10 mm（如图2）。压缩机为封闭式压缩机额定功率为245 W，排气量为7.28 cm3/r，热水箱容积为150 L。系统还包括热力膨胀阀、储液器等装置。

图1　太阳能热泵热水系统原理图

图2　集热板/蒸发器局部构造

该系统的核心是太阳能集热板/蒸发器，当太阳辐射较强使得集热板/蒸发器的温度高于环境温度时，系统以太阳能作为低位热源；当太阳辐射不足使得集热板/蒸发器的温度低于环境温度时，系统同时以太阳能和空气能为低位热源；当阴雨天或者在夜间时，由于没有光照，系统以空气为低位热源从中吸取热量。由于该集热板/蒸发器采用了树形分支模型而且由两块铝板冷轧吹胀而成，使得接触热阻很小而肋化效率却很高，从而提高了集热板的换热系数，使得系统能够从环境中吸取足够的热量来制取生活热水。该系统不但能够实现全年、全天候高效稳定地制取生活热水，而且由于采用冷轧吹胀的技术，降低了集热板/蒸发器的制造成本，具有广泛的使用价值。

2　集热板/蒸发器的数学模型

在多数情况下，制冷剂在集热器整个区域中的流动时，存在雾状流到泡状流的不同流态[16-17]。因此，本文假定气液两相具有相同的流速，以此建立集热板/蒸发器的两相流数学模型，并作如下假设：

1）集热板水平放置，忽略重力对制冷剂的影响，制冷剂作沿轴向的一维流动；

2）忽略制冷剂的轴向热传导和沿轴向的质扩散；

3） 制冷剂在管内分布均匀，流动为均相流动；

4）认为制冷剂气液两相在理想状态下混合，具有相同的流速，不考虑相间的滑移。

基于如上假设，对每一基本计算微元建立模型如图3所示。

图3　集热板/蒸发器微元模型

2.1太阳能集热板/蒸发器吸热方程

太阳能集热板/蒸发器吸热的公式如下：

式中：

Ae——集热板上表面面积，m2；

F′——集热板集热效率因子，具体的计算公式参考文献[18]；

S——集热器吸收与发射辐射之差，W/m2；

ULC——集热板的总热损失系数，W/(m2·K)；

Trm——制冷剂平均温度，K；

T0——环境温度，K；

α——集热板表面吸收率，取0.96；

IT——太阳辐射强度，W/m2；

ε——集热板表面辐射率；

σ——玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；

Tsky——有效天空温度[19]，K；

uW——室外风速，m/s；

εsky——天空发生率；

tdp——露点温度，℃。

集热板倾斜面所接受的太阳能总辐射计算公式：

式中：

It——水平面上的太阳辐射强度，W/m2；

Idh——水平面上的漫辐射强度，W/m2；

θt——太阳直射在倾斜面和水平面的投射角，°；

β——集热板安装倾角，°；

ρg——地面对太阳全辐射的反射率，取0.2。cosθt的计算公式如下：

式中：

θ——入射角，°；

δ——赤纬角，°；

ω——时角，°；

Φ——当地纬度，南京地区为北纬32.04°；

ψ——集热板表面倾斜角，°。

2.2制冷剂侧换热方程

制冷剂侧的换热方程式如下：

式中：

qm——制冷剂的质量流量，kg/s；

hr1,hr2——制冷剂进出口焓值，kJ/kg；

аr——制冷剂侧表面换热系数，W/(m2·K)；

A——管内表面积，m2；

Tw——管壁温度，K；

Trm——制冷剂平均温度，单位K；

Tr1,Tr2——制冷剂进出口温度。

其中，制冷剂侧表面换热系数如公式(9)：

式中：

λ1——液态制冷剂导热系数，W/(m·K)；

Gr——单位面积制冷剂质量流量，kg/(s·m2)；

dcdi——铜管内径，m；

μl——液态制冷剂动力粘度系数，N·s/m2；

Cpr——制冷剂等压比热，J/(kg·K)。

2.3微元管内外热平衡方程

2.4微元管集热面积

2.5集热板/蒸发器集热效率

3　集热板数学模型的求解

基于上文建立的集热板数学模型，本文开发了基于集热板计算面积设计集热板出口状态的迭代算法，具体描述如下。

1） 输入集热板/蒸发器的相关结构参数和已知条件，包括：制冷剂流量、集热板入口制冷剂焓值等。

2） 假设集热板的蒸发温度，确定集热板两相区和过热区制冷剂进出口状态参数，分别计算两相区和过热区每个微元的集热面积，相加后得到集热板的计算面积。

3） 比较集热板的计算面积和真实面积，精度取0.02；如果计算面积大于真实面积，说明蒸发温度偏高，应该减小蒸发温度，相反则增加蒸发温度。重新调整蒸发温度后转向2）继续进行迭代计算，直到收敛精度小于0.02，输出结果。

4　模拟与分析

根据裸板太阳能集热板/蒸发器的数学模型和求解方法，基于直膨式太阳能热泵热水系统，将集热板模型与系统中其他部件的模型通过能量、质量进行耦合，用Microsoft Visual Studio 2010软件编写系统的仿真程序，模拟集热板/蒸发器的集热效率和它对系统整体运行特性的影响，并研究集热器结构和气象参数对集热板/蒸发器性能的影响。

4.1集热板/蒸发器结构参数及计算条件

集热板/蒸发器中管路直径为3 mm，集热板面积为1.0 m×2.0 m，厚度为4 mm，间距10 mm，上表面涂刷光谱选择性吸收材料，光谱吸收率为0.9；在模型模拟中，将150 L水从8℃加热到50℃，制冷剂工质为R22，室外环境温度为30℃，室外风速为2.8 m/s，并假设热泵热水系统集热器出口过热度10℃，冷凝水箱出口过冷度5℃。

4.2模拟结果及分析

对微细通道集热板/蒸发器进行模拟计算，依次分析集热板/蒸发器的热性能，部分模拟计算结果见图4～图7，在计算中只改变计算工况某一参数的值，其余参数保持不变。

图4给出了在环境温度ta=10℃和ta=30℃时，集热效率η随太阳辐射强度It的变化关系。ta=10℃时，平均集热效率为1.13；ta=30℃时，平均集热效率为1.67。由图可知，η随环境温度的增加而增加，随着太阳辐射强度的增强而不断减小。这是由于随着太阳辐射强度的增加与环境温度的降低，集热板/蒸发器与环境之间的温差增加，其向周围空气的散热量增加，因此集热板效率η降低；而η大于1则是由于集热板温度低于环境温度，集热板除了吸收太阳能还从空气中吸收了一部分能量所致。

图4　集热效率随太阳辐射强度的变化

图5给出了在太阳辐射强度It=500 W/m2时，集热效率η随环境温度ta之间的变化关系。由图可知，集热效率η随环境温度增加而不断增加。这是由于太阳能集热板与环境之间存在着热量交换，刚开始时，集热板的温度低于环境温度，集热板从空气中吸收热量，随着环境温度的不断增加，集热板吸收的热量也不断增加，从而使得η增加；如果板温高于环境温度，则集热板向空气中散热，环境温度越高则散热量越小，因此η越大。从图中可以看出，在太阳辐射强度It=500 W/m2，ta=5℃时，η开始大于1。由此证明，本文所设计的太阳能集热板/蒸发器具有较高的集热性能。

图5　集热效率随环境温度的变化

图6给出了南京市典型夏季工况下（ta=30℃），太阳能热泵热水器系统的COP及加热时间随太阳辐射强度It的变化关系。由图中可以看出，随着太阳辐射强度It的不断增加，COP不断增加，而加热时间不断减小。这是因为随着辐射强度的增加，集热板的蒸发温度随之上升，制冷剂相变过程吸收的单位质量热量也就增大，系统的性能系数COP随之增大，因此加热的时间不断降低。从图中还可以看出，系统在典型夏季工况下的COP范围在5.0～8.0，可见系统是以高效、节能的方式运行的。

图6　COP和加热时间随太阳辐射强度的变化

为了研究系统的全年运行特性，以南京气象资料为例，模拟出系统将水从8℃加热到50℃时全年逐月平均运行参数（COP、加热时间），如图7。系统的全年各月COP在3.9～5.9，平均值为4.8；全年各月加热时间为251 min～392 min，平均值为314 min。

图7　系统全年各月平均运行参数

5　结论

本文基于太阳能集热板/蒸发器存在制冷剂压降的基础上建立了太阳能热泵热水器系统的数学模型。本文编制了系统性能的模拟计算程序，分析了南京市各气象参数对太阳能集热板/蒸发器集热效率以及系统性能系数COP和加热时间的影响。初步模拟结果表明，随着环境温度的增加，太阳能集热板/蒸发器的集热效率有显著增加；而随着太阳能辐射强度It的增加，集热效率却不断下降，但系统的COP会有显著增加，加热时间也会不断减少；通过对系统全年运行性能的模拟分析显示，系统全年各月的平均COP为4.76，平均加热时间为314 min。

今后将进一步研究综合考虑各参数对热性能的影响情况，优化太阳能集热板/蒸发器的结构参数和运行控制，使得太阳能热泵热水系统能够在最优的状态下运行。

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Performance Simulation of Microchannel Collector/Evaporator for Solar Heat Pump Water Heater

ZHOU Wei*,ZHANG Xiao-song
(School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China)

In this paper a new flat-plate collector/evaporator was presented by using microchannel to gain heat from both solar radiation and ambient air. Its main characteristic was using the model of tree branch. The collector/evaporator was made of two pieces of aluminium plates by using the method of cold-rolled huff,which could reduce the contact thermal resistance and improve the heat transfer efficiency of the collector. A simulation model of the collector/evaporator was developed and its thermal performance was analyzed. The performances of heat pump hot water system were evaluated experimentally under different ambients,including heat pump coefficient of performance (COP),heat collecting efficiency and heating time of hot water,etc. The results showed that heating 150 L water with the heat pump from 15℃ to 50℃,the COP of the whole year was 4.76,and the heating time was 314 min all year around. Meanwhile the heat collecting efficiency increased evidently with the ambient temperature increasing and solar radiation intensity decreasing.

Microchannel collector/evaporator； Solar heat pump； Model of tree branch； Heat collecting efficiency

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.102

*周伟（1991-），男，硕士。研究方向：太阳能利用与建筑节能。联系地址：江苏省南京市玄武区四牌楼2号，邮编：200096。

联系电话：15105177377。E-mail：seuzhous@163.com。

国家自然科学基金项目（No.51376044），国家科技支撑计划（No.2011BAJ03B14）。