改善三套管蓄能型热泵系统供热性能的实验*

曲德虎，倪 龙，姚 杨

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

改善三套管蓄能型热泵系统供热性能的实验*

曲德虎，倪 龙†，姚 杨

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

为改善室外低温条件下空气源热泵的供热性能，提出了三套管蓄能器供热模式.实验比较了三套管蓄能器单独供热、联合空气源热泵供热以及太阳能辅助三套管蓄能器供热的运行稳定性及制热COP等供热特性.实验结果表明，太阳能辅助三套管蓄能器供热模式可有效改善三套管蓄能器的供热性能，在太阳能热水温度为28 ℃，热水流量为300 L/h的工况，机组蒸发温度为-2.8 ℃，制热COP为2.8，有效缓解了空气源热泵在低温环境中的供热不足.

三套管蓄能换热器；制热COP；低温适应性

空气源热泵的低温适应性是热泵研究领域的热点，国内外的相关学者做了大量研究[1-3].有的研究着眼于改善热力循环[4-6]，还有研究引入了合适的外部热源弥补空气源热泵在低温下的供热不足[7-9]，此外还有结合蓄能技术直接/间接供热的研究[10-12].在此基础上，考虑引入可再生能源作为空气源热泵的辅助热源，结合蓄能技术改善可再生能源能流密度低、间歇、不稳定的特质，再通过热泵提升能量品位，达到稳定、高效的供热目的.三套管蓄能型热泵系统正是在这样的背景下提出的.它依托空气源热泵将三套管蓄能换热器与太阳能热水系统集成，兼备蓄冷供冷、蓄热供热的双重功能，具有多种运行模式[13-14].为了系统地研究新系统的运行特性，制作了一台2HP的实验样机，并对样机开展了实验测试.实验中发现三套管蓄能器单独供热模式对供热效果的改善仍可提升，分析实验数据后，提出了联合供热模式以及太阳能辅助三套管蓄能器供热模式，用以改善三套管蓄能器的供热性能.分别对这两种供热模式开展实验研究，考察样机的供热稳定性、压缩机输入功率、制热率、制热COP以及相变材料的温度变化特性.

1 三套管蓄能型热泵样机

样机原理如图1(a)所示.制冷时，蓄能换热器利用夜间低谷电蓄冷，并在日间用电高峰时段供冷，实现电力的峰谷转移[15]；制热时，蓄能换热器利用太阳能热水蓄热，在需要用热时为用户提供冷凝热水[16].通过调整阀门的组合方式可以改变机组的运行模式，实现样机的全年多模式运行.表1列举了样机的9种运行模式，表中M-1～M-9依次代表夜间蓄冷模式、蓄能换热器单独供冷模式、空气源热泵单独供冷模式、联合供冷模式、太阳能蓄热模式、三套管蓄能器单独供热模式、空气源热泵单独供热模式、联合供热模式、太阳能辅助三套管蓄能器供热模式.

样机选用R22制冷剂及ZR系列压缩机.压缩机额定功率为1.71 kW，排气量为5.92 m3/h.所选板式换热器为人字形波纹单连通板片结构，片数38片，总换热面积为1.68 m2.室外侧翅片管式空气换热器的传热管为紫铜管，肋片为整张铝片，管簇排列为正三角形叉排，传热管长度为56 m.样机节流机构为并联2根0.6 m长的毛细管，毛细管内径为1.6 mm.三套管蓄能换热器内相变蓄能材料选用RT5HC，其凝固温度为5 ℃，融化温度为6 ℃，蓄能密度为245 kJ/kg.样机共包含3组三套管蓄能换热器，各蓄能换热器含3个支路，各支管长6.4 m，单排管长0.8 m；各蓄能单元的结构如图1(b)所示.三套管蓄能换热器内管为制冷剂，中间层套管为相变蓄能材料，外层套管为冷/热水.蓄能材料的总用量为10.17 kg，制冷剂充注量为5.6 kg.

1—压缩机; 2—四通换向阀; 3—室外换热器; 4—板式换热器; 5—循环水泵I； 6—三套管蓄能换热器; 7—循环水泵II; 8—太阳能集热器; 9—气液分离器; A—用户侧供水; B—用户侧回水(a) 三套管蓄能型热泵样机原理图

(b) 三套管蓄能换热单元结构示意图

表1 样机运行模式

2 实验方案

针对样机在制热模式下的性能实验，建立了相应的实验系统，该系统主要由大焓差试验台、数据采集及控制系统以及三套管蓄能型热泵样机构成.焓差实验室依照国家标准《单元式空气调节机》(GB/T17758-1999)建造.实验原理如图2所示.实验中的测量参数包括温度、压力、流量、功率及时间，其中流量需要人工测量和调节，时间需要人工测量，其他参数均通过相应的自动化测量仪表直接测量.所选实验仪表的资料列于表2中.

1—室外机; 2—蓄热装置; 3—室内机; 4—标准风机盘管;5—空气再调节机组; 6—冷水机组; 7—加热、加湿器;8—补水装置; 9—控制台; 10—干湿球测量装置; 11—动力柜; 12—稳压电源; 13—电器柜;14—风量测量装置; 15—压力平衡装置

表2 实验仪表

三套管蓄能型热泵样机的测点布置如图1(a)所示，图中T,P,Q分别代表温度测点、压力测点和流量测点；V,E,R,S分别代表关断阀、电磁阀、节流机构以及单向阀.在三套管蓄能换热单元上，沿着制冷剂流动方向每隔0.8 m布置1个相变材料(phase change material, PCM)温度测点，共计9个PCM温度测点；制冷剂的入口和出口、太阳能热水的入口和出口，都分别布置了温度测点与压力测点.在三套管蓄能换热单元的水侧管路上布置了玻璃转子流量计，用于调节太阳能热水流量，每只流量计的实验流量范围在40～100 L/h.需要说明的是，相变材料温度测点布置在材料层铜管外壁，其值不反映材料层中的径向温度分布.

分别对太阳能蓄热模式、三套管蓄能器单独供热模式、空气源热泵单独供热模式、三套管蓄能器与空气源热泵联合供热模式、太阳能辅助三套管蓄能器供热模式进行实验测试.实验中，太阳能热水由实验室内的热水箱模拟提供，实验要求列于表3中.实验中各工况稳定后开始计时，1 h内若工况稳定则保存数据，否则数据不可用.每组实验重复7次，若7次实验结果偏差≤5 %，则数据可信，该组实验结束.

表3 实验工况

3 初步实验

在室外干球温度为-17 ℃的条件下，考察空气源热泵单独供热模式(M7)的运行效果.图3反映了系统运行压力、压缩机输入功率、制热率以及制热COP随供热温度的变化.如图3所示，伴随供热温度的升高，系统运行压力、压缩机输入功率以及制热率皆呈升高趋势，其中吸气压力的增幅最大为19 %，排气压力的增幅为14 %，压缩机输入功率的增幅为7.5 %，制热率的增幅为6 %.制热COP随供热温度升高而下降，当供热供回水温度从34.6 / 30.6 ℃升至44.9 / 40.7 ℃时，制热COP自1.7降至1.6.鉴于低温环境对空气源热泵供热性能的影响，提出了三套管蓄能器单独供热模式(M6).

图3 空气源热泵单独供热的运行特性

同在室外干球温度为-17 ℃的条件下，考察三套管蓄能器单独供热模式的运行效果.图4(a)反映了系统运行压力、压缩机输入功率、制热率以及制热COP随供热水温度的变化.当供热水温度从36.8 / 31.3 ℃升高到46.3 / 41.3 ℃时，吸气压力自0.27 MPa升至0.29 MPa，排气压力自1.35 MPa升至1.69 MPa，同时压缩机输入功率自1.40 kW升至1.69 kW；制热率由2.93 kW升至3.21 kW.此过程中，制热COP呈下降趋势，由2.1降至1.9.另外，供热水温度的变化也影响了相变材料的温度特性.

图4(b)中，伴随供热水温度的升高，模式结束时相变材料的平均温度与均方差皆呈上升趋势，其中平均温度由4.8 ℃升高到6.0 ℃，均方差自4.8 ℃增加到7.1 ℃.由此可见，供热水温度的升高提高了相变材料的平均温度，但也使相变材料的温度分布变得更不均匀.

图4(c)反映了供热水温度为36.8 / 31.3 ℃时，工况结束时刻与起始时刻相变材料沿制冷剂流动方向的温度分布情况.该工况起始于太阳能蓄热模式的结束时刻，太阳能热水温度为26.0 ℃，流量为100 L/h，蓄热时长为15 min.实验结果表明，三套管蓄能器单独供热对空气源热泵单独供热的改善有限：制热COP自1.7升至2.1，吸气压力自0.13 MPa升至0.29 MPa.

4 改善供热的实验

考虑增大蒸发器的换热面积，设计三套管蓄能器与空气源热泵联合供热模式(M8).此时三套管蓄能器与室外换热器并联作为热泵系统的蒸发器.仍在室外干球温度为-17 ℃的环境中开展实验.实验中不断关小室外换热器侧的制冷剂阀门，减少室外换热器内的制冷剂流量.当室外换热器侧的制冷剂阀门关至足够小时，相比三套管蓄能器单独供热模式，三套管蓄能器的蒸发压力得到了改善，其值从0.27 MPa升至0.35 MPa，压缩机吸气压力从原来的0.27 MPa升高到0.31 MPa；此时室外换热器的蒸发压力相比空气源热泵单独供热模式提高了131 %(从0.13 MPa提升到0.30 MPa).压缩机输入功率分别比空气源热泵单独供热模式及三套管蓄能换热器单独供热模式提高了14 %和11 %；制热率比空气源热泵单独供热模式提高了14 %，较三套管蓄能换热器单独供热模式降低了9 %；制热COP较三套管蓄能换热器单独供热模式降低了19 %，与空气源热泵单独供热模式相同，为1.7，如图5(a)所示.

(a) 运行特性

(b) 模式结束时相变材料的温度特性

(c) 模式起始与结束时刻相变材料的温度分布

图5(b)反映了联合供热模式运行参数的逐时变化，包括运行压力、压缩机输入功率、制热率及制热COP.如图5(b)所示，机组压力在开机后第7 min达到稳定，压缩机输入功率、制热率以及制热COP在开机后第3 min基本稳定；此后制热率缓慢下降，降低百分率为6 %；制热COP从2.5逐渐下降至1.6.供热结束时三套管蓄能换热器内相变材料的温度分布并不均匀，如图5(c)所示，图中显示相变材料的平均温度在凝固点5 ℃以上，温度均方差为6.9 ℃.多换热器系统设计/运行的难点是制冷剂的合理分配.蒸发器进液不足会导致压缩机吸气过热度的增加，压缩机输入功率也会进一步升高.在室外气温很低的情况下，三套管蓄能器与空气源热泵联合供热模式对改善三套管蓄能器或空气源热泵单独供热的作用也是有限的.

另一方面，考虑引入太阳能热水(水温低于30 ℃)作为系统的低位热源，加强三套管蓄能换热器内的换热效率.之前的实验结果表明，提高三套管蓄能器换热效率的最大障碍是低导热率的相变蓄能材料.按照最初的设计，不论蓄冷或是供热，相变材料的传热方式都以导热为主.在中间层套管内，由于相变材料充注厚度较小而粘度较大，其自身的微对流作用很弱.为此在该模式中引入太阳能热水，制冷剂与太阳能热水通过相变材料进行对流换热，增强其换热效率.

图6(a)反映了太阳能辅助三套管蓄能器供热模式(M9)的运行压力、供液温度以及蒸发温度的逐时变化情况.开机后第60 s，系统运行压力、供液温度、蒸发温度趋于稳定，最终吸气压力和排气压力分别稳定于0.29 MPa及1.24 MPa，供液温度与蒸发温度分别稳定在32.7 ℃和-2.8 ℃.图6(b)对4种供热模式的压缩机输入功率、制热率以及制热COP进行了比较，发现联合供热模式的压缩机输入功率最高，为1.56 kW，太阳能辅助三套管蓄能器供热模式的输入功率最低，为1.27 kW；制热率方面，最小值出现在空气源热泵单独供热模式，为2.33 kW，最大值出现在太阳能辅助三套管蓄能器供热模式，为3.58 kW.4种供热模式中，按COP由低到高的顺序分别为空气源热泵单独供热模式、联合供热模式、三套管蓄能器单独供热模式以及太阳能辅助三套管蓄能器供热模式，其中最小值为1.7，最大值为2.8.由此可见，改善三套管蓄能换热器的供热实验中，太阳能辅助三套管蓄能器供热模式的效果最明显，制热率最高，相应的制热COP最大.

(a) 性能比较

(b) 逐时运行参数

(c) 模式结束时相变材料温度特性

图6(c)是太阳能辅助三套管蓄能器供热模式开机后180 s内相变材料温度的逐时变化情况.如图6(c)所示，制冷剂入口的3个测点降温最快，且降温过程沿着制冷剂流动方向逐渐进行，开机后第1 170 s相变材料温度达到稳定，此后不再变化.稳定后的相变材料平均温度为16.8 ℃，均方差为5.2 ℃，图6(d)是三套管蓄能器供热模式达到稳定后相变材料平均温度及均方差的比较结果.如图6(d)所示，相变材料平均温度的最小值出现在三套管蓄能器单独供热模式，为4.8 ℃，最大值为16.8 ℃，出现在太阳能辅助三套管蓄能器模式；相变材料温度均方差的最大值为6.9 ℃，出现在联合供热模式，最小值出现在三套管蓄能器单独供热模式，为4.8 ℃.引入太阳能热水后，相变材料的平均温度升高了12 ℃，这是机组蒸发温度大幅提高的根本原因.

(a) 压力与温度

(b) 压缩机输入功率、制热率与制热COP

(c) 相变材料温度的逐时变化

(d) 相变材料温度的平均值与均方差

稳定后相变材料的平均温度在凝固温度5 ℃之上，说明太阳能辅助三套管蓄能器供热模式没有供热时长的限制，且在供热结束后相变材料仍具备可观的“温度势”(“温度势”指材料的即时温度与相变温度间的差值)，可在其他模式中加以利用(例如相变蓄能除霜).需要说明的是，稳定后相变材料的平均温度高于相变温度并不表示材料的相变潜热未经释放.实验条件下太阳能热水入口温度为28 ℃，出口温度为23.6 ℃，平均蒸发温度为-2.8 ℃.相变材料温度测点靠近水侧套管，不能全面地反映相变材料层内的温度梯度.实际上在5.8 mm的相变材料层内同时存在着相变传热、固态导热、液态导热以及微对流传热等多种传热方式[17].

5 结 论

1)太阳能辅助三套管蓄能器供热模式对空气源热泵低温制热性能的改善效果明显：在太阳能热水温度为28 ℃，热水流量为300 L/h的工况下，制热率及COP较空气源热泵供热模式分别提升了54%和65%.

2)太阳能辅助三套管蓄能器供热模式不受室外气温的限制，其运行效果仅与太阳能热水温度及流量有关.

3)三套管蓄能器与空气源热泵联合供热模式对改善三套管蓄能器或空气源热泵单独供热的作用有限，其设计运行的难点在于合理分配制冷剂流量.

4)室外气温较低时，三套管蓄能器单独供热较空气源热泵单独供热的制热率提升了39%，但供热COP仍有较大的提升空间.

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Experiments on Improvements in Space Heating Performance of the Triple-sleeve Energy Exchanger Based Energy Storage Heat Pump

QU De-hu, NI Long†, YAO Yang

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150090, China)

To enhance the heating performance of the air source heat pump (ASHP) system in the low ambient temperature surroundings, the triple-sleeve energy exchanger (TRESE) for space heating mode was proposed. The running stability and the coefficient of performance (COP) of the energy storage heat pump system (ESHP) in the TRESE heating mode, the TRESE combined ASHP system heating mode, and the solar hot water assisting TRESE heating mode, were compared and discussed.The results demonstrate the substantial advance in the heating performance of the ESHP system in the TRESE heating mode and the ASHP system heating mode. For instance, when the temperature and volume flow of the solar hot water are 28 ℃ and 300 L/h, respectively, the evaporating temperature and COP achieves -2.8 ℃ and 2.8 respectively.

triple-sleeve energy exchanger; heating COP; performance during the low ambient temperature surroundings

1674-2974(2015)07-0121-07

2014-08-30

国家自然科学基金资助项目(51178133), National Natural Science Foundation of China(51178133)；供热供燃气通风及空调工程北京市重点实验室开放课题(NR2013K06)

曲德虎(1986-)，男，甘肃兰州人，哈尔滨工业大学博士研究生

†通讯联系人，E-mail:nilonggn@163.com

TU831.6

A