三套管蓄能型熱泵在非常定工況下的實(shí)驗(yàn)

曲德虎，倪 龍，姚 楊，牛福新

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱)

在熱泵空調(diào)和制冷行業(yè)，一方面全球性氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，使得設(shè)備在高/低溫工況的性能漸受關(guān)注;另一方面隨著機(jī)組智能化程度的不斷提高，關(guān)鍵設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行中平穩(wěn)可靠地切換也逐漸成為衡量機(jī)組性能的重要因素.文獻(xiàn)［1-2］致力于低溫制冷循環(huán)研究，文獻(xiàn)［3］對熱泵的高溫循環(huán)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［4］在寒冷氣候區(qū)對熱泵系統(tǒng)部件做了可靠性探索，文獻(xiàn)［5］對熱泵系統(tǒng)的局部穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.目前對套管型蓄能換熱系統(tǒng)的研究包括可行性論證及蓄/釋能熱工性能評價(jià)，文獻(xiàn)［6］探討了換熱流體入口溫度對PCM融化/凝固特性的影響，文獻(xiàn)［7-10］考察了換熱流體溫度、流量、相變材料層傳熱肋片的數(shù)量、幾何尺寸、布置形式等對換熱器熱工性能的影響.在此基礎(chǔ)上，為獲得三套管蓄能型熱泵機(jī)組在極端工況運(yùn)行的策略，避免低能效甚至事故的發(fā)生也為驗(yàn)證機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下可平穩(wěn)切換換熱器而不造成運(yùn)行參數(shù)的大幅變化，對一臺(tái)2HP的三套管蓄能型熱泵樣機(jī)在制冷/熱的極端工況下開展了實(shí)驗(yàn)并分別在蓄冷和供熱模式下進(jìn)行了換熱器的切換實(shí)驗(yàn).

1 三套管蓄能型熱泵樣機(jī)

樣機(jī)系統(tǒng)原理見圖1(a).制冷時(shí)，蓄能器利用夜間低價(jià)電蓄冷，并于日間用電高峰時(shí)段供冷，完成電力的峰谷轉(zhuǎn)移［1］;制熱時(shí)，蓄能器利用太陽能熱水蓄熱，在需要用熱時(shí)作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，為用戶供熱［2］.以組織閥門的啟閉調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的全年多模式運(yùn)行.表1列出了樣機(jī)的9種運(yùn)行模式，依次為蓄冷模式(M-1)、蓄能器單獨(dú)供冷模式(M-2)、空氣源熱泵單獨(dú)供冷模式(M-3)、聯(lián)合供冷模式(M-4)、太陽能蓄熱模式(M-5)、蓄能器單獨(dú)供熱模式(M-6)、空氣源熱泵單獨(dú)供熱模式(M-7)、聯(lián)合供熱模式(M-8)、太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9).

樣機(jī)選用R22制冷劑及ZR系列柔性渦旋壓縮機(jī).壓縮機(jī)額定功率為 1.71 kW，排氣量為5.92 m3/h.所選人字形波紋單連通板式換熱器的片數(shù)為38片，總換熱面積為1.68 m2.所選蓄能材料RT5HC的相變溫度為 5～6℃，蓄能密度245 kJ/kg，總用量 10.17 kg.樣機(jī)共有 3 組蓄能器，各組蓄能器含3個(gè)支路，各支管長6.4 m，單排管長0.8 m;蓄能單元結(jié)構(gòu)見圖1(b).

圖1 樣機(jī)原理及其蓄能單元結(jié)構(gòu)示意

表1 樣機(jī)運(yùn)行模式

2 實(shí)驗(yàn)方案

針對樣機(jī)在非常定工況下的穩(wěn)定性及可靠性，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由大焓差試驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以及三套管蓄能型熱泵樣機(jī)3部分構(gòu)成.焓差實(shí)驗(yàn)室依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17758—1999《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》建造.實(shí)驗(yàn)室包括室外環(huán)境室、室內(nèi)環(huán)境室及控制室3部分，實(shí)驗(yàn)原理見圖2，實(shí)驗(yàn)中的測量參數(shù)有溫度、壓力、流量、功率及時(shí)間，所選實(shí)驗(yàn)儀表列于表2.

圖2 實(shí)驗(yàn)原理

樣機(jī)測點(diǎn)布置見圖1(a)，圖中T、P、Q分別代表溫度、壓力和流量測點(diǎn)，V、E、R、S分別代表關(guān)斷閥、電磁閥、節(jié)流機(jī)構(gòu)及單向閥.在三套管蓄能換熱單元上，沿制冷劑流向每隔0.8 m布置1個(gè)PCM溫度測點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)PCM溫度測點(diǎn);制冷劑出入口、太陽能熱水出入口，分別布置溫度及壓力測點(diǎn).在三套管蓄能換熱單元的水側(cè)管路上設(shè)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，每只流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)流量范圍是40～100 L/h.

分別對蓄冷模式(M-1)、蓄能器單獨(dú)供冷模式(M-2)、空氣源熱泵單獨(dú)供冷模式(M-3)、聯(lián)合供冷模式(M-4)、空氣源熱泵單獨(dú)供熱模式(M-7)及太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9)在各自的極端工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對蓄冷模式下的蓄能器切換(S-1)、蓄能器單獨(dú)供熱模式下的蓄能器切換(S-2)、由空氣源熱泵單獨(dú)供熱模式到蓄能器單獨(dú)供熱模式的切換(S-3)展開實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)中，蓄能器單獨(dú)/聯(lián)合供冷模式的冷凍水回水、制熱模式的冷凝器進(jìn)水、太陽能熱水分別由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的冷水箱、冷卻水箱和熱水箱模擬提供.極端工況實(shí)驗(yàn)與切換條件實(shí)驗(yàn)的要求分列于表3、4中.每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)7次，若7次實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差≤5%，數(shù)據(jù)可信.

表2 實(shí)驗(yàn)儀表

表3 極端工況實(shí)驗(yàn)

表4 切換條件下的實(shí)驗(yàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 極端工況

制冷工況下，依次運(yùn)行蓄冷模式(M-1)及聯(lián)合供冷模式(M-4)即構(gòu)成一個(gè)蓄冷/聯(lián)合供冷周期，其中三套管蓄能器的供冷水流量為40 L/h.圖3反映的聯(lián)合供冷特性中，聯(lián)合供冷COP指三套管蓄能器與空氣源熱泵的聯(lián)合供冷率與壓縮機(jī)輸入功率之比.如圖3(a)所示，伴隨室外干球溫度從38℃升至43 ℃，壓縮機(jī)輸入功率由2.11 kW增至2.23 kW，聯(lián)合供冷率自5.82 kW降至5.42 kW;相較于相同室外干球溫度條件下的空氣源熱泵制冷，制冷COP提高17%.

圖3(b)中，室外氣溫由38℃升至43℃時(shí)，冷凍水的供水溫度自5.6℃升至6.4℃，回水溫度自11.8℃升至12.0℃，供水溫度的變化更明顯;期間蓄能器的出水溫度由2.0℃升至3.1℃，進(jìn)水溫度的細(xì)微變化對蓄能器內(nèi)的換熱產(chǎn)生了明顯影響;反映在PCM平均溫度與均方差方面，即圖3(c)所示，PCM平均溫度自1.9℃升至2.9℃，均方差由1.2℃增至1.9℃;PCM 溫度均方差增大，表明PCM溫度沿冷水流向的分布更為不均勻.

同在制冷工況，依次運(yùn)行蓄冷模式(M-1)及蓄能器單獨(dú)供冷模式(M-2)即構(gòu)成一個(gè)蓄冷/供冷周期.三套管蓄能器的周期制冷COP受室外夜間干球溫度的影響深刻，尤其夜間高溫的極端天氣工況，見圖4.周期制冷COP定義為一個(gè)蓄冷/供冷周期內(nèi)的供冷量與壓縮機(jī)輸入電能之比.圖4中，當(dāng)室外夜間氣溫高于25℃后，周期制冷COP下降明顯;在夜間溫度分別為25、30、35℃的工況，周期制冷COP分別為3.0、1.8 和 1.3.另一方面，空氣源熱泵單獨(dú)供冷(M-3)實(shí)驗(yàn)表明，日間室外干球溫度升高導(dǎo)致制冷COP下降，當(dāng)日間氣溫自30℃升至43℃時(shí)，制冷COP由2.9降至2.0，因此當(dāng)夜間室外氣溫高于25℃后，不推薦次日單獨(dú)應(yīng)用蓄能器供冷.而影響蓄能器周期制冷COP的主因是蓄能器的蓄冷性能.

圖5是蓄能器的蓄冷(M-1)性能，室外夜間干球溫度升高導(dǎo)致壓縮機(jī)輸入功率增加、蓄冷時(shí)間延長，當(dāng)室外氣溫從25℃升至30℃時(shí)，壓縮機(jī)輸入功率由1.41 kW升至1.56 kW(增漲11%)，蓄冷時(shí)長自17 min增至26 min(增漲53%)，故而蓄冷耗電量由1 438.2 kJ增至 2 433.6 kJ(增漲 69%);這正是夜間高溫工況蓄能器周期制冷COP低迷的直接原因.

圖3 聯(lián)合供冷的運(yùn)行特性

圖4 蓄冷/供冷周期制冷COP

在三套管蓄能型熱泵的制熱性能方面，較低的室外干球溫度使空氣源熱泵單獨(dú)供熱(M-7)的能效低迷.圖6是空氣源熱泵低溫供熱性能，當(dāng)室外氣溫自-10℃降至-17℃時(shí)，空氣源熱泵單獨(dú)供熱的制熱率由2.98 kW降至2.33 kW，壓縮機(jī)輸入功率自1.42 kW降至1.37 kW.為改善系統(tǒng)的低溫性能，提出了太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9)，該模式下蓄能器是系統(tǒng)中唯一的蒸發(fā)器，因此系統(tǒng)的制熱性能與室外環(huán)境無關(guān)，僅受太陽能熱水溫度/流量的影響.

圖5 蓄冷性能

圖6 空氣源熱泵低溫供熱性能

圖7是太陽能輔助蓄能器供熱(M-9)的性能，圖7(a)中，提高太陽能熱水溫度或增加太陽能熱水流量均可提升制熱率及制熱COP;而壓縮機(jī)輸入功率受太陽能熱水溫度/流量的影響不明顯，其值穩(wěn)定在1.27 kW左右;在太陽能熱水溫度28℃，流量300 L/h的工況，系統(tǒng)制熱率及制熱COP 分別為3.58 kW 和2.8.圖7(b)中，蒸發(fā)溫度及穩(wěn)定后的PCM溫度皆隨太陽能熱水溫度/流量的增加而升高;太陽能熱水流量為300 L/h時(shí)，若太陽能熱水溫度自8℃升至28℃，蒸發(fā)溫度將由-8.2℃升至-2.8℃;同時(shí)穩(wěn)定后的PCM平均溫度將由3.6℃升至16.8 ℃.

圖7 太陽能輔助三套管蓄能器的供熱性能

3.2 切換實(shí)驗(yàn)

圖8反映了切換實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)響應(yīng)特性，切換時(shí)刻為圖中時(shí)間軸0點(diǎn).圖8(a)是蓄冷過程中切換蓄能器(S-1)的系統(tǒng)響應(yīng).吸氣壓力在切換后120 s內(nèi)升高29%，在420 s內(nèi)逐漸回落;排氣壓力在切換后120 s內(nèi)升高3%，在420 s內(nèi)平復(fù);壓縮機(jī)輸入功率在切換瞬間升高6%，60 s后恢復(fù)正常.

圖8 切換條件下的系統(tǒng)響應(yīng)

圖8(b)是蓄能器單獨(dú)供熱時(shí)切換蓄能器(S-2)的系統(tǒng)響應(yīng).吸/排氣壓力在切換后120 s內(nèi)均升高0.06 MPa，隨后緩慢下降并在240 s內(nèi)穩(wěn)定;供熱溫度的變化滯后60 s，上升幅度為4%，回水溫度的變化滯后120 s，上升幅度為2%;壓縮機(jī)輸入功率在切換瞬間增大0.04 kW，72 s后恢復(fù)常值.

圖8(c)是由空氣源熱泵單獨(dú)供熱模式切換到蓄能器單獨(dú)供熱模式的實(shí)驗(yàn)(S-3)情況.吸氣壓力在切換后 60 s內(nèi)升高 0.2 MPa，120 s后平復(fù);排氣壓力在切換后60 s內(nèi)升高0.1 MPa，60 s后平復(fù);供熱溫度的變化滯后60 s，升高幅度為5%;回水溫度升溫較慢，漲幅小于3%，持續(xù)180 s并隨即穩(wěn)定;壓縮機(jī)輸入功率在切換瞬間升高0.14 kW，后于120 s內(nèi)逐漸回落并最終穩(wěn)定在1.68 kW，變化幅度小于9%.

4 結(jié)論

1)室外干球溫度為38～43℃時(shí)，三套管蓄能器與空氣源熱泵聯(lián)合供冷 COP為2.8～2.4，相較于同等條件下的空氣源熱泵單獨(dú)供冷COP高出17%，且室外氣溫對聯(lián)合供冷率的影響較小.

2)三套管蓄能器的蓄冷/供冷周期COP受室外夜間干球溫度的影響明顯，尤其在夜間氣溫較高時(shí)(例如本實(shí)驗(yàn)中30、35℃的工況)，次日不推薦單獨(dú)應(yīng)用蓄能器供冷.

3)壓縮機(jī)輸入功率與蓄冷時(shí)長皆隨室外夜間干球溫度的升高而增大，這是造成三套管蓄能器周期制冷COP隨夜間室外氣溫升高而降低的直接原因.

4)室外干球溫度為-17～-10℃時(shí)，空氣源熱泵單獨(dú)供熱的COP在1.7～2.1;而太陽能輔助三套管蓄能器供熱的COP與室外溫度無關(guān)，僅隨太陽能熱水溫度/流量的增加而增加;在太陽能熱水溫度為28℃，流量為300 L/h的工況，太陽能輔助三套管蓄能器供熱的COP為2.8.

5)三套管蓄能型熱泵在運(yùn)行中切換換熱器造成壓縮機(jī)輸入功率、運(yùn)行壓力及供熱溫度(在制熱模式下)的波動(dòng)，然變化幅度不大，均于420 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，由此判斷樣機(jī)運(yùn)行中的切換實(shí)驗(yàn)性能可靠.

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