PV/T与热泵一体化系统中蓄热水箱温度分层性能研究

2020-07-14

流体机械 2020年6期

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

0 引言

太阳能PV/T系统与热泵等系统相结合的复合系统，为太阳能应用提供了更为有效的途径［1］。蓄热水箱作为太阳能系统中的蓄能装置，其热力特性影响着整个热水系统的工作效率［2］。因此，分析研究蓄热水箱的热力性能，提高其温度分层度及分层稳定性，有利于进一步地提高太阳能PV/T系统的使用效率。

目前国内外学者对于太阳能热水系统中蓄热水箱特性的完善，运用试验和数值模拟的方法开展了大量研究工作。Lavan等［3］对蓄热水箱内的垂直温度分层进行了试验研究，分析了不同水箱高径比、进出水口温差及补水速率对水箱热性能的影响。Hahne等［4］对圆柱形蓄热水箱建立了数值模型，并提出充热效率来评估水箱垂直温度分层度。Rosen［5］发现冷热水之间的掺混是造成蓄热水箱分层程度降低的主要原因，并发现立式水箱相较于卧式水箱能够更好的维持温度分层。李琳［6］模拟了不同进水速度和不同进水温度下水箱内冷热水混合的瞬态过程。韩延明等［7］研究了导流板对蓄热水箱蓄热性能的影响。

总结上述国内外研究进展，可见，人们对蓄热水箱进行了各类研究，但缺少立足于提升蓄热水箱性能进而提高太阳能PV/T与热泵一体化系统的综合性能的研究。因此，本文选取了太阳能PV/T与热泵一体化系统中蓄热水箱的温度分层度及蓄热水箱结构作为研究对象，通过试验研究与数值模拟的方法对蓄热水箱的内部流体的流动情况和蓄热性能进行分析，计算蓄热水箱不同进水口流速、不同结构下蓄热水箱的温度分层效果。

1 系统原理及试验

1.1 试验系统

试验系统由3部分组成，太阳能PV/T组件与热泵一体化系统，电气控制系统，试验数据采集系统。

1.1.1 太阳能PV/T组件与热泵一体化系统

试验设备安置在上海市杨浦区上海理工大学经济与管理中心楼屋顶，屋顶高16 m左右，无阴影遮挡，光照充足。如图1所示，系统共由3部分组成，分别为：太阳能光伏光热组件（PV/T）、热泵机组和生活用热水组件。其中太阳能光伏光热组件包括光伏光热板、集热水泵、蓄热水箱以及相应的管路和阀门。光伏光热组件由7块板组成，总面积为9.18 m2。热泵机组主要材料部件见表1。

图1 太阳能PV/T组件与热泵一体化系统原理

表1 热泵机组主要部件材料表

生活用热水组件包括供热水箱、热水泵以及相应的管道和阀门［8］。蓄热水箱规格为500 L，蓄热水箱中的水流经光伏光热一体化组件后带走电池背板的热量，可以在冷却太阳能电池板的同时制取热水流回蓄热水箱储存起来。

1.1.2 试验数据采集系统

本试验中的试验数据主要有温度数据、流速数据和环境参数数据。其中温度数据通过Pt100铂电阻采集。Pt100的量程为-150～150 ℃，精度为A级。流速数据通过PV/T水系统中安装的电磁流量计采集，型号为OPTIFLUX 4100C，精度±0.3%±1 mm/s。环境监测测量的参数由光伏发电采集软件SPS-PVNET（Ver2.0）记录，主要包括风速、风向、辐照、温度等环境参数，通过风速传感器（精确度±0.1 m/s），风向传感器（精确度±1°），日照辐射表（灵敏度 7～14 mV/（kW·m2）），测温探头等测量。测量得到的这些数据都将通过Labview或相关数据采集软件读取显示在电脑上。

1.2 试验方法

为了研究不同进水口流速对蓄热水箱性能的影响，设置了3种不同进入蓄热水箱水流速工况，分别为0.10，0.15，0.20 m/s。并选取天气状况良好且气象参数相近的天气进行试验，具体环境参数见表2。

表2 不同流速试验工况环境参数

试验过程中将通过调节蓄热水箱进水口的流速值，实时测量不同流速下的蓄热水箱的进、出口水温，水箱平均水温等参数。

2 模型建立

利用ANSYS Fluent软件建立蓄热水箱的数值模型，并对试验工况进行模拟，将模拟数据与试验数据对比验证模型的准确性，之后采用数值模拟的方法对水箱结构进行优化。

2.1 模型简化与假设

为了便于划分网格、节省计算时间，经济合理地模拟计算出蓄热水箱内部流体的温度分布，对蓄热水箱的物理模型简化做出了如下几条假设：

（1）整个蓄热水箱可简化为一个没有外力施加和内部热源的封闭体。

（2）蓄热水箱和进出水管的壁面视为绝热壁面，忽略向周围环境的热量损失。

（3）在常温状态下，水为不可压缩流体。

（4）蓄热水箱进口状态在蓄热过程中是保持恒定的，进水口的流速和进水温度保持不变。

2.2 物理模型

为了与试验数据形成对比，建立的水箱几何模型尺寸与试验系统中水箱内胆尺寸一致，即水箱为立式圆柱形水箱，高990 mm，底部直径800 mm。进水管道在上方，出水管道在下方，进出口直径均为50 mm，其中心位置距水箱顶部和底部均为300 mm，进出水管道均伸入水箱100 mm。水箱内注满水，并且在初始时刻处于静止状态，具有均匀一致的初始温度，建立的水箱几何模型如图2所示。

图2 蓄热水箱几何模型

利用ANSYS Fluent软件对蓄热水箱进行网格划分，对蓄热水箱的高度和管口流道方向都作了O型网格处理，而且对水箱壁面和出入口壁面都作了边界层处理。划分后的蓄热水箱网格如图3所示。

图3 蓄热水箱网格划分

在ANSYS Fluent软件中设置流体材料的参数见表3。

表3 流体材料特性参数设置

2.3 边界条件

根据简化模型假设，设置蓄热水箱和进出水管的壁面都为绝热壁面。具体边界条件设置参数见表4。

表4 边界条件设置

2.4 蓄热水箱温度分层效果的量化指标

蓄热水箱温度分层效果常用的量化指标有取出效率、混合数、分层数、进出水口温差等。本文采用进出水口温差及取出效率［9］来衡量。取出效率的计算公式如下［10］：

式中t10%——进出水温差从初始值减小10%所经历的时间，min；

Vst——水箱容积，L；

v——进水流速，L/min。

3 结果与讨论

3.1 试验结果及分析

图4示出0.10 m/s流速工况下从10：30到12：00之间共90 min内不同时刻蓄热水箱的温度变化。由图可知，随着时间的增加，出水口温度，进水口温度以及水箱平均温度都是升高的，这是因为太阳能电池板的温度随着室外辐射照度的增强而升高，蓄热水箱中的水流经电池板所带走的热量也增多。且由于蓄热水箱温度分层的作用，设置在蓄热水箱底部的出水口流出的水温低于水箱平均水温，而在经过太阳能电池板带走多余热量后的循环水，即蓄热水箱进水口温度也高于水箱的平均温度。进出水口温差大约为2 K左右。

图4 0.10 m/s流速下蓄热水箱不同时刻温度变化

图5示出3种不同进口流速工况下进出水口温差随时间的变化。由图可知，对于同一进口流速，随着时间的增加，其进出水口温差都呈现先上升后下降的趋势。这是因为随着太阳能辐射照度的增强，PV/T光伏电池板的温度上升速度较快，PV/T系统中循环水带走的热量也短时间内剧烈增大，进水口温度随之迅速升高。而随着时间的推移，蓄热水箱内的储存的热量也逐渐增加，水箱平均水温升高，蓄热水箱的储能能力逐渐降低，对进水口流入的热水的降温效果也逐渐减弱，因此进出水口的温差也呈现下降的趋势。对比3种不同流速可知，蓄热水箱进口流速越大，进出水口温差越小。图中不同流速下，进出水口温差由上升转为下降出现的时间不同，因为不同流速对蓄热水箱的扰动不同，流速大的扰动强，拐点出现的时间越早，反之亦然。

图5 不同进口流速工况下进、出水口温差

3.2 模拟结果分析

对0.1 m/s流速工况下的试验进行模拟。将Fluent数值模拟的结果与试验测试的出水口温度和水箱平均水温进行对比。从图6可以看出，数值模拟结果与试验测试结果基本吻合，可用于后续研究。

图6 试验结果与模拟结果对比

3.3 进出水口位置对蓄热水箱温度分层性能影响模拟

为了研究进出水口位置对水箱蓄热温度分层性能的影响，设计了结构2水箱与原有水箱（结构1）进行对比见表5，2种结构的水箱进水口流速均为0.10 m/s。

表5 两种结构水箱参数

图7，8分别示出在进口流速为0.10 m/s时，结构1水箱平均温度、蓄热过程中不同时刻水箱中心截面温度云图随时间的变化。从图中可以看出，水箱的蓄热过程大致分为3个阶段，第1阶段为0～60 min，为蓄热初始阶段，温度较高的水从进水口流入水箱内，带来大量的热量储存在蓄热水箱中，因而此阶段内水箱平均温度上升速度较快。由于进水口流入的热水温度高于水箱内的水，密度较低，因此进水口进入的热水迅速流向水箱顶部，形成温度高于水箱下部的热水域。蓄热过程的第2阶段为60～135 min。由温度云图可看到，在此阶段水箱内部分为3种明显的温度区域：水箱底部初始状态的冷水域、水箱顶部的热水域及将这两种水域分开的具有明显温度分层的温度过渡层。水箱蓄热过程的第3阶段为135～180 min。由温度云图可以观察到，水箱内热水的范围不断变大，中间的温水在此阶段内下降到与出水口水平的位置，进而流出水箱，水箱内的温度分层状态被破坏。并且蓄热水箱储存的热量变多，水箱平均水温接近保持稳定。

图7 结构1水箱平均温度

图8 结构1水箱不同时刻中心截面温度云图

图9示出结构2水箱不同时刻水箱中心截面温度，对比图8和图9可知，在蓄热水箱内平均水温到达稳定时，结构2水箱的出水口温度要低于结构1水箱。这是因为结构1水箱的出水口位置较高，水箱底部温度低、密度大的冷水无法通过出水口流出，出水口流出的是水箱中部温度较高、密度相对较小的温水；而结构2水箱的出水口位于水箱的底部，冷水顺利从出水口流出。

图9 结构2水箱不同时刻水箱中心截面温度云图

图10示出0.1 m/s流速工况下结构1水箱与结构2水箱蓄热过程中出口水温度差值与平均水温差值随时间变化的图像。在蓄热过程的初始阶段，结构1水箱的出水温度与结构2水箱的出水温度差值迅速升高，15 min时达到最大值0.84 K。随着热水的不断流入，出水温度的差值也有所减小，到60 min时，出水温度的差值下降至0.34 K。到135 min时，2种结构水箱出口水温几乎没有差别，一直持续到180 min时蓄热过程结束。

结构1水箱的平均水温一直低于结构2水箱的平均水温，0时刻起，2种结构水箱之间的平均水温差值稳定增长，到60 min时达到0.36 K。这是因为结构1水箱内流出的为温度较高的温水，温度较低的冷水积聚在水箱的底部，导致水箱内整体平均水温较低。随着热水的不断流入，蓄热过程进入第二阶段，水箱内部的水温变化缓慢，两种结构水箱之间的平均水温差值也不断稳定。直到蓄热过程结束，结构1水箱的平均水温比结构2水箱的平均水温低0.34 K左右。

图10 0.10 m/s流速工况不同结构水箱温度差值

图11示出2种结构水箱在0.1m/s流速工况下蓄热过程的取出效率。取出效率越高，温度分层效果越好。结构1水箱的取出效率为11.44%，低于结构2水箱的取出效率12.43%。这是因为结构2水箱的进出水口之间的距离较大，热水流入蓄热水箱引起的扰动较小，减少了水箱内垂直高度上不同温度的水之间的掺混，温度分层效果较好。