热管式空气源热泵采暖系统实验研究

梁杰，陈炳泉，黄娟，管祥华

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

随着社会的不断发展，能源危机愈发严重，寻求清洁能源的开发与利用成为各国都在追寻的目标，我国作为能源消耗大国，建筑能耗约占社会总能耗的30%，燃煤则占总能源消耗的70%左右[1]。同时，燃煤排放出的多种污染物质是造成冬季雾霾、PM2.5的主要来源。因此大力推广热泵技术，加快郊区及城市上风口的农村地区采暖“煤改电”工程建设，是实现空气治理行动计划目标的重要措施[2-4]。近几年，热泵作为一种能够有效提升热能品位的技术得到了广泛关注，其中由于空气源热泵良好的适应性而被大量使用[5]。随着国际节能减排政策的大力推进，空气源热泵在我国的应用日益广泛[6]。我国热泵产品在国家环保政策的支持下取得了长足的发展。在国家鼓励发展清洁能源的大背景下，空气源热泵作为国家重点扶持对象具有广阔的发展前景[7]。空气源热泵加热方法是解决空气污染，取代燃煤和电加热的有效能源利用方法[8]。空气源热泵作为“煤改电”工程中的主要设备而备受关注，与其他各种供热设备相比空气源热泵具有清洁节能的优势[9]。

目前“煤改电”工程中最常见是水循环空气源热泵采暖系统，常用暖气片或者地暖作为散热末端，以水为载体，通过水泵将机组中产生的热量输送至散热末端。由于载体“水”的特性，导致初次采暖升温较慢，且低温时存在冻结的风险，因此需要保持机组长时间的运行以保证房间采暖的舒适性，同时需要对水路进行防冻处理。另一种常见的是空气源热泵热风系统，通过室内机直接加热室内空气进行采暖，长时间运行后换热器内积累尘土和有害细菌并产生异味，对人体健康造成损害[10]。水循环空气源热泵采暖系统出现的较晚，它在一定程度上克服了空气源热泵热风系统的缺点[11]。

热管作为一种高效的两相传热装置，较常规散热器传热性能更好。将热泵与高效率传热热管结合起来国外也有相关研究。CHOTIVISARUT等[12]采用热管散热器将水箱里的热量抽出冷却热水。ZHANG等[13]将热管应用在太阳能换热装置上，其性能系数比传统换热器提高1.5～4倍。LIM等[14]将热管应用在地源热泵的蒸发器端，蒸发器置于热管散热器内，与普通的直接膨胀式相比性能系数提高10.3%；与复合回路换热型式相比性能系数提高21.1%。SEBARCHIEVICI等[15]将热管应用在地源热泵上，通过热管复合的地板将热量供给办公室。王爱辉等[16]将热管用于制冷量为4,000 W的空调机组。文献[17-19]将热管用于干燥和烘干用热泵的热回收应用。姜坪等[20]将热管用于热回收装置相结合的复合热回收直流式空调机组，有效回收了排风中的低品位能量，提高了机组的运行效率。

本文主要将室外机相同、室内换热器换热面积相当的水循环空气源热泵采暖系统和热管式空气源热泵采暖系统安装在某农村的实际运行数据进行分析。

1 实验条件

1.1 实验方案及实验场地

将室外机相同、室内换热末端面积相当的水循环空气源热泵采暖系统和热管式空气源热泵采暖系统安装在同一民房中，布置相关实验仪器，主要采集数据包括：室外环境温度、室内环境温度、室内换热末端温度和制热运行耗电量等。冬季采暖期间，分别运行水循环空气源热泵采暖系统或热管式空气源热泵采暖系统使得室内环境温度达18～24 ℃，采暖结束后，进行数据分析：对比相同室外环境温度，相同室内温度时耗电量差异；相同室外环境温度、相同室内初始温度，不同采暖系统升温速率差异；以及除霜运行热性等。

实验场地为某农村民房，单排4个面积相同的房间，各房间面积约为15 m2，合计面积约为60 m2。其中在房间2中总共布置10个热电偶，记录房间2中的室内温度变化。实验场地及安装布局见图1，房间温度热电偶布置见图2和图3。

图1 实验场地及安装布局

图2 房间2干球温度热电偶点布置（立面图）

图3 房间2干球温度热电偶点布置（平面图）

1.2 主要实验仪器及误差

为了评价系统性能，本实验对其主要部位的温度传感器以及功率计等仪表进行了标定，主要实验仪器参数如表1所示。

表1 主要实验仪器及误差

2 实验结果与分析

2.1 耗电量数据分析

取室外环境温度-4～4 ℃，室内温度18～24 ℃数据进行耗电量数据分析，在室外温度相当，室内温度相当时，热管式空气源热泵采暖系统耗电量较水循环空气源热泵采暖系统节省4%，数据分析见表2。

表2 耗电量数据分析

2.2 升温速率数据分析

取室外温度10 ℃左右，房间初始温度15 ℃，室内换热器初始温度13.5 ℃进行室内温度以及换热器表面温度升温速率比对测试，温升曲线见图4。

图4 升温速率数据分析

由图4可知，热管＆水循环两套加热系统开始加热前，室内1.6 m处温度均为15 ℃，从主机开始运行至室内1.6 m处温度温度达20 ℃，热管系统耗时40 min，此时水循环系统耗时100 min。

开始加热前，热管＆水循环加热系统中的室内换热器表面温度均为13.5 ℃，从主机开始运行至室内换热器表面温度达30 ℃，热管系统耗时13 min，水循环系统耗时53 min。

2.3 室内温度稳定性数据分析

在设置热管机回氟温度和水循环回水温度相同的情况下，取室内连续采暖18h的运行数据进行分析，室内换热器温度与室内温度波动曲线如图5和图6所示。

图5 热管＆水循环采暖系统室内换热器温度曲线

图6 热管＆水循环采暖系统室内温度曲线

由此可见，水的蓄热性能导致水循环室内温度呈逐渐升高趋势，热管机则相对稳定。由图5可知，停机期间热管采暖系统室内散热器温度波动大于水循环采暖系统室内散热器温度波动，18 h采暖期间，热管采暖系统室内散热器最大温度降低达11.4 ℃，水循环采暖系统室内散热器最大温度降低仅4.4 ℃。

由图6可知，停机期间热管采暖系统室内温度波动大于水循环采暖系统室内温度波动，两者差异不大，18 h采暖期间，热管采暖系统室内温度的最高温度降低1.1 ℃，水循环采暖系统室内温度的最高温度降低0.8 ℃。

2.5 热管采暖系统除霜数据分析

取室外机出现结霜动作的数据进行分析，室外环境干球温度-1.6 ℃，湿度97%，中雪天气，除霜过程中，热管采暖系统室内换热器上、中、下部温度变化曲线见图7。

图7 热管采暖系统室内换热器除霜运行时温度曲线

由图7可知，在除霜运行期间，热管采暖系统室内换热器温度迅速降低，其中上部和中部温度下降相当，下部温度降幅较大，除霜期间热管采暖系统室内换热器下部温度最低将至5 ℃。

3 结论

本文研究了热管式换热器在空气源热泵采暖系统上的实际应用，分析了热管式空气源热泵热水器与水循环空气源热泵热水器在用户现场实际运行的数据，得到如下结论：

1）由于整个采暖系统热阻主要存在于空气侧，热管式空气源热泵采暖系统耗电量较水循环空气源热泵采暖系统略有降低，降幅为4%；

2）热管式空气源热泵采暖系统升温速度大大提升，室温由15 ℃升高至20 ℃，热管式空气源热泵采暖系统所需时间仅为水循环空气源热泵采暖系统的37.5%；室内换热器温度由13.5 ℃升高至30 ℃，热管式空气源热泵采暖系统所需时间仅为水循环空气源热泵采暖系统的24.5%；

3）除霜运行时，热管式空气源热泵热水器室内换热器下部温度最低降至5 ℃。