三套管蓄能型热泵的制冷实验

曲德虎，倪 龙，姚 杨，牛福新

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)



三套管蓄能型热泵的制冷实验

曲德虎，倪 龙，姚 杨，牛福新

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

摘 要：为考察三套管蓄能型热泵(TRESE)的制冷性能，对一台2,HP样机的4种制冷模式分别进行了实验研究.实验结果表明，夜间室外干球温度低于25,℃时，三套管蓄能型热泵的周期制冷COP较高，其值在2.4～3.7之间；三套管蓄能器与空气源热泵联合供冷模式的COP较高，在室外干球温度为35～43,℃的范围内，其值在2.4～2.9之间，较空气源热泵单独供冷模式的COP提高了15%；当三套管蓄能器供冷水流量为40,L/h时，联合供冷期间三套管蓄能器的供冷百分比稳定在7.7%左右，受室外气温的影响不大；若将样机中3组三套管蓄能器同时开启，则三套管蓄能器的供冷率在联合供冷中的比例可提升至23%.

关键词：三套管蓄能型热泵；联合供冷；周期制冷COP

材料科学的不断发展以及电力供求的时间矛盾加速了蓄能技术，尤其是相变蓄能技术的发展[1-3].但目前大部分研究集中在冰/水蓄冷供冷[4-8]、土壤/建筑结构蓄热供热[9-11]方面，存在蓄冷与蓄热不能兼顾的缺陷.三套管蓄能型热泵系统在此背景下出现，该系统依托空气源热泵，集成了太阳能热水系统与三套管蓄能换热器，兼备蓄冷/供冷、蓄热/供热的双重功能，具有多种运行模式[12-13].为了验证系统的可行性，针对三套管蓄能换热器进行了蓄/释能的初步热工实验[12,14-15]，但未对既定模式的应用范围与应用效果进行评价或比较.为了系统地研究上述问题，制作了一台2,HP的实验样机，针对样机开展了实验测试.对样机的制冷性能进行实验研究，其内容包括：样机在一个完整的蓄冷/供冷周期内的制冷性能实验；三套管蓄能器单独供冷实验；空气源热泵单独供冷实验；室外高温工况(室外干球温度为35～43,℃)下三套管蓄能器与空气源热泵联合供冷实验.

1　三套管蓄能型热泵样机

三套管蓄能型热泵(triple-sleeve energy storage exchanger，TRESE)样机的系统原理如图1所示.三套管蓄能换热单元的结构示意如图2所示.制冷时，蓄能器利用夜间低价电蓄冷，并于日间用电高峰时段供冷，完成电力的峰谷转移[14]；制热时，蓄能器利用太阳能热水蓄热，并在需要用热时作为系统的蒸发器，为用户提供热水[15].通过组织阀门的启闭调整机组的运行模式，从而实现样机的全年多模式运行.表1列出了样机的4种运行模式，依次为蓄冷模式(M-1)、蓄能器单独供冷模式(M-2)、空气源热泵单独供冷模式(M-3)和空气源热泵联合供冷模式(M-4).样机设计及相关部件匹配问题可参见文献[16].

图1　三套管蓄能型热泵样机原理Fig.1 Schematic of the TRESE prototype

图2　三套管蓄能型热泵单元结构示意Fig.2 Structure of the TRESE unit

表1　样机运行模式Tab.1 Operation modes of prototype

2　实验方案及误差分析

2.1实验方案

依据国家标准《单元式空气调节机》(GB/T 17758—1999)建立实验系统.所选仪表主要包括NTC热敏电阻、压力变送器和流量计，分别对应图1中的T、P、Q，用于监测温度、压力和流量.图1 中V、E、R、S分别代表关断阀、电磁阀、节流机构以及单向阀.实验中的冷冻水回水由冷水箱模拟，实验工况要求见表2.

表2　实验工况Tab.2 Experimental conditions

2.2误差分析

实验过程中，直接测量值不可避免地带有误差，而这些误差将传递给间接测量值，影响数据的质量.本实验中，间接测量值包括：供冷率、供冷量、供冷COP.各供冷COP的定义如下：

式中：COPASHP为空气源热泵单独供冷的COP；Qe为空气源热泵的供冷率，kW；Wcomp为压缩机输入功率，kW；COPperi为三套管蓄能器单独供冷的周期制冷COP；Qaccu为三套管蓄能器单独供冷的累计供冷量，kJ；Wcomp,accu为三套管蓄能器单独供冷的压缩机累计输入电能，kJ；COPcomb为联合供冷COP；Qe,ASHP为空气源热泵的供冷率，kW；Qe,TRESE为三套管蓄能器的供冷率，kW.

根据仪表精度及误差传播理论，计算出上述间接测量值的误差结果列于表3中.

表3　间接测量值的误差分析结果Tab.3 Error analysis on indirect observing data

3　实验结果

3.1周期制冷实验

依次运行蓄冷模式(M-1)与蓄能器单独供冷模式(M-2)，即构成一个蓄冷/供冷周期.图3反映了三套管蓄能型热泵在一个周期内的制冷性能.

图3　一个周期内的制冷性能与空气热源泵比较Fig.3 Cooling performance during a cycle and comparison with ASHP

如图3(a)所示，伴随供冷水流量的增加，三套管蓄能器的累计供冷量呈下降趋势，且减幅随水流量增加而加大；供冷水流量为40,L/h的供冷量最大，为2.44,MJ，占蓄冷量的98%；供冷水流量为100,L/h的供冷量最小，为1.97,MJ，占蓄冷量的79%.

如图3(b)所示，伴随室外干球温度或供冷水流量的增加，周期制冷COP呈下降趋势；若夜间室外干球温度为15,℃，供冷水流量为40,L/h，周期制冷COP可达3.7.图3(c)中，伴随室外干球温度的增加，空气源热泵单独供冷的COP亦呈下降趋势，其最小值为2.3，出现在室外干球温度为40,℃的工况.

如图3(b)所示，室外干球温度为30,℃时，三套管蓄能器单独供冷的周期制冷COP在1.4～1.8之间，低于空气源热泵单独供冷的2.9；而夜间室外干球温度为25,℃时，三套管蓄能器单独供冷的周期制冷COP在2.4～3.0之间，优于空气源热泵在高温(室外干球温度大于35,℃)下的制冷能效.可见夜间室外干球温度高于25,℃后，三套管蓄能器单独供冷的能效并不优越，这是由机组的蓄冷性能决定的.

3.2蓄冷实验

图4反映了样机在蓄冷模式(M-1)下的运行特性.如图4(a)所示，当夜间干球温度从15,℃升至35,℃时，压缩机输入功率自1.22,kW升至1.69,kW；蓄冷时长自16,min延长至33,min.可见三套管蓄能器周期制冷COP在夜间干球温度高于25,℃后表现低迷的直接原因是压缩机输入功率与蓄冷时长的同时增加.蓄冷时长是蓄能器内相变材料自供冷模式结束温度(在15,℃左右)冷却至指定温度(相变材料的最低温度低于0,℃)所经历的时间，其值取决于相变材料的降温特性.

图4(b)为室外夜间干球温度为25,℃时相变材料的降温特性.相变温度区间之前(相变材料温度＞6,℃)材料降温较快，相变区间内温度下降较慢；除末端测点外，愈靠近换热器出口则相变材料降温愈快.蓄冷结束时PCM温度分布并不均匀，但各测点温度均低于凝固温度5,℃，表明蓄能器内相变材料已完成了相变蓄能过程.

图4(c)在蓄冷结束时刻对不同夜间温度工况的PCM平均温度与均方差进行了比较.PCM平均温度的最小值为3.8,℃，出现在夜间干球温度为20,℃的工况，此时的温度均方差亦为最小值，其值为1.3,℃；当夜间干球温度高于20,℃后，伴随室外气温的升高，PCM平均温度与均方差皆呈上升趋势.

图4　样机的蓄冷性能Fig.4 Behavior of the prototype under cold storage mode

3.3蓄能器单独供冷实验

如上所述，影响样机周期制冷COP的首因是蓄冷性能，而蓄能器单独供冷特性也会影响周期制冷效果.图5为供冷水流量对蓄能器单独供冷(M-2)性能的影响.如图5(a)所示，供冷起始时刻，供冷水温最低，供冷率最大；随着供冷进行，供冷水温逐渐升高，供冷率逐渐衰减；在40～80,L/h的供冷水流量范围内，供冷率随供冷水流量的增加而增加.另一方面，在100,L/h的供冷水流量工况，供冷水温以及供冷率均不稳定；而供冷水流量愈低则供冷率衰减愈慢(供冷稳定性愈好)，供冷稳定性最好的工况是40,L/h的供冷水流量，此时供冷率自0.53,kW近似直线地下降至0.06,kW.

图5(b)为不同供冷水流量工况的供冷时长和对应的有效供冷百分数，其中有效供冷百分数指周期内累计供冷量与累计蓄冷量之比.图5(b)中，伴随供冷水流量的增加，蓄能器的显热降温时长、除湿降温时长及有效供冷百分数皆呈下降趋势.供冷时间最长的工况是40,L/h的供冷水流量，其除湿降温时长与显热降温时长分别为51,min和264,min，此时有效供冷百分数最大，为98%；供冷时间最短的工况是100,L/h的供冷水流量，其除湿降温时长与显热降温时长分别为18,min和132,min，此时的有效供冷百分数最小，为79%.因此推荐的蓄能器单独供冷水流量为40～60,L/h，此时的供冷稳定性好、冷水具备除湿能力、供冷的无效损失最低.

图5　供冷水流量对供冷效果的影响Fig.5 Cooling behavior vs flow rate of cold water

3.4联合供冷实验

在40,L/h的三套管蓄能器供冷水流量条件下，进行蓄能器与空气源热泵联合供冷的实验(M-4)，如图6所示.图6(a)中，室外干球温度由35,℃升至43,℃的过程中，压缩机输入功率逐渐升高，增长率近似为2%，期间联合供冷率由5.96,kW逐渐降至5.42,kW，相应的联合供冷COP自2.9降至2.4.此过程中三套管供冷百分数基本稳定在7.7%，受室外气温影响不大.另外，与空气源热泵单独供冷模式(M-3)的实验结果相比，联合供冷COP提升了15%.

图6　联合供冷运行特性Fig.6 Performance of combined cooling

图6(b)反映了联合供冷期间冷冻水的供回水温度及三套管蓄能器进出水温度受室外干球温度的影响情况.如图6(b)所示，伴随室外干球温度的升高，冷冻水的供水温度自5.6,℃升至6.4,℃，回水温度自11.7,℃升至12.0,℃；冷冻水的供回水温差减小导致联合供冷率下降.此外，当室外干球温度从35,℃升至43,℃时，冷冻水的回水温度即三套管蓄能器的入口温度渐由11.7,℃升至12.0,℃，出口水温自1.9,℃上升至3.1,℃.在三套管蓄能器供冷率保持不变的情况下，蓄能器进出水温差下降表明换热器内热流强度增大，必然影响PCM温度特征.

图6(c)为联合供冷结束时的PCM平均温度及均方差.如图6(c)所示，当室外干球温度从35,℃升至43,℃时，PCM平均温度由1.7,℃升至2.9,℃，均方差自1.1,℃升至1.9,℃.如上所述，三套管蓄能器内热流强度增加会加快相变材料的升温速率，同时使PCM温度分布更加不均匀.

图6(d)为不同室外气温条件下PCM平均温度的逐时变化.如图6(d)所示，室外干球温度愈高则PCM平均温度上升愈快，在室外气温分别为35、38、40、43,℃的工况下，PCM平均升温速率依次为0.14、0.15、0.16、0.20,℃/min.可见，若三套管蓄能器内热流强度增加，则PCM升温过程加速，联合供冷的时间也将缩短.

实验表明联合供冷模式的制冷能效较高，三套管蓄能器供冷稳定可靠，起到了分担部分高峰冷负荷的作用，实现了部分蓄冷策略的设计构想.若望增加蓄能器的供冷比例，可增加蓄能器数量.样机共有3组蓄能器，若在联合供冷时同时启用，则实验周期内的蓄能器供冷比例为23%.

4　结 论

(1)夜间室外干球温度低于25,℃时，三套管蓄能型热泵的周期制冷COP在2.4～3.7之间；而夜间室外干球温度高于25,℃时，周期制冷COP低于空气源热泵单独供冷的COP，这是高温条件下压缩机输入功率与蓄冷时长同时增加的结果.

(2)供冷水流量对三套管蓄能器单独供冷的性能影响很大，蓄能器在低流量范围内(40～60,L/h)供冷稳定可靠，有效供冷百分数在93%～98%之间.

(3)三套管蓄能器与空气源热泵联合供冷的COP较高，当室外干球温度在35～43,℃的范围内时，其值在2.4～2.9之间，较空气源热泵单独供冷的COP提高了15%.

(4)联合供冷期间三套管蓄能器的供冷百分数稳定在7.7%左右，受室外气温的影响不大，实现了部分蓄冷策略的构想；若将样机中3组蓄能器同时开启，则蓄能器的供冷比例可达到23%.

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(责任编辑：田 军)

Refrigeration Performance of the Triple-Sleeve Energy Storage Exchanger Based Energy Storage Heat Pump

Qu Dehu，Ni Long，Yao Yang，Niu Fuxin
(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)

Abstract：To perceive cooling behaviors of the triple-sleeve energy storage exchanger(TRESE)based energy storage heat pump system，a 2,HP prototype was manufactured and run to manifest the cooling performance of the novel system.Experiments included four operation modes under space cooling state.Results reflect that cooling cycle COP is from 2.4 to 3.7 when dry bulb temperature is lower than 25,℃ during nighttime.COP of TRESE cooling combined with air source heat pump is from 2.4 to 2.9 as outdoor dry bulb temperature is from 35 to 43,℃，which rises by 15% more than that of space cooling by air source heat pump only.When flow rate of cold water through TRESE is 40,L/h，the cooling rate of TRESE in combined cooling is 7.7% with scarcely wave，even with ambient temperature changes.If opening all three TRESEs，the cooling rate of TRESE in combined cooling will be increased up to 23%.

Keywords：triple-sleeve energy storage exchanger；combined cooling；cooling cycle COP

通讯作者：倪 龙，nilonggn@163.com.

作者简介：曲德虎（1986—），男，博士研究生，qdh000@126.com.

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ05B04)；国家自然科学基金资助项目(51178133).

收稿日期：2014-10-09；修回日期：2014-12-09.

DOI:10.11784/tdxbz201410007

中图分类号：TU831.6

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2016)03-0326-06

网络出版时间：2015-01-07.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150107.1043.002.html.