張時華 周 易 徐笑鋒

上海海立電器有限公司

0 引言

熱泵技術是近年來全世界備受關注的新能源技術，經(jīng)過電力做功可以從空氣、水或者土壤中提供被人們所利用的高品位熱能。熱泵技術也是中國達到“雙碳”目標的有效途徑與解決辦法［1］。熱泵熱水器利用空氣源熱能通過壓縮機提供熱水，是繼電熱水器、太陽能熱水器及燃氣熱水器后的“第四代熱水器”［2］。但是，由于水箱體積較大，輸出功率大、出熱水速度較慢等問題，制約了其應用推廣［3］。

相變儲能是一種將熱能利用材料相變潛熱存儲的技術手段，可有效地解決熱能在時間、空間上的不匹配問題，具有儲熱密度大、性能穩(wěn)定等特點［4-6］。涂志剛等［7］以碳納米管（CNTs）/石蠟納米復合材料作為相變蓄熱介質(zhì),將納米復合材料應用于熱泵熱水器中，探討了相變蓄熱式熱泵熱水器的傳熱性能。與傳統(tǒng)帶水箱的蓄熱式熱泵熱水器相比，納米復合材料的添加使相變蓄熱式熱泵熱水器蓄熱箱體積減少約二分之一，熱效率明顯提高，可達86%,說明CNTs/石蠟納米復合材料可以作為熱泵熱水器的蓄熱材料。余萌［8］通過制冷劑與相變材料直接換熱的方式，設計了與空氣源熱泵系統(tǒng)相結合的高效相變蓄熱裝置——冷凝蓄熱器。從能耗、環(huán)境以及經(jīng)濟角度看，該系統(tǒng)相較于準二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)具有更強的低溫適應性，為其在嚴寒地區(qū)的大規(guī)模供熱應用提供了切實可行的方案。鄒得球等［9］分析了相變儲熱材料在太陽能熱水器和熱泵熱水器中的應用情況,指出了相變材料在熱水器中的合理布置存在的問題，提出未來在相變儲熱材料的性能優(yōu)化、相變材料與熱水器的結合形式優(yōu)化、太陽能熱水器與熱泵熱水器的有效組合方面需要進一步探索。綜上所述，相變儲能技術應用在熱泵熱水器中可有效提升系統(tǒng)性能，減小蓄熱水箱體積并即時出熱水，但是其具體的蓄熱結構及系統(tǒng)設計仍待優(yōu)化研究。

本文針對蓄熱式熱泵熱水器，設計了基于套管換熱器的三工質(zhì)換熱蓄熱體。通過商業(yè)軟件建立三維瞬態(tài)模型，設置邊界條件，探索不同進水口溫度下蓄熱材料、水、制冷劑之間的傳熱性能，并對蓄放熱過程中的蓄熱材料相變問題進行了討論。

1 模型建立

系統(tǒng)包括壓縮機、蓄熱箱體、蒸發(fā)器、電子膨脹閥等設備，如圖1所示。壓縮機采用制熱量1 900 W的某品牌壓縮機，壓縮機出口溫度小于等于90 ℃，制冷劑選取R134a。相變材料選取PCM1 赤藻糖醇基復合相變材料，其熱物性見表1。

表1 相變材料熱物性表

圖1 系統(tǒng)示意圖

采用套管式換熱器，內(nèi)管水進行換熱，外管制冷劑循環(huán)加熱，套管外部的不銹鋼箱體內(nèi)填充相變蓄熱材料，如圖2、圖3 所示。蓄熱箱體尺寸為310×220×325 mm，箱體內(nèi)套管換熱器長度為6.5 m，外管管徑25 mm，內(nèi)管管徑12.7 mm。制冷劑通過壓縮機壓縮為高溫高壓的氣體，進入換熱器后對水與蓄熱材料進行加熱。充熱階段蓄熱材料由固體融化為液體進行相變蓄熱；放熱階段由蓄熱材料先進行放熱，如熱水需求量較大，壓縮機再次啟動并提供熱量。設置環(huán)境溫度為15 ℃，進水口溫度分別為15、20、25 ℃，模擬計算蓄熱材料放熱階段出水口溫度變化及相變材料平均溫度變化。

圖2 套管換熱器示意圖

圖3 蓄熱箱體示意圖

假設蓄熱箱體處于絕熱狀態(tài)下，制冷劑的熱量QR見式（1）：

式（1）中：TR1和TR2——分別是蓄熱箱體中制冷劑的進出口溫度；

CR——制冷劑的比熱容。

制冷劑的熱量被水吸收，熱量Qw表達式見式（2）：

式（2）中：Qw——管道中水吸收的熱量；

Tin——進水溫度；

Tout——出水溫度；

Tave——進出水的平均溫度；

ρw——水平均溫度時的密度；

Cw——水平均溫度時的比熱容。

忽略重力的影響，熔融過程中PCM內(nèi)部不存在自然對流，因此，只發(fā)生在相變過程中的PCM 是一個純熱傳導的問題。PCM中的能量守恒方程為：

式中：ρ——PCM1的密度；

H——PCM1的焓；

k——PCM1的熱導率。

在相變材料和套管換熱器中，選擇水作為供熱介質(zhì)，管道內(nèi)液體水的能量守恒方程為：

管道內(nèi)液體水的動量守恒方程為：

管道內(nèi)液體水的連續(xù)性方程：

式中：ρw——水的密度；

Cw——水的比熱容；

Tw——水的溫度；

——管道中水流速度矢量；

P——水的靜壓。

計算網(wǎng)格選取均勻性結構化網(wǎng)格，對管路連接區(qū)域加密網(wǎng)格分布。分別對物理模型選取10 萬、15萬、20萬網(wǎng)格數(shù)進行網(wǎng)格劃分，結果驗證了網(wǎng)格獨立性，為了計算精確與計算速度最終選取15萬網(wǎng)格數(shù)模型，時間步長選取5 s，網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖4 物理模型網(wǎng)格圖

2 結果分析

相變材料放熱過程平均溫度如圖5所示。從圖5中可以明顯看出，相變材料在800 s左右開始相變且有穩(wěn)定的相變平臺。此階段蓄熱材料由固態(tài)融化為液態(tài)，在10 000 s左右結束相變?？梢悦黠@地看出，進水口溫度越低，相變材料相變越快，開始得越早，這是由于大溫差導致的熱流密度較大導致。進水口溫度為25 ℃的相變平臺最為滯后。

圖5 相變材料溫度變化圖

圖6 為相變材料放熱過程中的液相質(zhì)量分數(shù)圖，過程中蓄熱材料由液態(tài)凝固為固態(tài)釋放熱量給水。由于熱流密度不同的原因，進口水溫為15 ℃前期蓄熱材料融化速率較快，進水口溫度為25 ℃蓄熱材料融化速率較慢。最終三個不同工況均趨于穩(wěn)定，直至蓄熱材料完全凝固為固體。出水口水溫變化如圖7 所示。由于導熱系數(shù)與熱阻的設定，在2 000 s左右水溫升至55 ℃，達到熱水器供水國標。在400 s 左右由于相變材料的持續(xù)潛熱供熱，出水口溫度穩(wěn)定在80 ℃左右。同樣由于進水口溫度不同，進水口溫度25 ℃較進水口溫度15 ℃延遲1 000 s 左右達到80 ℃的出水溫度。進水口溫度15 ℃時，80 ℃熱水出水時間最短，大約在6 000 s左右，較進水口溫度為25 ℃時80 ℃熱水供應時間短14.5%左右。該蓄熱式熱泵熱水器系統(tǒng)可有效提供60 ℃熱水12 000 s 左右，模擬計算驗證了系統(tǒng)的可行性。

圖6 液相質(zhì)量分數(shù)圖

圖7 出水口溫度變化圖

3 結論

通過設計熱泵熱水器系統(tǒng)結構與蓄熱箱體，建立蓄熱式熱泵熱水器的三維非穩(wěn)態(tài)物理模型，設定三種不同進水口溫度的工況，模擬計算了蓄熱材料的相變傳熱特性與出水口溫度變化，可得到以下結論：

1）進水口溫度越低，水與蓄熱材料的換熱溫差更大，熱流密度更大，相變時間越短，提供熱水時間更短，成反比關系。

2）蓄熱式熱泵熱水器可有效提供熱水12 000 s左右，熱水供應量由相變材料填充量決定，模擬驗證了蓄熱式熱泵熱水器的技術可行性。