低溫空氣源熱泵壓縮機(jī)殼體熱回收的制熱特性研究

蔡松素，張家璇，劉忠寶*，韋自妍

（1-合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124）

0 引言

空氣源熱泵以電能為驅(qū)動(dòng)力，將室外環(huán)境空氣作為冷、熱源，向被調(diào)節(jié)對(duì)象（如室內(nèi)）提供冷、熱量。這種環(huán)保、高效的能源供給方式在低品位能源利用方面具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。近年來(lái)，由于燃煤鍋爐供熱、熱水供應(yīng)和住宅采暖造成了華北地區(qū)空氣污染嚴(yán)重的問(wèn)題[2]。空氣源熱泵由于易于安裝、節(jié)能環(huán)保而被強(qiáng)烈建議作為供暖裝置推廣使用[3]，但是空氣源熱泵在氣候較寒冷的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其蒸發(fā)溫度較低、排氣溫度過(guò)高、制熱量不足等問(wèn)題[4-6]，還會(huì)因?yàn)槭彝鈸Q熱器霜層的存在使得熱泵運(yùn)行時(shí)制熱性能降低，眾多因素導(dǎo)致系統(tǒng)難以在氣候較低的地區(qū)普及[7-10]。

目前在市面上已知用于科學(xué)研究及工程應(yīng)用的相變材料有很多種，根據(jù)材料的元素構(gòu)成可以分為無(wú)機(jī)類、有機(jī)類和復(fù)合類相變材料，根據(jù)相變溫度分為低溫相變蓄熱材料、中溫相變蓄熱材料和高溫相變蓄熱材料[11-12]。一般而言，實(shí)驗(yàn)中可選用的相變蓄熱材料相變溫度在中低溫端，這類材料最常見(jiàn)的有熔融鹽[13]、石蠟[14]及脂肪酸[15]等。

OOI[16]指出熱泵系統(tǒng)輸入能量的10%～20%會(huì)通過(guò)壓縮機(jī)的管殼散失在周圍的環(huán)境中，PARK[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出至少有6.3%的輸入能量轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)殼體釋放到環(huán)境中的廢熱。齊亞茹等[18]在研究空氣源熱泵產(chǎn)品在低溫環(huán)境下的制熱性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)引入基于準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)的補(bǔ)氣增焓技術(shù)可使熱泵應(yīng)用于低溫工況的性能得到明顯改善。王寧等[19]在帶有閃發(fā)器的兩種補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)性能模擬研究中發(fā)現(xiàn)，在補(bǔ)氣量相同的條件下，隨著蒸發(fā)溫度的上升，各熱泵系統(tǒng)的制熱量、功耗和制熱性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，而壓縮機(jī)的排氣溫度則逐漸降低。婁鳳飛等[20]研究了利用壓縮機(jī)殼體余熱構(gòu)建雙蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)了一個(gè)用石蠟包裹住壓縮機(jī)外殼構(gòu)成的相變蓄熱器，將其作為系統(tǒng)都第二蒸發(fā)器，針對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，吸氣溫度過(guò)低等問(wèn)題做出了改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)計(jì)算

使用一臺(tái)1.5 HP變頻熱泵熱水器進(jìn)行改造，制冷劑為R410A，充注量為1.4 kg。制熱量為3 500（1 800～3 700）W，輸入功率833（360～910）W，對(duì)其相變蓄熱器以及改裝熱泵壓縮機(jī)的選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.1.1 相變蓄熱材料的選擇計(jì)算

相變蓄熱材料的選擇應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面因素：1）適合的相變溫度，由于相變蓄熱器安裝在原系統(tǒng)的壓縮機(jī)外殼上，因此蓄熱材料的相變溫度應(yīng)與壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的外殼體溫度匹配；2）導(dǎo)熱系數(shù)高，相變材料應(yīng)當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，這樣方便熱量在短時(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)外殼產(chǎn)生的能量；3）相變潛熱較大，這樣可以使用較小的體積來(lái)制作相變蓄熱器，便于安裝在壓縮機(jī)上；4）環(huán)保、穩(wěn)定性好、無(wú)腐蝕性，方便日后的設(shè)備應(yīng)用推廣。

綜合考慮選擇石蠟作為蓄熱材料，通過(guò)計(jì)算壓縮機(jī)殼體熱量確定蓄熱材料用量，假設(shè)α=10%，即有功率10%的熱量轉(zhuǎn)換為壓縮機(jī)殼體廢熱，由式(1)和式(2)計(jì)算：

式中，Q1為壓縮機(jī)外殼一個(gè)循環(huán)的釋熱量，kJ；t1為壓縮機(jī)運(yùn)行周期的平均時(shí)長(zhǎng)，s；α為占?jí)嚎s機(jī)輸入功率的余熱比例；P為壓縮機(jī)的額定功率，kW。通過(guò)式(1)計(jì)算得到壓縮機(jī)外殼一個(gè)循環(huán)的釋熱量為259.90 kJ。

式中，m為填充的相變蓄熱材料的質(zhì)量，kg；γ為相變蓄熱材料的潛熱，kJ/kg。由式(2)計(jì)算得出所需石蠟質(zhì)量為1.46 kg。

1.1.2 新熱泵壓縮機(jī)選擇計(jì)算

在構(gòu)建新系統(tǒng)循環(huán)時(shí)，首先考慮新系統(tǒng)的壓縮機(jī)選擇，在選擇新系統(tǒng)壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮到新系統(tǒng)將相變蓄熱器作為蒸發(fā)器，因此新系統(tǒng)的制冷劑所蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量應(yīng)該和相變蓄熱器所蓄存的能量在數(shù)值上近似相等，以免制冷劑不完全蒸發(fā)，壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

新系統(tǒng)各設(shè)備的理論額定功率計(jì)算：

式中，Pc為原系統(tǒng)壓縮機(jī)的額定功率，W；Pe為新系統(tǒng)蒸發(fā)器的額定制冷量，W。

通過(guò)式(3)可確定新系統(tǒng)蒸發(fā)器的額定制冷量為83.3 W，假設(shè)新系統(tǒng)的COP為2.5，即可確定新系統(tǒng)壓縮機(jī)的額定功率大小。

新系統(tǒng)中壓縮機(jī)的功率為：

式中，計(jì)算得出新系統(tǒng)中壓縮機(jī)的功率33.32 W。

新系統(tǒng)冷凝器的額定制熱量由式(5)計(jì)算：

式中，Pcon為新系統(tǒng)冷凝器的額定制熱量，W。計(jì)算得出制熱量為116.62 W。

1.2 系統(tǒng)流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示，由兩個(gè)獨(dú)立循環(huán)熱泵系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)1用實(shí)線表示，系統(tǒng)2用虛線表示，實(shí)物圖如圖2所示。系統(tǒng)1是帶有補(bǔ)氣增焓功能的空氣源熱泵，采用變頻渦旋式壓縮機(jī)，輸入功率833 W，制熱量3 500 W，性能系數(shù)4.20，內(nèi)部充入1.4 kg的R410A制冷劑，在系統(tǒng)1的壓縮機(jī)外殼包裹有一層石蠟制作的相變蓄熱器，用于儲(chǔ)存壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廢熱；石蠟里盤(pán)有系統(tǒng)2的蒸發(fā)器用于回收這一部分熱量。系統(tǒng)2是一個(gè)簡(jiǎn)單的熱泵系統(tǒng)，采用QD25H型號(hào)壓縮機(jī)，充入R134a制冷劑，系統(tǒng)2用于回收系統(tǒng)1的壓縮機(jī)殼體廢熱，兩系統(tǒng)的冷凝器均放在一個(gè)高78 cm直徑35 cm壁厚2 cm的圓柱形水箱中。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3 相變蓄熱器

相變蓄熱器用鐵皮制成，采用與壓縮機(jī)緊密接觸的、與其圓形外殼相配合的弧形結(jié)構(gòu)（蓄熱槽），來(lái)收集壓縮機(jī)的余熱。蓄熱槽由外殼、導(dǎo)熱板構(gòu)成，導(dǎo)熱板與壓縮機(jī)殼體緊密貼合，并在兩者之間涂抹一層導(dǎo)熱硅脂來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)熱。蓄熱槽高20 cm，內(nèi)徑10 cm，外徑18 cm，蓄熱器盤(pán)管采用直徑6.00 mm、長(zhǎng)2.80 m的銅管，以縱向蛇形盤(pán)管的形式分布在蓄熱器中。為了充分回收熱量，所填充蓄熱材料的質(zhì)量與其相變潛熱系數(shù)之積應(yīng)近似等于壓縮機(jī)所散發(fā)的熱量，通過(guò)計(jì)算得到相變材料混合石蠟的質(zhì)量為1.46 kg。圖3所示為相變蓄熱器實(shí)物圖。

圖3 相變蓄熱器實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)分為常溫和低溫兩部分，常溫實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京工業(yè)大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室一樓大廳內(nèi)，低溫實(shí)驗(yàn)則在北京工業(yè)大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其中低溫實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)和寬均為2 m，高為3 m，墻面使用巖棉板來(lái)保溫，采用風(fēng)冷式制冷機(jī)組來(lái)制取實(shí)驗(yàn)所需要的低溫，可以滿足實(shí)驗(yàn)所需要的0、-6、-12 ℃三種低溫工況。采用24通道熱電偶測(cè)溫儀和功率儀來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)所需的溫度和功率數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將兩個(gè)系統(tǒng)的冷凝器均放在水箱中，通過(guò)測(cè)量水的溫度，可以計(jì)算出系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，該水箱為圓柱狀，外壁高78 cm，直徑為35 cm，壁厚2 cm，該水箱保溫效果較好，短時(shí)間內(nèi)可將其與外界熱交換的熱量忽略不計(jì)，即水箱中的熱量全部來(lái)自于系統(tǒng)冷凝器所產(chǎn)生的熱量。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將開(kāi)啟系統(tǒng)1，記錄水箱中的水從30 ℃升到50 ℃所需要的時(shí)間，然后將水箱中的水降溫至30 ℃以下，再將系統(tǒng)1與系統(tǒng)2兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，重新記錄水箱中的水從30 ℃到50 ℃所需要的時(shí)間。

將水箱中的水在使用系統(tǒng)1和開(kāi)啟系統(tǒng)2后兩種情況下溫度分別升到50 ℃兩次記作一次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度不同，共進(jìn)行四種環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)，分別為常溫、0、-6、-12 ℃，其中0 ℃及0 ℃以下的低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)，將雙系統(tǒng)的壓縮機(jī)和蒸發(fā)器都放在低溫室里，模擬冬天的室外環(huán)境，將水箱放在常溫的房間里，模擬冬天的室內(nèi)環(huán)境，連接兩個(gè)環(huán)境的銅管用保溫棉包裹起來(lái)。

理論上而言，只需要記錄水箱中的水在開(kāi)啟原系統(tǒng)和不開(kāi)啟原系統(tǒng)兩種情況下的溫度上升速度，以及記錄雙系統(tǒng)開(kāi)啟和只運(yùn)行原系統(tǒng)兩種情況下的功率，通過(guò)計(jì)算就可以比較得出新系統(tǒng)的開(kāi)啟是否能夠強(qiáng)化換熱和節(jié)約能量，以及產(chǎn)生的熱量和節(jié)約的能量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在常溫（25～28 ℃三個(gè)溫度實(shí)驗(yàn)三次取平均數(shù)據(jù)）、0、-6、-12 ℃四種工況下，分別記錄只開(kāi)啟系統(tǒng)1和開(kāi)啟雙系統(tǒng)模式下，水箱中水溫從30 ℃上升到50 ℃所用時(shí)間和系統(tǒng)總功率。

3.1 兩種運(yùn)行模式制熱數(shù)據(jù)

表1所示為兩種運(yùn)行模式制熱數(shù)據(jù)。由表1可知，在常溫、0、-6、-12 ℃工況下，雙系統(tǒng)比系統(tǒng)1系統(tǒng)總用時(shí)分別縮短了0.83%、1.22%、2.02%和4.84%；雙系統(tǒng)比系統(tǒng)1停機(jī)時(shí)間分別縮短了0%、0%、13.89%和37.50%。在同工況的運(yùn)行條件下，相較于只開(kāi)啟系統(tǒng)1，開(kāi)啟雙系統(tǒng)能縮短水溫上升所用時(shí)間，尤其是在低溫工況下有了明顯的提升，其中在常溫實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)1的壓縮機(jī)并不停機(jī)，在低溫條件下，系統(tǒng)1的壓縮機(jī)會(huì)停機(jī)保護(hù)，而開(kāi)啟系統(tǒng)2后，壓縮機(jī)的停機(jī)時(shí)間也有了較為明顯的縮短。

表1 兩種運(yùn)行模式制熱數(shù)據(jù)

3.2 開(kāi)啟系統(tǒng)2的節(jié)能情況

通過(guò)系統(tǒng)2的開(kāi)啟對(duì)系統(tǒng)1的制熱能力有了一定提升，若使用電阻絲加熱的方式提升系統(tǒng)1制熱能力，即將系統(tǒng)2運(yùn)行所消耗能量換算為電阻絲加熱，計(jì)算對(duì)比只開(kāi)啟系統(tǒng)1、開(kāi)啟系統(tǒng)1和系統(tǒng)2、開(kāi)啟系統(tǒng)1和電阻絲3種制熱模式的耗能情況。

常溫實(shí)驗(yàn)時(shí)裝水50 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃耗能4 200 kJ，系統(tǒng)1在常溫下用時(shí)t=1 210 s，能耗約為0.269 kW·h，平均功率為800 W，系統(tǒng)1的COP為4.33，新加系統(tǒng)2壓縮機(jī)常溫下功率平均95 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時(shí)長(zhǎng)為t=1 180 s，能耗約為0.293 kW·h。

0 ℃實(shí)驗(yàn)時(shí)裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃能耗為54 704 kJ。系統(tǒng)1在0 ℃用時(shí)t=3 280 s，能耗約為0.824 kW·h，平均功率為905 W，系統(tǒng)1的COP為1.58，新加系統(tǒng)2壓縮機(jī)0 ℃功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時(shí)長(zhǎng)為t=3 147 s，能耗約為0.848 kW·h。

-6 ℃實(shí)驗(yàn)時(shí)裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃所用能耗為54 704 kJ。系統(tǒng)1在-6 ℃用時(shí)3 460 s，能耗約為0.902 kW·h，平均功率為938 W，系統(tǒng)1的COP為1.44，新加系統(tǒng)2壓縮機(jī)-6 ℃功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時(shí)長(zhǎng)為3 323 s，能耗約為0.925 kW·h。

-12 ℃實(shí)驗(yàn)時(shí)裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃所用能量54 704 kJ。系統(tǒng)1在-12 ℃用時(shí)t=3 720 s，能耗約為0.977 kW·h，平均功率為945 W，系統(tǒng)1的COP為1.34。新加系統(tǒng)2壓縮機(jī)在-12 ℃時(shí)功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，則總加熱時(shí)長(zhǎng)為t=3 533 s，能耗約為1.080 kW·h。

兩種運(yùn)行模式耗能和電阻絲耗能如表2所示，其中不同工況下系統(tǒng)1、加系統(tǒng)2和加電阻絲耗能分別用表示w1、w2和w3表示。

表2 兩種運(yùn)行模式耗能和計(jì)算電阻絲耗能

進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，改裝此系統(tǒng)花費(fèi)成本包括壓縮機(jī)、蓄熱材料石蠟和銅管，合計(jì)總成本為210元，而且此強(qiáng)化制熱系統(tǒng)適用于補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)和普通熱泵系統(tǒng)，有良好的應(yīng)用前景。假設(shè)該熱泵系統(tǒng)一年工作300 d，前文已給出不同工況下每次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)t與能耗w，定義每天24 h該系統(tǒng)運(yùn)行工作次數(shù)為n，計(jì)算如式(6)：

每天運(yùn)行能耗W由式(7)計(jì)算：

若按一年運(yùn)行300 d，用電單價(jià)c=0.6元/(kW·h)考慮，一年運(yùn)行的電費(fèi)為：

式中，C為運(yùn)行一年的電費(fèi)，元；T為一年工作時(shí)間，d；n為每天工作次數(shù)；W為每天運(yùn)行能耗，kW·h；c為電費(fèi)單價(jià)，元/(kW·h)。

不同溫度工況和運(yùn)行模式下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表中C1為系統(tǒng)1運(yùn)行一年的電費(fèi)，元；C2為加系統(tǒng)2運(yùn)行一年的電費(fèi)，元；C3為加電阻絲運(yùn)行一年所需電費(fèi)，元。通過(guò)計(jì)算與電阻絲強(qiáng)化制熱相比，加系統(tǒng)2在常溫工況下運(yùn)行能節(jié)省電費(fèi)593.28元，在0 ℃下運(yùn)行多耗電費(fèi)28.726元，在-6 ℃運(yùn)行節(jié)省18.18元，在-12 ℃運(yùn)行節(jié)省413.42元。分析可得，在環(huán)境溫度越低，節(jié)約電費(fèi)更多。

表3 兩種運(yùn)行模式和加電阻絲運(yùn)行電費(fèi)對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究低溫空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度下分別只開(kāi)啟系統(tǒng)1和添加系統(tǒng)2（即雙系統(tǒng)）的兩種工作模式的運(yùn)行特性，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

1）在不同環(huán)境溫度工作時(shí)，雙系統(tǒng)使得水箱水溫上升速率明顯提高；與同溫度下水箱中水到達(dá)設(shè)定溫度所需時(shí)間相比，雙系統(tǒng)使得加熱時(shí)間明顯縮短，最快可在環(huán)境溫度-12 ℃時(shí)縮短4.84%，可得雙系統(tǒng)強(qiáng)化制熱在低溫下有較好的效果；

2）通過(guò)對(duì)比添加系統(tǒng)2與添加電阻絲強(qiáng)化制熱的耗能，添加系統(tǒng)2比添加電阻絲強(qiáng)化制熱更節(jié)能，最高可節(jié)省能耗9.1%；

3）通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，添加系統(tǒng)2的雙系統(tǒng)方式與添加電阻絲強(qiáng)化制熱相比，一臺(tái)機(jī)器一年節(jié)約電費(fèi)可在環(huán)境溫度-12 ℃時(shí)最多，為413.42元，有較好的節(jié)能效益和應(yīng)用前景。