冷水相變能熱泵系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)分析

武瀟 吳榮華 吳昊

摘要：為解決水源熱泵系統(tǒng)因水源水溫較低和水資源匱乏而無法實(shí)施應(yīng)用的難題，本文主要對(duì)冷水相變能熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。提出了一種利用間歇式熱融冰和機(jī)械刮冰相結(jié)合的除冰方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的取熱結(jié)冰、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)，保證冷水相變能熱泵系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定供熱。同時(shí)，給出了冷水相變能系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況和運(yùn)行原理，并以青島科創(chuàng)藍(lán)公司的辦公樓和職工宿舍樓提供冬季供暖服務(wù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試并追蹤系統(tǒng)的運(yùn)行工況和末端供熱用戶溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好，實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況相符，且可以保持室內(nèi)供熱溫度穩(wěn)定于18℃左右，此外，實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)的能效比COP在3.38左右，具有顯著的節(jié)能效益。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：冷水相變能; 熱泵系統(tǒng); 制冰; 除冰; 含冰率

中圖分類號(hào)： TU831.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 10069798（2019）01010506; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.019

冷水相變能相當(dāng)于水溫降低80℃釋放出的能量，提取冷水中的相變能為建筑物供暖具有重要的節(jié)能和環(huán)保效益。如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)冰、除冰、排冰和再結(jié)冰不間斷循環(huán)是冷水相變能熱泵系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵問題[1]。目前，已有的除冰方式有機(jī)械刮冰[2]，拉環(huán)刮冰[3]及液固流化床[4]等方式，螺旋刮削式凝固換熱器屬于機(jī)械刮冰，依靠單一的機(jī)械力刮削除冰。電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸與刮刀絞龍相連接[5]，刮刀絞龍布置在換熱管內(nèi)，其工作原理是電機(jī)帶動(dòng)刮刀絞龍?jiān)趽Q熱管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，刮刀刮削換熱壁面，將換熱管內(nèi)壁上的冰層除去，使碎冰與水混合隨著冷水流出[6]。拉環(huán)式清冰換熱器[7]屬于管外單一機(jī)械力除冰，左右封頭處設(shè)置滑輪，滑輪通過拉鎖與電機(jī)相接，刮環(huán)設(shè)置在拉鎖上，套在換熱管外部[8]，其工作原理是電機(jī)通過拉鎖帶動(dòng)刮環(huán)沿著換熱管運(yùn)動(dòng)，刮削附著在換熱管壁上的冰層，刮削下的碎冰隨著冷水流出。液固流化床除冰方法，依靠砂石的沖擊力對(duì)換熱管壁冰層的撞擊，破壞剝離附著在換熱管壁面的冰層，以達(dá)到除冰的目的。該裝置的關(guān)鍵在于如何讓砂石循環(huán)使用，該裝置由旋流除砂器、調(diào)節(jié)閥和引射器組成[9]，旋流除砂器與引射器之間由調(diào)節(jié)閥連接。從換熱器流出的砂石與冰水混合物進(jìn)入旋流除砂器，在離心力的作用下，砂石與冰水混合物分離，砂石經(jīng)引射器再次隨水流進(jìn)入換熱器。但上述方法無法及時(shí)有效的除冰[10]，冰層附著于換熱壁面上，導(dǎo)致?lián)Q熱效率急劇下降，直至堵塞，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[11]。因此，本文提出一種冷水相變能熱泵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效除冰，保證系統(tǒng)對(duì)外連續(xù)穩(wěn)定供熱。該研究應(yīng)用前景廣闊。

1冷水相變能熱泵系統(tǒng)

對(duì)相變?nèi)嵫b置，當(dāng)與冷水換熱的流體溫度低于-2 ℃時(shí)，換熱管壁上很快結(jié)冰，且冰層厚度增長(zhǎng)迅速[12]。對(duì)管內(nèi)機(jī)械刮冰和管外拉環(huán)式清冰，其依靠刮刀的強(qiáng)制機(jī)械力刮削冰層，對(duì)刮刀的磨損程度很大，另外其除冰效果不佳，仍然有冰層附著在換熱管壁面上，且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，除冰效果越來越差，最后只能停機(jī)實(shí)施人工除冰。對(duì)于液固流化床方法，依靠沙子的沖擊力去粉碎冰層，由于冰層較硬，很難達(dá)到設(shè)想的破壞與粉碎冰層的目的。

1.1相變能換熱器結(jié)構(gòu)

若想實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的不停機(jī)運(yùn)行，關(guān)鍵是換熱壁面徹底除冰，但若僅依靠機(jī)械力刮削冰層，則無法實(shí)現(xiàn)徹底除冰，必須從冰層內(nèi)部給予一種能量，減小冰層中水分子之間的分子作用力，再外部附以機(jī)械力除冰。因此，本研究提出了一種冷水相變能熱泵系統(tǒng)，利用間歇式熱融冰和機(jī)械刮冰方式[13]，保證系統(tǒng)的結(jié)冰、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)。

冷水相變機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，多根換熱管在垂直方向上組成換熱管排，刮刀固定在主軸上，主軸的一端與電機(jī)相連接，刮刀陣列的設(shè)置在換熱管排之間。

其工作原理是冷水從冷水進(jìn)口進(jìn)入冷水儲(chǔ)水箱，冷水經(jīng)多個(gè)冷水進(jìn)水口進(jìn)入冷水流道中，冷水充滿冷水流道，并與換熱管內(nèi)低于0 ℃的中介水換熱，冷水釋放出冷水相變能后結(jié)成冰附著在換熱管壁面上，當(dāng)冰層結(jié)到一定厚度，系統(tǒng)中的電磁閥開啟，中介水與末端水換熱升溫后進(jìn)入換熱管管程，換熱管壁上的冰層吸收熱量松動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)，刮刀繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刮削已經(jīng)松動(dòng)的冰層，達(dá)到徹底清除換熱壁面冰層的效果。冰漿隨著水流從冷水出口流出。

1.2冷水相變能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)與常規(guī)水源熱泵相似，不同的是多了冷水相變機(jī)[14]和融冰換熱器。冷水相變能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、冷水相變機(jī)、融冰換熱器、水箱、電磁閥和水泵組成。水箱與冷水相變機(jī)通過管路連接構(gòu)成冰水循環(huán)，相變能換熱器與熱泵機(jī)組通過管路連接構(gòu)成中介水循環(huán)，熱泵機(jī)組和末端用戶之間構(gòu)成末端水循環(huán)。此外，板式換熱器的一端與中介水出水管相連通，另一端與末端出水管相連通[15]。

1.3系統(tǒng)運(yùn)行原理

系統(tǒng)由4個(gè)循環(huán)組成，冷水相變循環(huán)，中介水循環(huán)、末端循環(huán)和間歇性融冰循環(huán)。系統(tǒng)運(yùn)行原理為水箱中0 ℃的冷水經(jīng)管路進(jìn)入相變能換熱器，在相變能換熱器中與中介水換熱，釋放出相變能后，結(jié)成冰附著在換熱管壁上，當(dāng)冰層達(dá)到一定厚度，開啟除冰循環(huán)，此時(shí)電磁閥開啟，板式換熱器引末端高溫?zé)崴訜嶂薪樗?，因?yàn)槟┒嘶厮疁囟?0 ℃以上，中介水很快回溫，附在換熱管壁上的冰吸收中介水熱量，從換熱管壁上脫落至冷水流道中，相變能換熱器的刮刀將冰塊撈起破碎，以冰水混合物的形式流回水箱，完成冷水循環(huán)。-1 ℃的中介水進(jìn)入機(jī)組的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中釋放出熱能后降為-4 ℃，-4 ℃的中介水進(jìn)入冷水相變機(jī)與0 ℃左右的冷水換熱，吸收相變能升為-2 ℃流出冷水相變機(jī)，由此完成中介水循環(huán)。43 ℃的末端回水經(jīng)熱泵的作用，升溫至50 ℃用以供給用戶，用戶利用熱能后，以43 ℃返回?zé)岜脵C(jī)組，完成末端循環(huán)。

2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

2.1實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)為青島科創(chuàng)藍(lán)公司的辦公樓和職工宿舍樓提供冬季供暖服務(wù)，項(xiàng)目總建筑面積6 000 m2，面積熱指標(biāo)為65 W/m2，總熱負(fù)荷390 kW。青島科創(chuàng)藍(lán)位于位于山東省膠州市膠北工業(yè)園，地處山東半島，四季分明，冬季最低溫度一般在-10 ℃左右[16]，所處溫度區(qū)間很適于熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)。

該公司內(nèi)有一人工湖，但該人工湖的水容量極小，水量?jī)H可持續(xù)運(yùn)行1個(gè)月（平均每天運(yùn)行10 h）。根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)厮档膶?shí)地測(cè)量，在最冷的一月份，水體溫度僅為2 ℃，湖水溫度較低，已經(jīng)無法提取顯熱來為末端建筑提供供暖服務(wù)。本實(shí)驗(yàn)采用冷水相變能熱泵系統(tǒng)用以冬季供暖，從湖水中提取相變能為末端供暖。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)冷水相變能系統(tǒng)運(yùn)行原理，繪制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程圖，冷水相變系統(tǒng)工藝流程圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)選用制熱量為450 kW的熱泵機(jī)組，冷水相變機(jī)為自行研發(fā)的換熱面積為300 m2的設(shè)備。融冰換熱器選用的是額定換熱量為75 kW的高效板式換熱器。冷水相變機(jī)和水箱之間選用兩臺(tái)水泵，一用一備。冷水相變機(jī)和機(jī)組之間選用3臺(tái)水泵，兩用一備。有兩套補(bǔ)水系統(tǒng)，一個(gè)為中介定壓補(bǔ)水，另一個(gè)為末端定壓補(bǔ)水，補(bǔ)水點(diǎn)均位于水泵吸入點(diǎn)之前，按照此工藝流程圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.3實(shí)驗(yàn)性能分析

2.3.1冷水相變熱泵機(jī)組的COP

冷水相變系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)是結(jié)冰取熱、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)，一個(gè)循環(huán)由開閥融冰和關(guān)閥結(jié)冰構(gòu)成。機(jī)組在開閥融冰時(shí)處于停機(jī)狀態(tài)，在關(guān)閥結(jié)冰時(shí)處于開機(jī)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試并記錄一個(gè)循環(huán)中蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度和冷凝進(jìn)出口溫度的變化，蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出口溫度曲線如圖4所示，分析系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，并利用熱泵廠家提供的機(jī)組軟件，計(jì)算制熱能效比（coefficient of performance，COP）的實(shí)時(shí)變化，機(jī)組變化曲線如圖5所示。

者排放出大量冷水，造成水源水量的浪費(fèi)。由于是固液兩相流，冰的流動(dòng)性很差，水泵的抽吸作用并不好，會(huì)出現(xiàn)堆積[19]或者擁積現(xiàn)象[20]。冰的堆積現(xiàn)象如圖10所示，冰的擁積現(xiàn)象如圖11所示，由于水流動(dòng)性好，只留下堆積的冰。若是采取加大水量的措施，可能會(huì)出現(xiàn)沖出一個(gè)流道，而剩下的冰造成擁積的現(xiàn)象，不僅造成水量的大量浪費(fèi)，而且排冰效果不佳?？紤]冰的密度小而浮在水面這一優(yōu)點(diǎn)，擬采取負(fù)壓排冰措施。

4結(jié)束語

熱泵作為高效、節(jié)能的熱能利用設(shè)備，其熱源種類豐富。從熱能利用角度來看，各種形式的熱源都存在一定的局限性。冷水相變能熱泵系統(tǒng)利用水的相變能供暖，解決了熱源受限的問題。通過實(shí)驗(yàn)，冷水相變能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以保證末端用戶室內(nèi)溫度的要求。此外，在最冷月的實(shí)驗(yàn)顯示，熱泵機(jī)組的運(yùn)行COP可達(dá)3.38，效率較高，冷水相變機(jī)的傳熱系數(shù)為0.588 W/（m2·k），低于常規(guī)管殼式換熱器。由于冰的流動(dòng)性差，在冰水混合物的運(yùn)輸過程中，易出現(xiàn)堵塞問題。因此，如何做到快速有效排冰，還需要進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫德興， 張承虎， 吳榮華， 等. 利用冷水凝固熱的熱泵系統(tǒng)與裝置[J]. 暖通空調(diào)，2006， 36（7）：4144.

[2]錢劍峰， 李麗娜， 徐瑩， 等. 基于凝固熱采集的非清潔水源熱泵技術(shù)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)， 2014， 33（4）， 3639.

[3]張承虎. 提取冷水凝固潛熱的換熱理論與裝置[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2008.

[4]孫德興. 冷水凝固熱的采集裝置[P]. 中國： 1800746A， 20060712.

[5]師云濤. 提取冷水凝固熱的熱泵系統(tǒng)技術(shù)方案[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2018（5）： 140141.

[6]錢劍峰. 采集凝固熱熱泵系統(tǒng)的形式與工況分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2008.

[7]Latif M J， Salif G. Analysis of solidification and melting of PCM with energy generation[J]. Applied Thermal Engineering， 2006， 26（5/6）： 568575.

[8]張承虎. 一種基于管外連續(xù)機(jī)械刮冰的提取冷水凝固熱裝置[P]. 中國： 104197749.A， 20141210.

[9]Egolf P W， Kauffld M. From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications [J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（1）： 412.

[10]ZHENG Jishen， WU Ronghua， YU Hao. The research status of heat pump system and freezing latent heat pump[C]∥Proceedings of 2016 International Conference on New Energy and Sustainable Develoment. Bangkok， Thailang： NESD， 2016： 367374.

[11]陳文放.低溫工況下水源熱泵空調(diào)的特性研究[D]. 天津： 天津科技大學(xué)， 2013.

[12]錢劍峰.孫德興.張承虎.采集凝固熱熱泵技術(shù)凝固及換熱性能的理論分析[J]. 太陽能學(xué)報(bào)， 2007， 28（11）： 12001205.

[13]錢劍峰， 張承虎.孫德興.凝固熱采集換熱器中層流水凍結(jié)特性研究[J].暖通空調(diào)， 2007， 37（3）： 59.

[14]吳榮華. 一種提取凝固熱或制冰的熱泵供熱供冷系統(tǒng)[P]. 中國： 201610701458.9， 20160822.

[15]吳榮華. 一種冷水凝固潛熱采集方法[P]. 中國： 201611267862.6， 20161231.

[16]吳榮華. 一種凝固潛熱采集裝置及系統(tǒng)[P]. 中國： 201611267872.X， 20161231.

[17]孫源淵. 寒冷地區(qū)湖水源熱泵系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2016.

[18]劉永紅， 陳沛霖.水平管道中冰漿流動(dòng)的摩阻特性的實(shí)究[J]. 力學(xué)與實(shí)踐， 2007， 19（6）： 3638.

[19]劉永紅.冰漿流動(dòng)特性和傳熱特性的研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué)， 1997.

[20]吳榮華. 一種冷水相變能熱泵系統(tǒng)用水循環(huán)排冰裝置[P]. 中國： 201721086652.7， 20170828.

[21]吳榮華. 一種冷水相變能熱泵供熱分離式排冰裝置及系統(tǒng)[P]. 中國： 201720459845.6， 20170428.