多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段粉萍，傅允準(zhǔn)，劉前龍，高士杰，張吉慧，宋 丹，石雪偉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段粉萍，傅允準(zhǔn)，劉前龍，高士杰，張吉慧，宋 丹，石雪偉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

該文介紹了多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室空調(diào)冷負(fù)荷及熱水量的計(jì)算，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過本文實(shí)驗(yàn)方法，得出了多功能空氣源熱泵在不同運(yùn)行模式下機(jī)組運(yùn)行功率、制冷量和COP值。多功能空氣源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)和制冷系數(shù)分別為3.84和3.25。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

多功能空氣源熱泵系統(tǒng)；制冷量；性能系數(shù)；冷負(fù)荷

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高，而空調(diào)、熱水和采暖已經(jīng)成為現(xiàn)代生活必不可少的需求，與大眾的生活密切相關(guān)。熱泵機(jī)組在制熱和提供熱水方面具有明顯的節(jié)能效益，并且只利用了制冷循環(huán)中冷凝器釋放的熱量，而制冷機(jī)組只利用蒸發(fā)器的冷量。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)空氣源熱泵性能及地源熱泵機(jī)組制冷或制熱性能已經(jīng)做了不少研究[1-5]。但是如果同時(shí)利用冷凝器釋放熱量和蒸發(fā)器冷量，那么熱泵機(jī)組將具有較高的能效比。所以多功能空調(diào)熱水機(jī)組相對(duì)其他熱泵機(jī)組更節(jié)能，環(huán)境適用性更強(qiáng)。也因此受到了國內(nèi)外制冷專業(yè)研究人員和空調(diào)企業(yè)的廣泛關(guān)注[6-10]，也是眾多研究者努力的方向和目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)室概況

1.1 實(shí)驗(yàn)室建筑參數(shù)

上海市松江區(qū)的一樓兩間朝南房間，總建筑面積約為66.8 m2，層高為3.25 m，建筑長寬尺寸為8 320 mm×4 015 mm。外窗尺寸(寬度×高度)3 760 mm×2 410 mm，玻璃厚度5 mm，外墻厚度260 mm，內(nèi)墻厚度240 mm。四周建筑結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土與磚墻結(jié)構(gòu)，中間以石棉材料作為墻體來分隔房間，頂板為吊頂結(jié)構(gòu)，地板為水泥地板上鋪有大理石地磚。實(shí)驗(yàn)期間鄰室房間為非采暖房間。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室隔壁設(shè)淋浴間，滿足2人淋浴水量。

2 多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多功能空氣源熱泵工作原理

多功能空氣源熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)由多功能空氣源熱泵機(jī)組和測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)中選擇一臺(tái)多功能空氣源熱泵機(jī)組。室內(nèi)采用兩臺(tái)臥式風(fēng)機(jī)盤管，空調(diào)水系統(tǒng)采用變頻循環(huán)水泵，可調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)水流量。多功能空氣源熱泵機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和可變換熱器等組成。一年四季可實(shí)現(xiàn)單制冷、單制熱、空調(diào)制冷+熱回收器制熱水、空調(diào)制熱+熱回收器制熱水和單獨(dú)制熱水5種工況。

圖1 多功能空氣源熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 負(fù)荷計(jì)算

以夏季供冷24小時(shí)計(jì)算，得出其冷負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算匯總表

2.3 熱水用量的計(jì)算

由文獻(xiàn)[7]，淋浴用水標(biāo)準(zhǔn)為40 L(40℃)/(人.d),實(shí)驗(yàn)工人2人，所以每天的總水量80 L。

基礎(chǔ)水溫按15℃計(jì)算，則每天將80 L、15℃的水加熱到40℃所需提供的熱量為：

Q=80×4.2×(40-15)=8 400(kJ)

2.3 設(shè)備選型設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)房間冷負(fù)荷及熱水量的計(jì)算結(jié)果，多功能空氣源熱泵機(jī)組型號(hào)為VEH-12-AE，制冷量10.0 kW，制熱量12.0 kW；機(jī)組采用雙壓縮機(jī)，制冷工況輸入總功率為3.4 kW ，制熱工況輸入總功率為3.8 kW，余熱回收采用全部余熱回收。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度測(cè)量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫度測(cè)量采用K型熱電偶，測(cè)試精度0.5℃。溫度測(cè)試包括室外風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)盤管側(cè)進(jìn)水溫度和出水溫度、熱水水箱溫度、熱泵機(jī)組供水和回水溫度。考慮到溫度數(shù)據(jù)采集量較密集且數(shù)據(jù)量比較大，采用Agilent的34970A數(shù)據(jù)采集儀器，并通過RS232接口直接與PC機(jī)建立通信連接，將采集到的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel文件并保存。

3.2 流量檢測(cè)

3.3 功率能耗采集

3.4 能耗采集

電量能耗表為三相電子式電能表，測(cè)量誤差±0.01 kW·h。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

多功能空氣源熱泵機(jī)組不同運(yùn)行模式測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)組不同運(yùn)行模式測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中冷負(fù)荷計(jì)算、機(jī)組型號(hào)及測(cè)試儀器的選型設(shè)計(jì)，是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能否精確測(cè)試的關(guān)鍵。通過多功能空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的。

[1]傅允準(zhǔn).地源熱泵地埋管換熱器換熱量的測(cè)試[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2000,8(2),33-34.

[2]陳劍波, 王玉.雙工況空氣源熱泵變工況調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2013,34(11): 1432-1437.

[3]郭憲民, 王成生, 汪偉華,等.結(jié)霜工況下空氣源熱泵動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2006, 40(5): 544-548.

[4]陳勝朋，唐瀚寧，沈意成，等.冷卻塔復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2010，29(3)：8-13.

[5]謝鸝，徐菱虹，張銀安.混合式地源熱泵系統(tǒng)不同控制策略的分析與比較[J].暖通空調(diào),2009,39(3):110-114.

[6]建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50015-2003)[S].[S.l.]:[s.n.],2003.

[7]唐正艷，李勇，臘棟，等.開式轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)冷水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特性研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2014,35(4)：656-663.

[8]JOO S L, KANG S S, JAE H A, et al.Comparison on the transient cooling performances of hybrid ground source heat pumps with various flow loop configurations[J].Energy, 2015 (82):678-685.

[9]AMAANDA S H, Effective design and operation of hybrid ground-source heat pumps: Three case studies[J].Energy and Buildings,2011(43)3497-3504.

[10]MASIH A, HIEP V N, WEY H L, et al.A methodology and computerized approach for optimizing hybrid ground source heat pump system design[J].Renewable Energy,2013(57):404-412.

Design of Experimental System of Multifunction Air Source Heat Pump System

DUAN Fenping, FU Yunzhun, LIU Qianlong, GAO Shijie, ZHANG Jihui, SONG Dan, SHI Xuewei

(School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai，201620, China)

This paper introduces the working principle of multifunctional air source heat pump experimental system,carries out the calculation of the cooling load and the amount of hot water of the laboratory air condition, and designs the experimental test system.Through the experimental method, the power, cooling capacity and COP of multifunctional air souce heat pump under different operation mode are obtained.The coefficient of thermal performance and refrigeration performance of the unit are 3.84 and 3.25, respectively.The experimental results show that the multi-functional air source heat pump experimental system design is feasible.

multifunctional air source heat pump system,refrigerating capacity,coefficient of performance,cooling load

2015-02-03；修改日期:2015-04-12

上海工程技術(shù)大學(xué)2014大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

段粉萍(1990-)，女，本科，主要從事多功能空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的研究。

傅允準(zhǔn)，副教授，fuyunzhun@126.com。

TU811.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.012