直膨式太阳能热泵地板辐射供暖实验平台设计

孔祥强， 闫循正， 张 鹏， 徐 显， 于伟才

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

与采用风机盘管或散热器供暖相比，地板辐射供暖对于供水温度要求较低，运行噪声较小，散热均匀舒适性高[1-2]。在低温供热运行模式下，热泵系统具有较高的热力性能。因此，将地板辐射供暖与热泵技术集成，实现了供需侧热能品位匹配，对于节能减排具有重要意义[3]。通过将集热器与蒸发器结合于一体，直膨式太阳能热泵技术能够高效利用太阳能，拓宽了系统运行温度范围，改善了集热温度升高对集热效率的不利影响和热泵蒸发温度，提高了热泵供热系数[4-5]。丙烷(R290)是一种环保自然工质，其臭氧消耗潜能值(Ozone Depletion Potential，ODP)为0，温室效应潜能值(Global Warming Potential，GWP)低于20[6-7]。

近年来，一些专家学者对直膨式太阳能热泵系统进行了实验研究。侯亚祥等[8]搭建了以R417A为工质的直膨式太阳能热泵热水器实验平台，将10块平板型太阳能集热/蒸发器并联使用，极端工况下系统制热系数(COP)可达3.69，验证了系统运行可靠性。Rocha等[9]构建了以CO2为工质的直膨式太阳能热泵系统实验平台，采用跨临界循环方式，选用裸板式太阳能集热/蒸发器，并以毛细管作为节流机构。单宝琦等[10]搭建了以R22为工质的家用直膨式太阳能热泵热水系统实验平台，在5～10月份典型日的系统COP均高于5，较常规空气源热泵系统提高33.2%。目前采用自然工质的热泵系统受到了广泛关注，但以丙烷为工质的直膨式太阳能热泵系统驱动供暖系统的实验研究鲜有报道。

本文依托科学研究项目，在课题组前期研究直膨式太阳能热泵热水器系统的基础上[11-12]，构建了以R290为工质的直膨式太阳能热泵地板辐射供暖实验平台，集热/蒸发器和冷凝器采用微通道技术以降低丙烷充注量，保证系统安全运行。平台能够实现多个模块化综合研究性实验项目，提高学生实验动手能力，全面培养学生的创新思维和科研素质，有助于提升学生培养质量[13-15]。另外，向日葵和Teamviewer等商业化远程控制软件可以帮助实验台的运行与控制在一定程度上摆脱时间与空间上的限制，这有助于实现教学资源的高效合理使用[16-19]。

1 实验平台及工作原理

实验平台由热泵循环和地板辐射供暖循环2部分组成，循环通过蓄热水箱集成在一起，图1为实验平台工作原理图,图2为实物图。主要部件：微通道太阳能集热/蒸发器、定频压缩机、内置微通道冷凝器的蓄热水箱、电子膨胀阀、敷设地板供暖盘管的测试室、循环水泵以及数据采集与控制系统等。

工作原理：低温低压的气液两相态热泵工质R290在微通道太阳能集热/蒸发器内直接吸收外界热量，成为过热蒸气态进入压缩机，被压缩为高温高压气体并流入微通道冷凝器，通过冷凝盘管向蓄热水箱中的水放热，然后经电子膨胀阀节流降压，形成低温低压的气液两相态并返回集热/蒸发器内，如此循环。与此同时，蓄热水箱内部水被冷凝器加热后，由循环水泵供至地板供暖盘管内，加热测试室内部空间，放热后返回蓄热水箱。

图1 实验平台工作原理

图2 实验平台实物

1.1 热泵循环

在供暖系统的热泵循环中，微通道太阳能集热/蒸发器尺寸为3 500 mm×1 126 mm，共由33根扁管组成，每根扁管截面尺寸为25.4 mm×2 mm，包含13个流道，具体结构和尺寸如图3所示。压缩机类型为全封闭滚动转子式定频压缩机，工质为R290，额定输入功率为732 W，气缸容积为16.4 m3。微通道冷凝器采用外敷式紧贴蓄热水箱内胆外壁，尺寸为1 190 mm×1 000 mm，共由28根扁管组成，每根扁管截面尺寸为25 mm×2 mm，壁厚为0.4 mm，包含18个流道。电子膨胀阀型号为DPF-T，并采用GJY1801电子膨胀阀控制器进行控制，输出信号为4～20 mA电流。

图3 集热/蒸发器扁管结构(mm)

1.2 地板辐射供暖循环

在地板辐射供暖循环中，蓄热水箱尺寸为φ520 mm×1 600 mm的圆柱容器，内胆容积为0.2 m3。循环水泵型号为RS15/6-RG-3，输入功率可实现三档调节，分别为93、67和46 W，对应最大流量为0.95×10-3、0.683×10-3和0.417×10-3m3/s。地板辐射供暖盘管敷设在测试室地面上，盘管材质为铝塑管，尺寸为φ16 mm×2 mm，采用双回型盘绕在泡沫板模具上，泡沫板模具上面覆盖防辐射层用以防止盘管向下辐射热量，模具下面为挤塑保温板，保温板下铺设防水层。盘管上面覆盖木质地板。测试室内部空间尺寸为5 400 mm×2 400 mm×600 mm，其四周和顶面的围护结构材料为岩棉板。

2 数据采集及远程控制系统

基于实验平台，设计了一套数据采集与控制系统，采用组态王作为上位机软件，其下连接总辐射表、数据采集控制器和温湿仪，如图4所示。

图4 数据采集与控制系统架构

其中，数据采集控制器整合了来自温度传感器、压力传感器、涡轮流量计、功率表、风速仪和质量流量计的电流信号，并将来自上位机的控制指令发送至循环水泵、定频压缩机和电子膨胀阀。具体过程为：实验平台各测点的传感器将采集数据转化为4～20 mA电流，由型号为RTU-308N和RTU307J的数据采集控制器整合后上传至电脑主机，经组态王软件整理后，显示在系统界面上，并写入数据库。

2.1 热泵循环数据采集系统

热泵循环系统安装了4个温度传感器、4个压力传感器、1个功率表、1个总辐射表、1个风速仪和1个质量流量计。其中，温度传感器、压力传感器分别用来监测工质R290在集热/蒸发器出口、压缩机出口、冷凝器出口和电子膨胀阀出口的温度和压力，功率表用来监测压缩机耗功率，总辐射表用来监测太阳辐射强度，风速仪用来监测环境风速，质量流量计用来监测工质R290的循环质量流量。其详细规格参数如下所述。

(1) 温度传感器为Pt100铂电阻，测量范围为-50～150 ℃，测量精度为±0.2% FS。

(2) 压力传感器型号为CYZZ11型，测量范围为-0.1～3 MPa，测量精度为±0.1% FS。

(3) 功率表型号为TED-2WBD，测量电流5 A以内、电压220 V单相电，测量精度为±0.5% FS。

(4) 总辐射表型号为TBQ-2，测量范围为0～2 kW/m2，测量精度为±2% FS。

(5) 风速仪型号为HS-FS01，测量范围为0～30 m/s，测量精度为±0.1 m/s。

(6) 质量流量计型号为DMF-1-1B，测量范围为0～100 kg/h，测量精度为±0.2% FS。

2.2 地板辐射供暖循环数据采集系统

地板辐射供暖循环安装了19个温度传感器、1个功率表、1个涡轮流量计和1个温湿仪。其中，温度传感器用来监测测试室的地板温度、墙壁温度、天花板温度、室内空气温度、地板辐射供暖盘管进口和出口水温、蓄热水箱内部水温。地板温度由9个温度传感器监测，均匀分布于两条对角线及中心交点上。墙壁及天花板共设置5个温度测点，分布于四面墙壁和天花板的中心处。功率表用来监测循环水泵耗功率，涡轮流量计用来监测地暖盘管循环水流量，温湿仪用来监测测试室内部的温湿度。

系统所用温度传感器、功率表与热泵循环系统相同，其他传感器的详细规格参数如下所述。

(1) 涡轮流量计型号为GTLWGY，测量范围为0.1～6 m3/h，测量精度为0.5%。

(2) 温湿仪型号为 RSWSI20，温度测量范围为-40～80 ℃，湿度测量范围为0～100% RH，温度测量精度为±0.5 ℃，湿度测量精度为±2% RH。

2.3 远程控制系统

实验平台的远程实时控制、监测和数据处理，基于Windows 7操作系统下安装了向日葵和Teamviewer软件开发的实验平台控制系统。平台实现了多台设备对主机的即时监控，且支持通过移动设备跨平台对主机进行监控和操作，为实验平台的高效使用和安全运行提供了保障。

3 实验平台功能设计

借助实验平台，学生能够熟悉常用热工测量仪器和设备的工作原理和使用方法，能够加深对传热学、工程热力学、工程流体力学、自动控制理论等专业基础课程知识和制冷原理与技术、热泵技术与应用、太阳能热利用技术等专业课程知识的理解。围绕直膨式太阳能热泵性能研究，实验平台能够全面测试环境参数、热泵循环子系统运行参数和地板辐射供暖子系统运行参数，并可以通过参数调整实现系统优化运行，据此可以完成多个基础性、综合性、设计性或研究性的实验项目。

在直膨式太阳能热泵地板辐射供暖系统性能分析中，采用的性能评价指标主要包括：地板辐射供暖功率、热泵制热功率、压缩机耗功率、循环水泵耗功率、系统制热系数等。

地板辐射供暖功率Qd为[20]

(1)

式中：n为供暖系统运行期间的时间步长总数；cp,w为水的比热容(J/kg·℃)；tg,i、th,i分别为第i个时间步长的地板辐射供暖系统供水温度和回水温度(℃)；qw,i为第i个时间步长的循环水质量流量(kg/s)；Δτ为时间步长(s)；τ为系统总运行时间(s)。

热泵制热功率为[12]

(2)

式中：tw,f、tw,o分别为蓄热水箱内部水在供暖系统运行结束时的温度和供暖系统运行开始时的温度(℃)；Mw为蓄热水箱内部水的质量(kg)。

压缩机耗功率为

(3)

式中,Wcom,i为第i个时间步长的压缩机耗功率(W)。

循环水泵耗功率为

(4)

式中,Wp,i为第i个时间步长的循环水泵耗功率(W)。

系统制热系数COP为[12]

(5)

4 实验结果与分析

图5所示为2021-03-09的部分实验测试数据分析曲线。实验测试时间为08:10～11:30，压缩机与循环水泵始终处于开启状态。同时，为降低系统运行初始阶段的不稳定对实验数据处理结果造成的干扰，实验平台在07:50开机，运行20 min后的测试实验数据用来系统性能计算与分析。

可以看出，除风速u在0～0.39 m/s之间波动外，其余环境参数和运行参数均随时间单调变化。环境温度ta从7 ℃逐渐升至13.5 ℃，平均值为10.7 ℃;太阳辐射强度I从235 W/m2升至706 W/m2，平均值为436.6 W/m2;热泵循环的冷凝压力pc从1 195.7 kPa升至1 896.2 kPa，平均值为1 524.6 kPa;热泵循环的蒸发压力pe从425.9 kPa升至748.1 kPa，平均值为556.6 kPa;地板辐射供暖系统的供水温度tg从27.2 ℃升至47.9 ℃，平均值为37.6 ℃；回水温度th从25.3 ℃升至43.3 ℃，平均值为34.1 ℃;蓄热水箱内部水温tw增加了21.1 ℃，平均值为38.1 ℃;测试室内温度tr升高了9.4 ℃，平均值为20.0 ℃。

还可以看出，除循环水泵耗功率Wp随时间变化较小且保持在36～38 W之间外，其他系统性能指标变化较为明显，且基本随时间单调变化。系统COP从3.7降至3.0，平均值为3.4;热泵制热功率Q从1 834.1 W升至2 247.3 W，平均值为2 075.6 W;地板辐射供暖功率Qd从294.1 W升至707.3 W，平均值为534.5 W;压缩机耗功率Wcom从497.6 W升至737.1 W，平均值为606.2 W。

综上，实验平台能够稳定准确地测试各项参数，可以据此进行系统热力性能全面分析研究。同时，数据也显示出在低温工况下，直膨式太阳能热泵地板辐射供暖系统具有良好的热力性能。

5 结 语

本文设计并构建了具有远程操控功能的直膨式太阳能热泵地板辐射供暖实验平台，以课程知识点为切入点，利用科研方向引领专业课程实验教学内容，实现了教学科研相辅相成、资源共享的良性互动，有助于形成教学与科研一体化的人才培养机制。实践表明，实验平台操作方便、可控性强、开放性强、自主设计研究性强，能够有效激发学生的学习兴趣，取得了良好的实验教学效果。通过模块化设计，该实验平台可以开展多个基础性、综合性、设计性、研究性的教学实验，服务于课堂理论教学和实验教学环节，有力促进学生学习能力、创新能力、实验能力、科研能力等的全面培养。