水源熱泵熱回收特性測試系統(tǒng)設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)分析

邵麗國，陳熙，賈甲

（1-格力電器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

水源熱泵熱回收特性測試系統(tǒng)設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)分析

邵麗國*1，陳熙2，賈甲2

（1-格力電器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

水源熱泵是利用地表淺層水所儲藏的太陽能作為冷熱源，進行熱量轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。本文介紹了一種專門檢測水源熱泵的熱回收性能的實驗裝置，對測試原理、系統(tǒng)設(shè)計、實驗方法進行了詳細闡述。通過對樣機進行實驗測試，計算分析了熱回收的結(jié)果。研究結(jié)果表明，本實驗裝置在分析樣機熱回收性能方面起到非常重要的作用。

熱回收；水源熱泵；試驗裝置

0 引言

水源熱泵技術(shù)是一種利用清潔的可再生能源的空調(diào)技術(shù)。其工作原理是：冬季，熱泵機組從地源（淺層水體或巖土體）中吸收熱量，向建筑物供暖；夏季，熱泵機組從室內(nèi)吸收熱量轉(zhuǎn)移釋放到地源中，實現(xiàn)建筑物空調(diào)制冷[1]。目前，在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，對節(jié)能環(huán)保提出了更高的要求[2]。在夏季制冷常規(guī)中，制冷機組僅吸收低位熱量，而將剩余熱量通過冷凝器由水、空氣等冷卻介質(zhì)帶走。這不僅造成了能源浪費，而且增加了廢熱造成的熱污染[3-4]。利用熱回收技術(shù)的水源熱泵系統(tǒng)，可以將壓縮機排氣中的余熱通過熱交換的形式，對系統(tǒng)中的冷水進行加熱，儲存在保溫容器中，對建筑管網(wǎng)進行熱水供應(yīng)。

國內(nèi)在這方面的研究多集中于熱回收式水源熱泵在工程設(shè)計實踐中的應(yīng)用，如周子晴等[5]、黃艾星等[6]、胡麗華[7]分別針對不同的工程項目對熱回收水源熱泵進行工程設(shè)計、節(jié)能分析。而針對水源熱泵的熱回收性能的專業(yè)實驗裝置研究較少。

本文針對水源熱泵的熱回收系統(tǒng)開發(fā)了一套實驗裝置，對其熱回收過程進行記錄，分析其在熱回收方面的能效。

1 研究背景

水源熱泵是目前空調(diào)系統(tǒng)中能效比（COP值）最高的制冷、制熱方式，理論計算可達到7，實際運行為4～6[8]。它利用地表水吸收的太陽能，無燃燒、無CO2排放，不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣。因此，它不會產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”和“城市熱島效應(yīng)”，是環(huán)保、節(jié)能的一種系統(tǒng)[9]。

機組利用熱采集器回收制冷過程中冷媒蒸汽與水進行熱交換時所產(chǎn)生的熱量，既為用戶空調(diào)供冷，又獲取了生活熱水，有效地增加了能源的使用效率。這樣不僅可以回收壓縮機排熱，同時也對整個系統(tǒng)起到了預(yù)冷器的作用，能夠增強制冷機組的冷卻效果[10]。

傳統(tǒng)的水源熱泵實驗裝置可以對水源熱泵的制冷情況進行測試，計算出制冷效率和功率，但尚無辦法對樣機的熱回收性能進行評價[11-12]。

為了更好地支持熱回收型水源熱泵的開發(fā)、有效地評估熱回收效率，本文針對熱回收式水源熱泵的熱采集能力進行測試，在原有的水源熱泵實驗裝置基礎(chǔ)上進行了改造，增加了實驗裝置的熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠幫助廠家對熱回收式水源熱泵的研制、評價產(chǎn)熱回收效率方面起到積極作用。

2 測試原理

熱回收式水源熱泵在壓縮機的排氣管路后增加了一個熱采集器，銅管內(nèi)的高溫高壓制冷劑先經(jīng)過熱采集器，與其中的熱回收循環(huán)水進行換熱，再通往冷凝器。熱采集器中的水通過循環(huán)水泵與實驗水箱中儲水進行循環(huán)。

圖1 熱回收裝置示意圖

熱回收測試系統(tǒng)是熱回收式水源熱泵實驗裝置的一個重要組成部分，它負責對樣機熱采集器的熱回收性能進行評估。

在實驗中，熱采集器通過吸收壓縮機排氣熱量，使熱回收水箱溫度從15 ℃上升到50 ℃。根據(jù)公式(1)計算熱回收熱水所吸收的熱量[13]。

式中：Q——系統(tǒng)中水所吸收的總熱量，J；

c——水的比熱，記為4,200 J/(kg·℃)；

m——系統(tǒng)中水的質(zhì)量，kg；

Δt——實驗水箱中水的上升的溫度，℃。

在實驗中，熱回收水箱中的水從15 ℃上升至50 ℃，計錄該升溫過程的時間t。

因為熱采集器獲得的能量是來自于冷凝器。這樣，對測試樣機的熱回收效率評價：

其中，實驗裝置的功率計通過采集壓縮機的輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)，計算出壓縮機輸入功率，最后通過計算機計算壓縮機功率對實驗時間t積分，得到實驗期間壓縮機所作的總功W壓縮機。

3 系統(tǒng)設(shè)計

在水源熱泵實驗裝置的基礎(chǔ)上，對該實驗裝置進行了改造，增加了熱回收測試系統(tǒng)，更新了測試軟件。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)盡可能保持蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)進水的溫度和流量穩(wěn)定。

由于熱回收系統(tǒng)會吸收原有的樣機測試系統(tǒng)的能量，從而拉低原系統(tǒng)恒溫水箱中的水溫。這樣會影響蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)進水的溫度。為了解決這個問題，本研究在原實驗裝置的恒溫水箱處根據(jù)熱采集器回收的熱量大小對應(yīng)增加了一組電加熱，保證水箱中的水溫相對穩(wěn)定。利用數(shù)字調(diào)節(jié)表，輸入鉑電阻所采集的恒溫水箱溫度，輸出(4～20) mA信號調(diào)節(jié)電加熱調(diào)功器的輸出，對電加熱輸出進行控制。

實驗水箱采用一個半徑為0.8 m、高為5 m的圓柱形保溫水箱。水箱上有20個溫度測點接口，共6層，每層間距為75 cm，每一層放置4個測點接口均勻分布于圓面。系統(tǒng)提供8個鉑電阻，實驗時分別插入水箱不同部位，估算水體整體溫度。當熱回收系統(tǒng)循環(huán)水使用較長時間后，會含有各種雜質(zhì)，筆者在水箱循環(huán)管路處增加過濾器過濾雜質(zhì)，以避免損害循環(huán)水泵。出口2位于實驗水箱的最底部，打開蝶閥8、9可以進行排水，定期對過濾器進行清潔。

打開蝶閥1、2，通過水泵向水箱中泵入7 ℃冷凍水。由于水源熱泵剛開始運行的時候，冷凝器開始制熱到正常程度需要一個過程，才能達到一個相對穩(wěn)定的制熱功率。而恒溫水箱中的水從7 ℃上升到15 ℃的過程，正好為樣機預(yù)熱提供了一個很好的緩沖期。

實驗開始時，首先打開蝶閥3、4、5、6、7、8、9，關(guān)閉蝶閥1、2、10、11，將循環(huán)水箱和熱回收循環(huán)系統(tǒng)中的水放完。然后，關(guān)閉蝶閥10、11、4、9，打開蝶閥1、2、3、5、6、7、8。從蝶閥3所在管路外接熱回收補水系統(tǒng)。開啟循環(huán)水泵，通過流量計測量循環(huán)水的流量，將流量信號輸入流量積算控制表，得到輸入循環(huán)系統(tǒng)中總水量。我們在流量積算器上輸入期望熱回收系統(tǒng)總水量，當達到設(shè)置值時，累積表發(fā)出報警信號，自動關(guān)閉補水電子閥和循環(huán)水泵。

如圖2所示，蝶閥5與電子閥并聯(lián)在流量計之前的管路上。由于電子閥的流量較小，雖然有利于保證水量累積精度，但是注水速度過慢。為了快速注水又同時精確累積，可以在開始注水階段打開蝶閥5，增加進入水箱中的水流量；當接近目標值的時候關(guān)閉蝶閥5，打開電磁閥，只通過電子閥向水箱內(nèi)緩慢注水。

圖2 系統(tǒng)流程圖

關(guān)閉蝶閥3、4，打開蝶閥1、2、10、11，通過兩根金屬軟管將熱回收式水源熱泵接入系統(tǒng)，此時系統(tǒng)中打開蝶閥5、6、7、8，使實驗裝置和實驗樣機形成閉合水回路。本實驗裝置通過數(shù)字調(diào)節(jié)表控制熱回收實驗系統(tǒng)中的循環(huán)水流量。數(shù)字調(diào)節(jié)表的輸入信號為流量計測量的水流量，輸出(4～20) mA信號控制變頻器輸出，最終通過變頻水泵的轉(zhuǎn)速快慢實現(xiàn)對循環(huán)水流量的閉環(huán)控制。

整個實驗過程中，功率計對壓縮機的電壓、電流、功率因數(shù)、功率進行實時測量，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，通過測試軟件對電量數(shù)據(jù)進行記錄。數(shù)據(jù)采集器記錄8根水箱溫度鉑電阻并傳輸?shù)接嬎銠C中。測試軟件對水箱溫度進行平均計算，當水箱平均溫度到達50 ℃時，實驗結(jié)束。

4 樣機實驗

本實驗樣機采用熱回收式水源熱泵，工況為名義制冷與熱回收工況。水箱內(nèi)水體積為2 m3，循環(huán)水流量為12.5 m3/h。實驗從13:03開始，水箱平均溫度為15 ℃，20:07結(jié)束，水箱平均溫度為50 ℃，歷時424 min。軟件對壓縮機功率進行積分，再除以實驗時間，計算出的壓縮機平均功率P壓縮機= 54.68 kW。

整個實驗過程中，熱回收的總熱量為：

在計算熱回收效率時，將分子、分母同時除以t實驗時間。熱回收效率計算結(jié)果如下：

熱回收水箱溫度隨時間變化如圖4所示。

通過變頻器對循環(huán)水泵設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，可以使循環(huán)水流量發(fā)生改變。通過不同的流速調(diào)節(jié)，可以得到該熱回收式水源熱泵系統(tǒng)不同的COP值。

圖3 熱回收實驗裝置

通過研究發(fā)現(xiàn)，水源熱泵的熱回收性能與熱回收系統(tǒng)的水流速有關(guān)，系統(tǒng)COP隨水流速變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。因此，在實際使用中，找出使COP最大的循環(huán)水流速至關(guān)重要。分析原因可知，當水流量達到峰值之前，水流量小，換熱充分，換熱量隨水流量增大而增大；當達到換熱量峰值后，由于水流速過快導(dǎo)致循環(huán)水換熱不充分，換熱量不再隨水流量增大而增加。而循環(huán)水泵的功率卻在不斷增加。所以，整個系統(tǒng)的COP達到峰值后隨水流速的增加而下降。

5 結(jié)語

通過對原有水源熱泵實驗裝置進行改造，增加了熱回收系統(tǒng)，對樣機的熱回收過程進行監(jiān)控。通過廠家對樣機的測試，實驗結(jié)果表明本實驗裝置可以較好地滿足廠商在水源熱泵熱回收節(jié)能技術(shù)方面的研發(fā)、檢測需求。

[1] 劉新國. 熱回收技術(shù)及其在水源熱泵機組上的應(yīng)用[J].河南建材, 2008(4): 17-18.

[2] 劉巖松. 制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化與改善大氣環(huán)境的考慮[J].制冷技術(shù), 2007, 27(2): 22-23.

[3] 趙蘭, 章學(xué)來, 葛佚群. 熱回收技術(shù)用于風冷熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 制冷技術(shù), 2007, 27(2): 13-15.

[4] 史德福, 陳華, 周楚.帶冷凝熱回收熱泵空調(diào)器的實驗研究[J]. 制冷學(xué)報, 2013, 34(4): 75-80.

[5] 周子晴, 祝健. 某培訓(xùn)中心水源熱泵熱回收系統(tǒng)設(shè)計與節(jié)能經(jīng)濟性分析[J]. 制冷與空調(diào), 2015, 29(4): 402-406.

[6] 黃艾星, 周杰 .全熱回收型湖水源熱泵在某工程的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào), 2011, 25(S1): 140-144.

[7] 胡麗華. 熱回收水源熱泵的設(shè)計與節(jié)能分析[J]. 山西建筑, 2010, 29(1): 196-197.

[8] 鄭秋云, 張信榮, 盛劍霄, 等. 超高溫熱泵在廢熱回收的應(yīng)用[J]. 科技前沿, 2013(3): 68-69.

[9] 楊前紅. 制冷機組熱回收及在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 建設(shè)工程與設(shè)計, 2006(7): 16-18.

[10] 袁媛. 淺析水源熱泵技術(shù)及其特點[J]. 甘肅科技縱橫, 2006, 35(4): 53-54.

[11] 崔文智, 姜寶石, 項勇, 等. 水源熱泵機組的節(jié)能效果[J]. 暖通空調(diào), 2012, 42(2): 92-94.

[12] 沈維道, 童鈞耕. 工程熱力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[13] 唐景立. 余熱回收式水源熱泵的實驗研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(6): 32-34.

System Design and Experimental Data Analysis on Heat Recovery Performance Test of Water Source Heat Pump

SHAO Li-guo*1, CHEN Xi2, JIA Jia2
(1- GREE Electric Appliance (Hefei) Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China; 2- Hefei General Environment Control Technology Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China)

Water source heat pump is air conditioning technology to convert the heat by using solar energy stored in the shallow water as a cold heat source. A test device for investigating the heat recovery performance of water source heat pump was introduced, and the testing principle, system design as well as the testing method were introduced in detail. Through the testing experiments on the prototype, the heat recovery results were calculated and analyzed. The research results show that, this test device has a significant effect for analyzing the heat recovery performance.

Heat recovery; Water source heat pump; Test equipment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.208

*邵麗國（1979-）男，工程師，學(xué)士，研究方向：商用空調(diào)性能測試和質(zhì)量標準。聯(lián)系地址：安徽省合肥市高新區(qū)銘傳路208號，郵編：230000。聯(lián)系電話：0551-65739214。E-mail：zkbhf@cn.gree.com。