基于ANSYS的太阳能热泵采暖系统优化方案探究

作者：张海玲

来源：《科技资讯》 2014年第4期

张海玲

(河套学院土木工程系内蒙古巴彦淖尔 015000)

摘要:针对太阳能热泵采暖系统存在的问题,本文利用ANSYS软件的数值模拟功能,探索该系统的地板表面辐射能量温度场,通过改变初值,拟得出太阳能提供的热水初始温度值。

关键词:太阳能热泵采暖系统 ANSYS 温度场

中图分类号:TK519 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)02(a)-0009-02

太阳能热泵供热采暖系统由太阳能集热系统—— 太阳能集热器、贮热水箱、循环管道和热泵系统以及末端散热设备组成。由于地板辐射采暖的进/出口水为低温热水,可以有效的与太阳能热水系统结合起来,因此,低温地板辐射采暖设备是太阳能热泵系统的理想末端散热设备。该系统在太阳能热水达不到地板辐射采暖进口水温时,利用热泵将水温提高,降低了常规能源的消耗。

ANSYS软件是融结构、流体、温度场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析数值模拟软件。其主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。热分析中程序可处理热传递的三种类型,均可进行稳态、瞬态、线性和非线性分析。其中热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热—结构耦合分析能力。

1 研究意义

太阳能热泵供暖系统以太阳能作为热泵热源,克服了太阳能密度低和间歇性不足的缺点,是合理的太阳能利用方式。其主要特点是花费少量电能就可以得到几倍于电能的热量,同时可以有效地利用低温热源,减少集热面积,具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、应用范围广等优点,是一种绿色的采暖方式。目前,由于系统初投资较大等原因,限制了太阳能热泵技术的使用范围,不断提高其可靠性和经济性,逐步实现太阳能装置的实用化和商品化,对于解决能源和环境问题具有极其深远的意义。本文旨在利用ANSYS软件数值模拟的功能,通过实体建模、选择单元属性、定义材料属性、划分网络、施加边界条件求解、后处理[1]过程拟得出最合适的太阳能初始供水温度值,为太阳能热泵技术的推广应用提供参考。

2 太阳能热泵地板辐射采暖系统工作过程

太阳能热泵地板辐射采暖系统如图1 所示,冬季采暖时太阳能集热器最大限度的收集太阳能并转化为

贮热水箱中的热量。主要包括以下两种供热过程。

2.1 太阳能直接供热过程

当阳光充足时,太阳能集热器中吸收大量的辐射热,贮热器水箱的出水温度高于地板辐射采暖盘管进水温度时,控制器就启动水泵,水进入集热器进行加热,并将集热器的热水压入水箱。水箱上部温度高,下部温度低,下部冷水再进入集热器加热,构成一个循环。此时贮热水箱中的水不经过热泵而直接进入地板辐射采暖盘管进行循环,系统就可按太阳能直接供热模式运行,当满足室内热负荷要求的前提下,剩余的辐射能量便储存在水箱中。

2.2 太阳能热泵供热过程

在夜间或者是阴雨天太阳辐射强度太小时,[2]当水箱中的出水温度低于地板辐射采暖盘管进水温度但仍大于室外气温时,太阳能已无法供给地板辐射采暖所需的热量,完全不能满足室内热负荷要求时,此时启动太阳能循环泵,一级热媒在集热器中吸收辐射能后,流入贮热水箱,将热量传递给箱内换热管中的二级热媒;二级热媒进入热泵机组中的蒸发器与制冷剂交换热量,并通过热泵循环进行供热,保证室内空气温度和地板表面平均温度等热舒适性指标在合理范围内波动;降温后的一级热媒又流回集热器,由此完成一次循环。

3 计算地板表面辐射能量温度场的数学模型

实际物体的辐射与绝对黑体不同,实际物体的单色辐射力随波长和温度的不同发生不规则的变化,不遵守普朗克定律。我们把实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率。

根据实际物体的辐射力与黑体辐射力的关系以及黑度的定义,实际物体的辐射力可以用4次方定律来计算[3]: