三套管蓄能型熱泵的制冷實驗

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，哈爾濱150090)

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三套管蓄能型熱泵的制冷實驗

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，哈爾濱150090)

摘 要：為考察三套管蓄能型熱泵(TRESE)的制冷性能，對一臺2,HP樣機的4種制冷模式分別進行了實驗研究.實驗結(jié)果表明，夜間室外干球溫度低于25,℃時，三套管蓄能型熱泵的周期制冷COP較高，其值在2.4～3.7之間；三套管蓄能器與空氣源熱泵聯(lián)合供冷模式的COP較高，在室外干球溫度為35～43,℃的范圍內(nèi)，其值在2.4～2.9之間，較空氣源熱泵單獨供冷模式的COP提高了15%；當(dāng)三套管蓄能器供冷水流量為40,L/h時，聯(lián)合供冷期間三套管蓄能器的供冷百分比穩(wěn)定在7.7%左右，受室外氣溫的影響不大；若將樣機中3組三套管蓄能器同時開啟，則三套管蓄能器的供冷率在聯(lián)合供冷中的比例可提升至23%.

關(guān)鍵詞：三套管蓄能型熱泵；聯(lián)合供冷；周期制冷COP

材料科學(xué)的不斷發(fā)展以及電力供求的時間矛盾加速了蓄能技術(shù)，尤其是相變蓄能技術(shù)的發(fā)展[1-3].但目前大部分研究集中在冰/水蓄冷供冷[4-8]、土壤/建筑結(jié)構(gòu)蓄熱供熱[9-11]方面，存在蓄冷與蓄熱不能兼顧的缺陷.三套管蓄能型熱泵系統(tǒng)在此背景下出現(xiàn)，該系統(tǒng)依托空氣源熱泵，集成了太陽能熱水系統(tǒng)與三套管蓄能換熱器，兼?zhèn)湫罾?供冷、蓄熱/供熱的雙重功能，具有多種運行模式[12-13].為了驗證系統(tǒng)的可行性，針對三套管蓄能換熱器進行了蓄/釋能的初步熱工實驗[12,14-15]，但未對既定模式的應(yīng)用范圍與應(yīng)用效果進行評價或比較.為了系統(tǒng)地研究上述問題，制作了一臺2,HP的實驗樣機，針對樣機開展了實驗測試.對樣機的制冷性能進行實驗研究，其內(nèi)容包括：樣機在一個完整的蓄冷/供冷周期內(nèi)的制冷性能實驗；三套管蓄能器單獨供冷實驗；空氣源熱泵單獨供冷實驗；室外高溫工況(室外干球溫度為35～43,℃)下三套管蓄能器與空氣源熱泵聯(lián)合供冷實驗.

1　三套管蓄能型熱泵樣機

三套管蓄能型熱泵(triple-sleeve energy storage exchanger，TRESE)樣機的系統(tǒng)原理如圖1所示.三套管蓄能換熱單元的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示.制冷時，蓄能器利用夜間低價電蓄冷，并于日間用電高峰時段供冷，完成電力的峰谷轉(zhuǎn)移[14]；制熱時，蓄能器利用太陽能熱水蓄熱，并在需要用熱時作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，為用戶提供熱水[15].通過組織閥門的啟閉調(diào)整機組的運行模式，從而實現(xiàn)樣機的全年多模式運行.表1列出了樣機的4種運行模式，依次為蓄冷模式(M-1)、蓄能器單獨供冷模式(M-2)、空氣源熱泵單獨供冷模式(M-3)和空氣源熱泵聯(lián)合供冷模式(M-4).樣機設(shè)計及相關(guān)部件匹配問題可參見文獻[16].

圖1　三套管蓄能型熱泵樣機原理Fig.1 Schematic of the TRESE prototype

圖2　三套管蓄能型熱泵單元結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the TRESE unit

表1　樣機運行模式Tab.1 Operation modes of prototype

2　實驗方案及誤差分析

2.1實驗方案

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《單元式空氣調(diào)節(jié)機》(GB/T 17758—1999)建立實驗系統(tǒng).所選儀表主要包括NTC熱敏電阻、壓力變送器和流量計，分別對應(yīng)圖1中的T、P、Q，用于監(jiān)測溫度、壓力和流量.圖1 中V、E、R、S分別代表關(guān)斷閥、電磁閥、節(jié)流機構(gòu)以及單向閥.實驗中的冷凍水回水由冷水箱模擬，實驗工況要求見表2.

表2　實驗工況Tab.2 Experimental conditions

2.2誤差分析

實驗過程中，直接測量值不可避免地帶有誤差，而這些誤差將傳遞給間接測量值，影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量.本實驗中，間接測量值包括：供冷率、供冷量、供冷COP.各供冷COP的定義如下：

式中：COPASHP為空氣源熱泵單獨供冷的COP；Qe為空氣源熱泵的供冷率，kW；Wcomp為壓縮機輸入功率，kW；COPperi為三套管蓄能器單獨供冷的周期制冷COP；Qaccu為三套管蓄能器單獨供冷的累計供冷量，kJ；Wcomp,accu為三套管蓄能器單獨供冷的壓縮機累計輸入電能，kJ；COPcomb為聯(lián)合供冷COP；Qe,ASHP為空氣源熱泵的供冷率，kW；Qe,TRESE為三套管蓄能器的供冷率，kW.

根據(jù)儀表精度及誤差傳播理論，計算出上述間接測量值的誤差結(jié)果列于表3中.

表3　間接測量值的誤差分析結(jié)果Tab.3 Error analysis on indirect observing data

3　實驗結(jié)果

3.1周期制冷實驗

依次運行蓄冷模式(M-1)與蓄能器單獨供冷模式(M-2)，即構(gòu)成一個蓄冷/供冷周期.圖3反映了三套管蓄能型熱泵在一個周期內(nèi)的制冷性能.

圖3　一個周期內(nèi)的制冷性能與空氣熱源泵比較Fig.3 Cooling performance during a cycle and comparison with ASHP

如圖3(a)所示，伴隨供冷水流量的增加，三套管蓄能器的累計供冷量呈下降趨勢，且減幅隨水流量增加而加大；供冷水流量為40,L/h的供冷量最大，為2.44,MJ，占蓄冷量的98%；供冷水流量為100,L/h的供冷量最小，為1.97,MJ，占蓄冷量的79%.

如圖3(b)所示，伴隨室外干球溫度或供冷水流量的增加，周期制冷COP呈下降趨勢；若夜間室外干球溫度為15,℃，供冷水流量為40,L/h，周期制冷COP可達3.7.圖3(c)中，伴隨室外干球溫度的增加，空氣源熱泵單獨供冷的COP亦呈下降趨勢，其最小值為2.3，出現(xiàn)在室外干球溫度為40,℃的工況.

如圖3(b)所示，室外干球溫度為30,℃時，三套管蓄能器單獨供冷的周期制冷COP在1.4～1.8之間，低于空氣源熱泵單獨供冷的2.9；而夜間室外干球溫度為25,℃時，三套管蓄能器單獨供冷的周期制冷COP在2.4～3.0之間，優(yōu)于空氣源熱泵在高溫(室外干球溫度大于35,℃)下的制冷能效.可見夜間室外干球溫度高于25,℃后，三套管蓄能器單獨供冷的能效并不優(yōu)越，這是由機組的蓄冷性能決定的.

3.2蓄冷實驗

圖4反映了樣機在蓄冷模式(M-1)下的運行特性.如圖4(a)所示，當(dāng)夜間干球溫度從15,℃升至35,℃時，壓縮機輸入功率自1.22,kW升至1.69,kW；蓄冷時長自16,min延長至33,min.可見三套管蓄能器周期制冷COP在夜間干球溫度高于25,℃后表現(xiàn)低迷的直接原因是壓縮機輸入功率與蓄冷時長的同時增加.蓄冷時長是蓄能器內(nèi)相變材料自供冷模式結(jié)束溫度(在15,℃左右)冷卻至指定溫度(相變材料的最低溫度低于0,℃)所經(jīng)歷的時間，其值取決于相變材料的降溫特性.

圖4(b)為室外夜間干球溫度為25,℃時相變材料的降溫特性.相變溫度區(qū)間之前(相變材料溫度＞6,℃)材料降溫較快，相變區(qū)間內(nèi)溫度下降較慢；除末端測點外，愈靠近換熱器出口則相變材料降溫愈快.蓄冷結(jié)束時PCM溫度分布并不均勻，但各測點溫度均低于凝固溫度5,℃，表明蓄能器內(nèi)相變材料已完成了相變蓄能過程.

圖4(c)在蓄冷結(jié)束時刻對不同夜間溫度工況的PCM平均溫度與均方差進行了比較.PCM平均溫度的最小值為3.8,℃，出現(xiàn)在夜間干球溫度為20,℃的工況，此時的溫度均方差亦為最小值，其值為1.3,℃；當(dāng)夜間干球溫度高于20,℃后，伴隨室外氣溫的升高，PCM平均溫度與均方差皆呈上升趨勢.

圖4　樣機的蓄冷性能Fig.4 Behavior of the prototype under cold storage mode

3.3蓄能器單獨供冷實驗

如上所述，影響樣機周期制冷COP的首因是蓄冷性能，而蓄能器單獨供冷特性也會影響周期制冷效果.圖5為供冷水流量對蓄能器單獨供冷(M-2)性能的影響.如圖5(a)所示，供冷起始時刻，供冷水溫最低，供冷率最大；隨著供冷進行，供冷水溫逐漸升高，供冷率逐漸衰減；在40～80,L/h的供冷水流量范圍內(nèi)，供冷率隨供冷水流量的增加而增加.另一方面，在100,L/h的供冷水流量工況，供冷水溫以及供冷率均不穩(wěn)定；而供冷水流量愈低則供冷率衰減愈慢(供冷穩(wěn)定性愈好)，供冷穩(wěn)定性最好的工況是40,L/h的供冷水流量，此時供冷率自0.53,kW近似直線地下降至0.06,kW.

圖5(b)為不同供冷水流量工況的供冷時長和對應(yīng)的有效供冷百分?jǐn)?shù)，其中有效供冷百分?jǐn)?shù)指周期內(nèi)累計供冷量與累計蓄冷量之比.圖5(b)中，伴隨供冷水流量的增加，蓄能器的顯熱降溫時長、除濕降溫時長及有效供冷百分?jǐn)?shù)皆呈下降趨勢.供冷時間最長的工況是40,L/h的供冷水流量，其除濕降溫時長與顯熱降溫時長分別為51,min和264,min，此時有效供冷百分?jǐn)?shù)最大，為98%；供冷時間最短的工況是100,L/h的供冷水流量，其除濕降溫時長與顯熱降溫時長分別為18,min和132,min，此時的有效供冷百分?jǐn)?shù)最小，為79%.因此推薦的蓄能器單獨供冷水流量為40～60,L/h，此時的供冷穩(wěn)定性好、冷水具備除濕能力、供冷的無效損失最低.

圖5　供冷水流量對供冷效果的影響Fig.5 Cooling behavior vs flow rate of cold water

3.4聯(lián)合供冷實驗

在40,L/h的三套管蓄能器供冷水流量條件下，進行蓄能器與空氣源熱泵聯(lián)合供冷的實驗(M-4)，如圖6所示.圖6(a)中，室外干球溫度由35,℃升至43,℃的過程中，壓縮機輸入功率逐漸升高，增長率近似為2%，期間聯(lián)合供冷率由5.96,kW逐漸降至5.42,kW，相應(yīng)的聯(lián)合供冷COP自2.9降至2.4.此過程中三套管供冷百分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在7.7%，受室外氣溫影響不大.另外，與空氣源熱泵單獨供冷模式(M-3)的實驗結(jié)果相比，聯(lián)合供冷COP提升了15%.

圖6　聯(lián)合供冷運行特性Fig.6 Performance of combined cooling

圖6(b)反映了聯(lián)合供冷期間冷凍水的供回水溫度及三套管蓄能器進出水溫度受室外干球溫度的影響情況.如圖6(b)所示，伴隨室外干球溫度的升高，冷凍水的供水溫度自5.6,℃升至6.4,℃，回水溫度自11.7,℃升至12.0,℃；冷凍水的供回水溫差減小導(dǎo)致聯(lián)合供冷率下降.此外，當(dāng)室外干球溫度從35,℃升至43,℃時，冷凍水的回水溫度即三套管蓄能器的入口溫度漸由11.7,℃升至12.0,℃，出口水溫自1.9,℃上升至3.1,℃.在三套管蓄能器供冷率保持不變的情況下，蓄能器進出水溫差下降表明換熱器內(nèi)熱流強度增大，必然影響PCM溫度特征.

圖6(c)為聯(lián)合供冷結(jié)束時的PCM平均溫度及均方差.如圖6(c)所示，當(dāng)室外干球溫度從35,℃升至43,℃時，PCM平均溫度由1.7,℃升至2.9,℃，均方差自1.1,℃升至1.9,℃.如上所述，三套管蓄能器內(nèi)熱流強度增加會加快相變材料的升溫速率，同時使PCM溫度分布更加不均勻.

圖6(d)為不同室外氣溫條件下PCM平均溫度的逐時變化.如圖6(d)所示，室外干球溫度愈高則PCM平均溫度上升愈快，在室外氣溫分別為35、38、40、43,℃的工況下，PCM平均升溫速率依次為0.14、0.15、0.16、0.20,℃/min.可見，若三套管蓄能器內(nèi)熱流強度增加，則PCM升溫過程加速，聯(lián)合供冷的時間也將縮短.

實驗表明聯(lián)合供冷模式的制冷能效較高，三套管蓄能器供冷穩(wěn)定可靠，起到了分擔(dān)部分高峰冷負(fù)荷的作用，實現(xiàn)了部分蓄冷策略的設(shè)計構(gòu)想.若望增加蓄能器的供冷比例，可增加蓄能器數(shù)量.樣機共有3組蓄能器，若在聯(lián)合供冷時同時啟用，則實驗周期內(nèi)的蓄能器供冷比例為23%.

4　結(jié) 論

(1)夜間室外干球溫度低于25,℃時，三套管蓄能型熱泵的周期制冷COP在2.4～3.7之間；而夜間室外干球溫度高于25,℃時，周期制冷COP低于空氣源熱泵單獨供冷的COP，這是高溫條件下壓縮機輸入功率與蓄冷時長同時增加的結(jié)果.

(2)供冷水流量對三套管蓄能器單獨供冷的性能影響很大，蓄能器在低流量范圍內(nèi)(40～60,L/h)供冷穩(wěn)定可靠，有效供冷百分?jǐn)?shù)在93%～98%之間.

(3)三套管蓄能器與空氣源熱泵聯(lián)合供冷的COP較高，當(dāng)室外干球溫度在35～43,℃的范圍內(nèi)時，其值在2.4～2.9之間，較空氣源熱泵單獨供冷的COP提高了15%.

(4)聯(lián)合供冷期間三套管蓄能器的供冷百分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在7.7%左右，受室外氣溫的影響不大，實現(xiàn)了部分蓄冷策略的構(gòu)想；若將樣機中3組蓄能器同時開啟，則蓄能器的供冷比例可達到23%.

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(責(zé)任編輯：田 軍)

Refrigeration Performance of the Triple-Sleeve Energy Storage Exchanger Based Energy Storage Heat Pump

Qu Dehu，Ni Long，Yao Yang，Niu Fuxin
(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)

Abstract：To perceive cooling behaviors of the triple-sleeve energy storage exchanger(TRESE)based energy storage heat pump system，a 2,HP prototype was manufactured and run to manifest the cooling performance of the novel system.Experiments included four operation modes under space cooling state.Results reflect that cooling cycle COP is from 2.4 to 3.7 when dry bulb temperature is lower than 25,℃ during nighttime.COP of TRESE cooling combined with air source heat pump is from 2.4 to 2.9 as outdoor dry bulb temperature is from 35 to 43,℃，which rises by 15% more than that of space cooling by air source heat pump only.When flow rate of cold water through TRESE is 40,L/h，the cooling rate of TRESE in combined cooling is 7.7% with scarcely wave，even with ambient temperature changes.If opening all three TRESEs，the cooling rate of TRESE in combined cooling will be increased up to 23%.

Keywords：triple-sleeve energy storage exchanger；combined cooling；cooling cycle COP

通訊作者：倪 龍，nilonggn@163.com.

作者簡介：曲德虎（1986—），男，博士研究生，qdh000@126.com.

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ05B04)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51178133).

收稿日期：2014-10-09；修回日期：2014-12-09.

DOI:10.11784/tdxbz201410007

中圖分類號：TU831.6

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：0493-2137(2016)03-0326-06

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-01-07.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150107.1043.002.html.