一種新型空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

陳蘇坤 李永財(cái)* 付文濤 盧軍 李娟 喬振勇

1 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

2 重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院

3 四川省建筑科學(xué)研究院

針對目前長江流域地區(qū)冬季采暖存在的問題，筆者提出了一種末端采用輻射板的新型直膨式空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。相較于常規(guī)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接將制冷劑輸送至末端，不僅在結(jié)構(gòu)上簡化，更減少了不必要的能源浪費(fèi)。目前，國內(nèi)外對于直膨式熱泵系統(tǒng)的研究，主要集中在直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)[1-3]和直膨式土壤源熱泵系統(tǒng)[4-5]，而針對直膨式空氣源熱泵的研究還比較少。因此，筆者著重研究了五個(gè)典型工況日下，直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)在重慶地區(qū)的運(yùn)行特性和系統(tǒng)能效，實(shí)時(shí)測量機(jī)組功率、輻射板表面溫度、制冷劑進(jìn)出口溫度、系統(tǒng)能效比等特性參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1 所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由室外換熱器，壓縮機(jī)，四通換向閥，膨脹裝置，氣液分離器和輻射板6 個(gè)部分組成。其中室外換熱器、壓縮機(jī)、熱力膨脹裝置集成于室外機(jī)中置于室外，輻射板置于室內(nèi)，輻射板通過銅管與系統(tǒng)室外部分相連接構(gòu)成整個(gè)采暖系統(tǒng)。將銅管用貼片固定在鋁板上，作為輻射末端，連接處采用導(dǎo)熱硅膠強(qiáng)化傳熱。根據(jù)空氣源熱泵室外機(jī)制熱量計(jì)算得到輻射板的面積，最后選定輻射板的銅管尺寸為Φ9.52×0.7 mm，銅管支路采用三段回折的形式，并保證各支路回折管總長度為5 m。

圖1 空氣源熱泵輻射板采暖系統(tǒng)流程圖

1.2 測量方法

本實(shí)驗(yàn)主要測量的物理量為溫度和功率。實(shí)驗(yàn)過程中采用量程為-200～+350 ℃的銅-康銅（T 型）標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測定輻射板表面溫度和制冷劑進(jìn)出口溫度，為了研究輻射板表面溫度隨時(shí)間變化的特性，在銅管管壁上均勻布置15 個(gè)測點(diǎn)。由于銅管是通過貼片固定在鋁板上，鋁板與銅管表面存在溫度差，因此在鋁板上均勻布置10 個(gè)測點(diǎn)，具體的測點(diǎn)布置方式如圖2 所示。采用型號為HP-9800 功率測試儀測定機(jī)組的功率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測和儲存采用Agilent 34970A多功能數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。

圖2 測點(diǎn)布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

選擇測試期間晴天日2018 年1 月10 日，陰天日2018 年1 月14 日，雨天日2018 年1 月23 日，低溫雨天2018 年1 月28 日和低溫陰天2018 年1 月30 日這五個(gè)典型工況日的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為研究對象，分析該系統(tǒng)在不同天氣條件下的冬季供暖特性，各典型天氣的溫濕度測試數(shù)據(jù)見表1。設(shè)定機(jī)組每天早上8:00 開機(jī)，連續(xù)運(yùn)行至晚上20:00 停機(jī)，實(shí)驗(yàn)過程中分別對機(jī)組功率，輻射板表面溫度和制冷劑進(jìn)出口溫度等參數(shù)進(jìn)行逐時(shí)記錄，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min。

表1 典型日氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 功率變化情況

從圖3 可以看出，晴天，雨天和低溫雨天三個(gè)典型工況日下，機(jī)組從穩(wěn)定運(yùn)行開始至下午15:00 這段時(shí)間內(nèi)，機(jī)組功率持續(xù)增大，15:00 以后機(jī)組功率開始減小。全天運(yùn)行期內(nèi)機(jī)組的功率分別在620～690 W，670～730 W 和915～945 W 范圍內(nèi)波動(dòng)。在陰天工況條件下，機(jī)組從早上9:00 至下午13:00 這段時(shí)間功率持續(xù)增大，13:00 以后機(jī)組功率持續(xù)減小。在一天的運(yùn)行期內(nèi)，機(jī)組功率在710～725 W 之間變化。而在低溫陰天工況條件下，機(jī)組從穩(wěn)定運(yùn)行到停止運(yùn)行內(nèi)，機(jī)組功率從905 W 一直增加至950 W，機(jī)組的實(shí)時(shí)功率與額定功率的比值在67.8%～71.2%之間變化。從整體上看，環(huán)境溫度和機(jī)組功率呈負(fù)相關(guān)變化，隨著室外環(huán)境溫度的降低，機(jī)組功率在不斷地增大。

圖3 五個(gè)典型工況下功率隨時(shí)間變化

2.2 溫度變化情況

圖4，圖5，圖6，圖7 和圖8 分別為系統(tǒng)在晴天，雨天，陰天，低溫雨天和低溫陰天五個(gè)典型工況日下冬季供暖運(yùn)行特性曲線圖。

圖4 晴天供暖運(yùn)行特性

圖5 雨天供暖運(yùn)行特性

圖6 陰天供暖運(yùn)行特性

圖7 低溫雨天供暖運(yùn)行特性

圖8 低溫陰天供暖運(yùn)行特性

從圖4～8 可以看出：

1）從機(jī)組啟動(dòng)至穩(wěn)定運(yùn)行這段時(shí)間內(nèi)（8:00～9:00），制冷劑進(jìn)出口溫度以及輻射板表面平均溫度迅速上升。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，五種天氣條件下的制冷劑進(jìn)出口溫度和輻射板表面平均溫度波動(dòng)均較小。

2）隨著室外溫度的降低，機(jī)組功率逐漸增大，壓縮機(jī)的排氣溫度升高，制冷劑的進(jìn)口溫差也隨之升高。雨天工況下，制冷劑進(jìn)出口溫差在2.2 ℃～4.3 ℃之間變化，而在低溫雨天工況下，制冷劑進(jìn)出口溫差在5 ℃～7.2 ℃之間變化，說明環(huán)境溫度對直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)有很大的影響。

3）系統(tǒng)輻射板表面平均溫度變化趨勢與制冷劑進(jìn)出口溫度變化趨勢相一致，由于接觸傳熱存在熱損耗，所以銅管和鋁板表面平均溫度存在差值，溫度差在4 ℃～6 ℃之間變化。

2.3 系統(tǒng)性能系數(shù)

該系統(tǒng)的COP 可定義為輻射板散熱量qc與機(jī)組功率w 的比值，即：

輻射板的綜合傳熱量qc包含輻射換熱量qr和自然對流換熱量qn，即：

輻射板的輻射換熱量計(jì)算公式為[6]：

式中：tp為輻射板表面平均溫度，℃；AUST為室內(nèi)非供暖表面的平均輻射溫度，℃；A 為輻射板的面積，m2。

輻射板表面平均溫度可通過多測點(diǎn)取平均值得到，室內(nèi)非供暖表面平均輻射溫度AUST 為室內(nèi)非供暖表面溫度的加權(quán)平均值[6]。

式中：Ai為室內(nèi)非供暖表面的面積，m2；ti為室內(nèi)非供暖表面的溫度，℃；n 為輻射板表面測點(diǎn)個(gè)數(shù)tpj為輻射板上第j 個(gè)測點(diǎn)的溫度，℃。

輻射板自然流對流換熱量計(jì)算式[6]：

式中：H 為輻射板的高度，m。

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)整理計(jì)算得到系統(tǒng)在不同天氣條件下的COP 值，通過對比不同典型工況日下的系統(tǒng)能效，分析其在重慶地區(qū)冬季供暖的節(jié)能性和適應(yīng)性。系統(tǒng)能效比隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖9 所示：

圖9 系統(tǒng)能效比隨時(shí)間變化曲線圖

通過圖9 中五條曲線的對比可以看出，環(huán)境溫度和系統(tǒng)能效比呈正相關(guān)變化，環(huán)境溫度越高，COP 越大。當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后系統(tǒng)COP 值也保持穩(wěn)定，但受室外環(huán)境溫度的影響會在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。晴天時(shí)，系統(tǒng)COP 值在2.98～3.2 之間變化，其平均COP 為3.1，由于機(jī)組功率在下午15:00 后開始減小，系統(tǒng)COP 也隨之變小。雨天時(shí)，系統(tǒng)COP 值在2.95～3.03之間變化，其平均COP 為3。陰天時(shí)，系統(tǒng)COP 值在2.91～2.99 之間變化，其平均COP 為2.9。低溫雨天時(shí)，系統(tǒng)COP 值在2.56～2.63 之間變化，其平均COP 為2.61。而在低溫陰天時(shí)，系統(tǒng)COP 值在2.58～2.62 之間變化，其平均COP 為2.62。綜合5 個(gè)典型天氣條件下的系統(tǒng)COP，相較于家用分體式空調(diào)[7]，直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)可將系統(tǒng)能效比提高26%。

3 結(jié)論

本文提出了一種末端采用輻射板的直膨式空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，并基于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能有直接的影響。隨著室外溫度的降低，機(jī)組功率逐漸增大，制冷劑的進(jìn)口溫度和輻射板表面溫度也會隨之升高。

2）系統(tǒng)運(yùn)行期間的平均COP 隨室外環(huán)境溫度的上升而變大，晴天工況下的平均COP 為3.1，雨天工況下的平均COP 為3，陰天工況下的平均COP 為2.9，低溫雨天工況下的平均COP 為2.61，低溫陰天工況下的平均COP 為2.62。由此可見，該直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)用于重慶地區(qū)供暖是可行的，并且具有良好的節(jié)能效果。