一种新型空气源热泵辐射供暖系统的实验研究

陈苏坤 李永财* 付文涛 卢军 李娟 乔振勇

1 重庆大学土木工程学院

2 重庆大学环境与生态学院

3 四川省建筑科学研究院

针对目前长江流域地区冬季采暖存在的问题，笔者提出了一种末端采用辐射板的新型直膨式空气源热泵供暖系统。相较于常规空气源热泵供暖系统，该系统可以直接将制冷剂输送至末端，不仅在结构上简化，更减少了不必要的能源浪费。目前，国内外对于直膨式热泵系统的研究，主要集中在直膨式太阳能热泵系统[1-3]和直膨式土壤源热泵系统[4-5]，而针对直膨式空气源热泵的研究还比较少。因此，笔者着重研究了五个典型工况日下，直膨式空气源热泵辐射供暖系统在重庆地区的运行特性和系统能效，实时测量机组功率、辐射板表面温度、制冷剂进出口温度、系统能效比等特性参数随时间的变化规律。基于实验数据，为直膨式空气源热泵辐射供暖系统设计、运行提供参考依据。

1 实验研究

1.1 实验装置

如图1 所示，整个实验装置由室外换热器，压缩机，四通换向阀，膨胀装置，气液分离器和辐射板6 个部分组成。其中室外换热器、压缩机、热力膨胀装置集成于室外机中置于室外，辐射板置于室内，辐射板通过铜管与系统室外部分相连接构成整个采暖系统。将铜管用贴片固定在铝板上，作为辐射末端，连接处采用导热硅胶强化传热。根据空气源热泵室外机制热量计算得到辐射板的面积，最后选定辐射板的铜管尺寸为Φ9.52×0.7 mm，铜管支路采用三段回折的形式，并保证各支路回折管总长度为5 m。

图1 空气源热泵辐射板采暖系统流程图

1.2 测量方法

本实验主要测量的物理量为温度和功率。实验过程中采用量程为-200～+350 ℃的铜-康铜（T 型）标准热电偶测定辐射板表面温度和制冷剂进出口温度，为了研究辐射板表面温度随时间变化的特性，在铜管管壁上均匀布置15 个测点。由于铜管是通过贴片固定在铝板上，铝板与铜管表面存在温度差，因此在铝板上均匀布置10 个测点，具体的测点布置方式如图2 所示。采用型号为HP-9800 功率测试仪测定机组的功率。实验数据的自动检测和储存采用Agilent 34970A多功能数据采集仪实现。

图2 测点布置图

1.3 实验方案

选择测试期间晴天日2018 年1 月10 日，阴天日2018 年1 月14 日，雨天日2018 年1 月23 日，低温雨天2018 年1 月28 日和低温阴天2018 年1 月30 日这五个典型工况日的实验数据作为研究对象，分析该系统在不同天气条件下的冬季供暖特性，各典型天气的温湿度测试数据见表1。设定机组每天早上8:00 开机，连续运行至晚上20:00 停机，实验过程中分别对机组功率，辐射板表面温度和制冷剂进出口温度等参数进行逐时记录，设置数据采集时间间隔为5 min。

表1 典型日气象参数统计

2 实验结果与分析

2.1 功率变化情况

从图3 可以看出，晴天，雨天和低温雨天三个典型工况日下，机组从稳定运行开始至下午15:00 这段时间内，机组功率持续增大，15:00 以后机组功率开始减小。全天运行期内机组的功率分别在620～690 W，670～730 W 和915～945 W 范围内波动。在阴天工况条件下，机组从早上9:00 至下午13:00 这段时间功率持续增大，13:00 以后机组功率持续减小。在一天的运行期内，机组功率在710～725 W 之间变化。而在低温阴天工况条件下，机组从稳定运行到停止运行内，机组功率从905 W 一直增加至950 W，机组的实时功率与额定功率的比值在67.8%～71.2%之间变化。从整体上看，环境温度和机组功率呈负相关变化，随着室外环境温度的降低，机组功率在不断地增大。

图3 五个典型工况下功率随时间变化

2.2 温度变化情况

图4，图5，图6，图7 和图8 分别为系统在晴天，雨天，阴天，低温雨天和低温阴天五个典型工况日下冬季供暖运行特性曲线图。

图4 晴天供暖运行特性

图5 雨天供暖运行特性

图6 阴天供暖运行特性

图7 低温雨天供暖运行特性

图8 低温阴天供暖运行特性

从图4～8 可以看出：

1）从机组启动至稳定运行这段时间内（8:00～9:00），制冷剂进出口温度以及辐射板表面平均温度迅速上升。系统运行稳定后，五种天气条件下的制冷剂进出口温度和辐射板表面平均温度波动均较小。

2）随着室外温度的降低，机组功率逐渐增大，压缩机的排气温度升高，制冷剂的进口温差也随之升高。雨天工况下，制冷剂进出口温差在2.2 ℃～4.3 ℃之间变化，而在低温雨天工况下，制冷剂进出口温差在5 ℃～7.2 ℃之间变化，说明环境温度对直膨式空气源热泵辐射供暖系统有很大的影响。

3）系统辐射板表面平均温度变化趋势与制冷剂进出口温度变化趋势相一致，由于接触传热存在热损耗，所以铜管和铝板表面平均温度存在差值，温度差在4 ℃～6 ℃之间变化。

2.3 系统性能系数

该系统的COP 可定义为辐射板散热量qc与机组功率w 的比值，即：

辐射板的综合传热量qc包含辐射换热量qr和自然对流换热量qn，即：

辐射板的辐射换热量计算公式为[6]：

式中：tp为辐射板表面平均温度，℃；AUST为室内非供暖表面的平均辐射温度，℃；A 为辐射板的面积，m2。

辐射板表面平均温度可通过多测点取平均值得到，室内非供暖表面平均辐射温度AUST 为室内非供暖表面温度的加权平均值[6]。

式中：Ai为室内非供暖表面的面积，m2；ti为室内非供暖表面的温度，℃；n 为辐射板表面测点个数tpj为辐射板上第j 个测点的温度，℃。

辐射板自然流对流换热量计算式[6]：

式中：H 为辐射板的高度，m。

通过对实测数据整理计算得到系统在不同天气条件下的COP 值，通过对比不同典型工况日下的系统能效，分析其在重庆地区冬季供暖的节能性和适应性。系统能效比随时间的变化规律如图9 所示：

图9 系统能效比随时间变化曲线图

通过图9 中五条曲线的对比可以看出，环境温度和系统能效比呈正相关变化，环境温度越高，COP 越大。当机组稳定运行后系统COP 值也保持稳定，但受室外环境温度的影响会在一定范围内波动。晴天时，系统COP 值在2.98～3.2 之间变化，其平均COP 为3.1，由于机组功率在下午15:00 后开始减小，系统COP 也随之变小。雨天时，系统COP 值在2.95～3.03之间变化，其平均COP 为3。阴天时，系统COP 值在2.91～2.99 之间变化，其平均COP 为2.9。低温雨天时，系统COP 值在2.56～2.63 之间变化，其平均COP 为2.61。而在低温阴天时，系统COP 值在2.58～2.62 之间变化，其平均COP 为2.62。综合5 个典型天气条件下的系统COP，相较于家用分体式空调[7]，直膨式空气源热泵辐射供暖系统可将系统能效比提高26%。

3 结论

本文提出了一种末端采用辐射板的直膨式空气源热泵供暖系统，并基于搭建的实验平台对该系统进行了实验研究，实验结果表明：

1）环境温度对系统性能有直接的影响。随着室外温度的降低，机组功率逐渐增大，制冷剂的进口温度和辐射板表面温度也会随之升高。

2）系统运行期间的平均COP 随室外环境温度的上升而变大，晴天工况下的平均COP 为3.1，雨天工况下的平均COP 为3，阴天工况下的平均COP 为2.9，低温雨天工况下的平均COP 为2.61，低温阴天工况下的平均COP 为2.62。由此可见，该直膨式空气源热泵辐射供暖系统用于重庆地区供暖是可行的，并且具有良好的节能效果。