بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی و بهینه سازی پمپ حرارتی خورشیدی با استفاده از یخ مایع به عنوان یک ماده ذخیره سازی گرمای نهان
چکیده
این مقاله روش بهینهسازی و مدلسازی پمپ حرارتی خورشیدی را از طریق یخ مایع ارائه میدهد. کلکتورهای خورشیدی به عنوان منبع اولیه انرژی حرارتی به شمار میروند. دو سیستم مجزا این امکان را به کلکتورها میدهد تا به همراه مخزن یخ یا آب گرم کار کنند. انرژی حرارتی ذخیره شده در مخزن یخ از طریق پمپ حرارتی به مخزن توزیع آب گرم تبدیل میشود. مدلهای ریاضی جدید مخزن ذخیرهسازی یخ مایع نیز در اینجا ارائه داده شده است. اعتبار مدل دادههای آزمایشی به روند پیشبینی جرم یخ و دمای مایع مخزن در طول بارگذاری و تخلیه کمک مینماید. مدل پیشرفته مخزن یخ با برنامه شبیهسازی انرژی TRANSYS ادغام شده و مدل کاملی از سیستم پمپ حرارتی ارائه شده را فراهم میکند . این مدل محاسباتی مبنای بهینهسازی ریاضی به شمار میرود. هدف کاهش مصرف انرژی در راستای گرمایش و آب گرم داخلی است. این کار در فصول گرم صورت میگیرد. نتایج شبیهسازی شده به طور بالقوه سیستم بهینهسازی شدهای به شمار میرود که موجب کاهش مصرف انرژی حرارتی شده است. این امر باعث افزایش عملکرد خانههای مسکونی شده است.
واژگان کلیدی: شبیهسازی، بهینهسازی، خورشید، پمپ حرارتی، ذخیرهسازی یخ، ذخیرهسازی نهان.
مقدمه
نگرانی مربوط به گرمایش جهانی و کاهش دخایر سوخت فسیلی موجب افزایش مصرف انرژی تجدیدپذیر در صنعت ساختمانی شده است. همان طور که نشان داده شده است پمپهای حرارتی خورشیدی یکی از تکنولوژیهایی به شمار میرود که به تامین نیاز حرارتی بخش مصرفکننده کمک کرده است. [1] مسئله اصلی مربوط به سیستم خورشیدی است. چرا که این امر اختلافی بین قابلیت دسترسپذیری خورشیدی و تقاضای حرارتی ایجاد کرده است (ذخیرهسازی فصلی یا نیمه فصلی). آنها نیاز به مخزنهای بزرگی دارند و این امر موجب کاهش فضای پایدار داخل ساختمان شده و در نهایت موجب افزایش هزینه اولیه میگردد. استفاده از ذخایر نهان به طور بالقوه موجب کاهش حجم مخزن میگردد. این امر باعث شده است ذخیره انرژی بالاتر به سادگی در دسترس قرار گیرد. [2] ذخایر نهان در طول ذوب و انجماد مواد از انرژی موجود استفاده میکنند .(PCM1) این روش در مقایسه با ذخیره سازی پایدار موجب افزایش چگالی ذخیره انرژی میگردد. همان طور که گفته شد؛ برخی از PCM ها در مقاله مورد بررسی قرار گرفته اند[3] [4] ، هر یک از آنها از خواص فیزیکی و شیمیایی خاصی برخوردارند. آب؛ ماده مصرفی مهمی به شمار میرود. علت این امر حرارت نهان بسیار بالا است. آنها به سادگی در دسترس قرار گرفته و ماهیت غیر سمی دارد. وقتی آب به عنوان PCM مصرف میشود؛ یخ زمانی تشکیل میشود که انرژی حرارتی از آن دفع شده باشد. چند روش تولید یخ به طور خلاصه در اینجا مطرح شده است؛ از جمله کویل ذخیره یخ و سیستم برداشت یخ . [5] یخ مایع مخلوطی از ذرات یخ و آب به قطر بسیار کوچک است. آنها از طریق روش اخیر تولید شده و در دسترس قرار میگیرند. سیستم تبخیر کننده مخلوط یخ و آب را در دستگاه تولید میکند .[6] این مخلوط میتواند مستقیما در مخزن ذخیره شود و بعدها مورد استفاده قرار گیرد. تولید یخ مایع مزیتهایی به همراه خواهد داشت؛ از جمله جدا کردن یخچال و تجهیزات ذخیرهسازی. محل انتقال حرارت نیز به خاطر برخی از بلورهای بزرگ یخ حائز اهمیت است .[7] این مقاله کاربرد ذخایر یخ مایع و سیستم پمپ حرارتی خورشیدی به کار رفته در راستای گرمایش را ارائه میدهد. تجزیه و تحلیل مناسب و طراحی پمپهای حرارتی که در راستای ذخیرهسازی به کار میروند مستلزم مدل تفصیلی مخزن ذخیرهسازی و سیستم پمپ حرارتی کامل است.
چند تحقیق بر روی پیشرفت و توسعه محاسباتی مخزن یخ صورت گرفته است. بیشنت2 در سال 1996 مدلی در راستای برنامه شبیهسازی انرژی TRNSYS ارائه داد. سپس اظهار داشت که تعادل انرژی به کار رفته در حجم منبع به محاسبه اتلاف و بازده حرارتی جریان وارد شده به داخل مخزن و هوای محیط کمک نموده است .[8] ضریب تاثیر منبع بر مبنای مقدار یخ باقی مانده در مرحله آزمایش استوار شده است. در حالیکه رویکرد کارآمد و ساده محاسباتی نشان داده است که این مدل به طور آشکار ظرفیت حرارتی جریان داخل منبع را محاسبه نکرده است. این امر موجب ایجاد نوسانات شدید دمای مایع در شرایط کاری شده است. تانین3 و کزاوا4 در سال 2001 بر روی روند مدلسازی منبع ذخیرهسازی یخ مایع بررسیهایی انجام داده و به نتایج مطلوبی دست یافتند. این مدل از ذخیره و دستگاه ذوب جدا تشکیل شده است. بخش ذخیرهسازی از سری معادلات تعادل جرم استفاده کرده و تراکم یخ را در جهتهای محوری و شعاعی محاسبه میکند. بخش ذوب نیز از معادلات تعادل انرژی استفاده کرده و جرم یخ و دمای مایع خروجی مخزن را در هر مرحله مشخص میکند.[9] اگرچه نبود معادلات تعادل انرژی در زیرمجموعهای از ذخایر به این معنا است که این بخش از مدل باید به منظور محاسبه دمای مربوط به هوای محیط اصلاح گردد. در صورتیکه مدل در راستای شبیهسازی سطح سیستم به کار رود. ایگلف5 در سال 2008 به منظور بررسی طبقهبندی مخزن یخ مایع از رویکرد مشابه استفاده نمود. او مخزن را به یک سری از حجمهای کنترل محوری تقسیم کرد و اظهار داشت هر یک از معادلات به کار رفته در این زمینه از یک مؤلفه برخوردار است. [10] بررسیها نشان میدهد که هر یک از معادلات، حرکت ذرات را در طول پخش و نیروی ارشمیدس، (خاصیت شناوری) ارزیابی کرده است. همچنین روند ذوب و فریز یخ نیز محاسبه میشود. مدل مذبور بر حسب فرآیند طبقهبندی آدیاباتیک (طبقهبندی بیدررو) توسعه یافته است. این امر برای پیشبینی عملکرد مخزن مناسب نیست. چرا که انرژی حرارتی از طریق منابع خارجی مثل جریان بازگشتی یا هوای محیط مبادله میشود. تحقیقات صورت گرفته بر روی شبیهسازی ذخیرهسازی نهان با سیستمهای پمپ حرارتی در ارتباط است. چی6 در سال 2008 سیستمی را بررسی کرد که نشان میداد کلکتورهای خورشیدی در ارتباط با مخزن نهان کار کرده و 2. 6H2O تولید نمودهاند. محققان ضریب عملکرد 4/2 (COP) را در فصل گرم ارائه دادهاند. [11] هان7 نیز در سال 2008 به بررسی سیستم بسیار پیچیدهای پرداخت و نشان داد که ذخیرهسازی نهان 2. 6H2O از طریق کلکتورهای خورشیدی و تبادلگر حرارت زمین با پمپ حرارتی ادغام شده و به آن وصل شده است. بر این اساس میتوان گفت آنها منبع انرژی حرارتی به شمار میروند. محققان COP پمپ حرارتی فصول گرم را مطرح کرده و اظهار داشتند که این مقدار برابر با 4/67 است. [12]
ترینکل8 نیز در سال 2009 به بررسی پمپ حرارتی خورشیدی پرداخت که در راستای ذخیرهسازی یخ به کار رفته بود. او اظهار داشت یخ از طریق تبادلگر حرارتی تولید شده که در داخل مخزن نهان وصل شده است؛ در حالیکه دو حلقه متمایز به کلکتورهای خورشیدی این امکان را میدهند تا به صورت سری در جهت مخزن ذخیرهسازی قرار گرفته و به طور مستقیم به روند توزیع آب گرم مخزن کمک نمایند. محققان 9SPF را گزارش کرده و اظهار داشتند این مقدار برابر با 4/6 است. [13]
بازبینی مقاله در دسترس قرار گرفته حاکی از آن است که پتانسیل ادغام ذخیرهسازی نهان و ذخیرهسازی خاص یخ به سیستم پمپ حرارتی خورشیدی باز میگردد. اگرچه مقالات آتی روند شبیهسازی و طراحی سیستمها را به طور مطلوب نشان داده است. این تحقیق روش مدلسازی و بهینهسازی پمپ حرارتی خورشیدی را از طریق یخ مایع ارائه داده است .[14] مدل جدید ریاضی مخزن ذخیرهسازی یخ مایع توسعه یافته و از طریق دادهها و اطلاعات آزمایشی معتبر شناخته شده است. سپس این مدل از دو مدل پمپ حرارتی خورشیدی استفاده کرده و نتایج مطلوبی را نشان داده است. تکنیکهای بهینهسازی ریاضی نیز در راستای نمونه برداری از سیستم به کار رفته و مجموعه بهینه متغیرهای طراحی را مشخص نموده است. همان طور که مشاهده میشود این امر باعث مصرف انرژی خانههای مسکونی شده است.
توضیح سیستم
تصویر :1 طرح سیستم ارائه شده پمپ حرارتی خورشیدی مملو از یخ مایع
سیستم ارائه شده در تصویر 1 نشان میدهد دو سیستم حلقه خورشیدی به سیستم اصلی اجازه داده است تا در شرایط کارآمد انرژی شروع به کار کند. با بررسی حلقه خورشیدی A در مییابیم که کلکتورهای خورشیدی نشان داده شده در تصویر 1 به همراه مخزن ذخیرهسازی یخ کار کردهاند. این شکل موجب افزایش بازده کلکتورهای خورشیدی شده و بر سطح بازده حرارتی افزوده است. با استفاده از این کلکتورها میتوانیم به دفعات به مقدار حرارت مناسب دست یابیم. چرا که دمای هوای محیط و تابش خورشید در طول این فرآیند به شدت کاهش مییابد. با بررسی سیستم حلقه خورشیدی در مییابیم که کلکتورهای خورشیدی (I) برخلاف مخزن ذخیرهسازی آب گرم (WWST10,IV) عمل میکنند. این شکل به پمپ حرارتی این امکان را میدهد تا به طور مستقیم مقدار حرارت مورد نیاز دستگاه را تهیه نماید. سرعت جریان وارد شده به داخل دو پمپ دوار حلقه خورشیدی (VIb ,VIa) قابل تشخیص است. نسبت مجموعه به نسبت کل محل کلکتور خورشیدی نیز مشخص شده است. پمپ حرارتی (III) با مخزن ذخیرهسازی یخ (II) و (IV) WWST در ارتباط است. پمپ با سرعت ثابت (VIc) سیال را از عمق مخزن یخ خارج کرده و آن را به سمت پمپ حرارتی تبخیر کننده منتقل مینماید. دومین پمپ با سرعت ثابت (VId) سیال را در داخل WWST چرخانده و سپس سیال را وارد پمپ حرارتی چگالنده میکند. پمپ حرارتی سیال را در بالای (IV) WWST در کمترین دما یعنی 35 درجه سانتیگراد حفظ مینماید. (IV) WWST به عنوان عملکرد توزیع حرارتی خانه به شمار میرود. با عبور آب از تبادلگر حرارتی سیمپیچ شده عمودی میتوانیم به 11DHW دست یابیم. مقدار گرما در این شرایط افزایش یافته و مقدار آن به 45 درجه سانتیگراد میرسد. با استفاده از گرمکن آب الکتریکی (Va) میتوانیم به این مقدار حرارت دست یابیم. گرمای خانه از طریق سیستمهای گرمایش از کف (VII) تامین شده است. پمپهایی که از سرعتهای متغیر برخوردار هستند (VIe) جریان سیال را در داخل سیستم لوله کشی تنظیم کرده و دمای ثابت 20 درجه سانتیگراد را در طبقه نخست خانه حفظ میکنند. سوپاپ حرارتی در راستای تغییر دمای سیال منبع به کار رفته و منطبق با شرایط محیط است. گرمکن کمکی (Vb) در صورت نیاز دمای منبع طراحی شده را حفظ مینماید. سیستم تهویه از سیستم بازیاب گرمایی و سیم پیچ حرارتی (VIII) تشکیل شده است. هوای وارد شده به داخل سیستم تهویه قسمت در خروجی از طریق هوای داخل خانه گرم شده و باعث میشود دمای اصلی گرمایش به 20 درجه سانتیگراد رسد. سیمپیچ حرارتی به دست یابی به این حرارت کمک مینماید. پمپ با سرعت ثابت (VIf) سیال آب داخل WWST را چرخانده و آن را وارد سیمپیچ حرارتی میکند به هنگام نیاز گرمکن حرارتی دمای سیال منبع را تامین مینماید.
کنترل سیستم خورشیدی/حلقه خورشیدی:
کنترل پمپ سیستم خورشیدی بر مبنای سه پارامتر صورت میگیرد:
1. دماهای سیال مخزن: پمپ سیستم مخزن A زمانی شروع به کار میکند که دمای سیال منبع یخ زیر 13 درجه سانتیگراد باشد. زیرا این امر باعث افزایش بیشترین دمای ورودی تبخیر کننده پمپ حرارتی میشود. پمپ سیستم B نیز زمانی شروع به کار میکند که دمای بالای WWST به زیر 60 درجه سانتیگراد رسیده باشد.
2. بازده حرارتی مفید منتج شده از کلکتورهای خورشیدی: دمای سیال پیشبینی شده در بین کلکتورهای خورشیدی افزایش یافته و در سیستم حلقه ( ,L ) A و حلقه ( ,L B) B حفظ میگردد. در این شرایط باید اطمینان حاصل نمایید که کلکتورها توانستهاند به بازده حرارتی مطلوب دست یابند. افزایش دمای پیشبینی شده
نیازی به عملیات حلقه خورشیدی ندارد. هر یک از پمپهای گردان زمانی شروع به کار میکند که حلقه خورشیدی مربوط به آنها افزایش دمای بیشتر از سه درجه سانتیگراد را ایجاد نماید.
جرم یخ در مخزن ذخیرهسازی: جرم یخ مخزن ذخیرهسازی یخ عملیات مناسب حلقههای خورشیدی را تعیین میکند. این سیستمها معمولا به روش مشابه با حلقه A کار میکند. این امر زمانی روی میدهد که جرم یخ بیشتر از 90 درصد از ظرفیت ذخیرهسازی مخزن باشد. این امر موجب کاهش زمان شده و نشان میدهد جرم یخ در این حالت به بیشترین حد ممکن رسیده است. با بررسی سیستم یخ مایع در مییابیم بیشترین ظرفیت یخ مخزن برابر mice/mtank) ) با
0/40 است. این مقدار بر مبنای معیار تست یخ مایع استوار گشته است. بسیاری از تجهیزات در این شرایط کار کرده و باعث افزایش ظرفیت آن میشوند. در این شرایط پمپ نمیتواند مقدار انرژی حرارتی را از مخزن منتج کند. تمام
قوانین و مقررات DHW از طریق عوامل گرمایش کمکی رعایت میشود. سه پارامتر کنترل به طور همزمان مقدار
سیگنال کاری هر یک از پمپها را تعیین میکنند. پمپ زمانی شروع به کار میکند که
پمپ سیستم B زمانی شروع به کار میکند که:
اولویت هر یک از سیستمهای خورشیدی B زمانی مشخص میشود که (1 جرم یخ بیشتر از کسر بحرانی یخ است. این معیار از طریق استراتژی کنترل تعریف شده است. (2 دمای بالای WWST بالا است. این امر بر روی عملکرد عملیات B تاثیر میگذارد.
پیشرفت و توسعه مدل مخزن یخ
مدل ریاضی جدیدی از یک مخزن ذخیرهسازی یخ مایع غیرآشفته توسعه داده شده است. این مدل پس از آن به عنوان پایهای برای یک جزء مخزن یخ جدید برای برنامه شبیهسازی انرژی TRNSYS عمل میکند .[15]
فرضیات توسعه
مدل ریاضی از طریق فرضیات ذیل توسعه یافته است:
1. یخ و آب در هر مرحله به دو لایه مجزا تقسیم میشود. هیچ یک از ابزارهای همزن مکانیکی در این راستا به کار نمیروند. در نتیجه آب و یخ بر مبنای شدت چگالی متمایز استوار خواهد گشت.
2. گرادیان دما در لایه یخ و آب میتواند نادیده گرفته شود.
3. هیچ یک از روشهای خنک سازی لایه یخ در این شرایط به کار نمیرود آنها از دمای ثابت Tice صفر درجه سانتیگراد برخوردار هستند. متراکم سازی یخ تاثیر ناچیزی بر روی عملکرد مخزن سیستمها میگذارد. [13]
4. عمق مخزن یخ به خوبی نصب شده است؛ به طور مثال گرمای منتقل شده به بخش ناچیز است. انتقال گرما بین لایه یخ و هوا در بالای مخزن ناچیز است.
5. چگالی و تخلخل در لایه یخ ثابت است. لایه یخ صرف نظر از مسافت شعاع تا محور مخزن از ضخامت ثابتی برخوردار میباشد.
6. بازگشت سیال از کلکتورهای خورشیدی و پمپ به طور یکنواخت صورت گرفته و سیال بالای مخزن توزیع میگردد. سیال وارد پمپ حرارتی شده و سیستم کلکتور خورشیدی در عمق مخزن شروع به کار میکند. این مقدار مشابه با مقادیر کلکتور جریان پمپ حرارتی است.
مدل ریاضی
مخزن یخ به دو قسمت تقسیم شده است: حجم کنترل آب و یخ (همان طور که در تصویر 2 نشان داده شده است).
تصویر :2 حجم کنترل لایه آب و یخ.
باید اظهار داریم سرعت جریان سیال بیرون امده از پمپ حرارتی و کلکتورهای خورشیدی به روند محاسبه کل جریان سیال کمک مینماید. مقدار یخ وارد شده به داخل مخزن از طریق معادله درصد تولید یخ ارائه شده است .(12IGR) معادله توازن انرژی مربوط به لایه یخ این طور نوشته شده است:
معادله:1
معادله تعادل انرژی مربوط به لایه آب این طور محاسبه شده است:
انتقال گرما از طریق انتقال حرارت جابه جایی پیشرفته بین لایههای یخ و آب روی میدهد. انتقال حرارت بر مبنای همرفت بین صفحات خنک بالا و جریان گرم تر زیر صفحه استوار گشته است :[16]
ضریب انتقال حرارت گرمایی این طور محاسبه شده است :
رویکرد ضریب تاثیر:
ضریب تاثیر به منظور محاسبه انتقال گرمای بین سیال داخل مخزن و لایه یخ , ) و ( , به کار میرود .( ) ضریب تاثیرات؛ نسبت انتقال واقعی حرارت به بیشترین مقدار انتقال حرارتی است . بررسیها نشان میدهد نسبت دمای سیال به لایه
یخ مشابه با خود یخ است .( = 0℃)
