相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)蓄、釋熱特性與供暖節(jié)能運(yùn)行溫度條件的研究

胡文舉，常默寧，金 帆，邵正日，葉 凌

（1.北京建筑大學(xué) 供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.營口理工學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 營口 115000；3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

空氣源熱泵供暖具有許多優(yōu)點(diǎn)，已被歐盟各國以及我國部分省市列入可再生能源技術(shù)范疇[1]。然而，空氣源熱泵在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在低溫適用性差、運(yùn)行策略不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)組能效低等問題。將蓄熱技術(shù)與空氣源熱泵相結(jié)合是解決上述問題的有效手段，因此，將蓄熱技術(shù)與空氣源熱泵相結(jié)合的研究備受關(guān)注。魏澤輝開展了蓄熱型太陽能-空氣源熱泵互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的正交優(yōu)化研究，得到互補(bǔ)供熱系統(tǒng)費(fèi)用年值與太陽能保證率的最佳匹配點(diǎn)[2]。閆澤濱提出了太陽能-相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效提高了空氣源熱泵供暖性能與可靠性[3]。孟新巍提出了空氣源熱泵復(fù)合低谷電蓄能供暖系統(tǒng)并針對該系統(tǒng)開展研究，得到了經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和節(jié)能性最優(yōu)控制策略下的最短初投資回收期[4]。Zou Deqiu對帶有相變蓄熱的空氣源熱泵熱水器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水箱外增設(shè)相變蓄熱材料有助于保持水箱溫度的均勻性，以及提高系統(tǒng)供熱性能[5]。Li Yantong針對空氣源熱泵提出了熱水外掠管群式相變蓄熱器，并通過實(shí)驗(yàn)得到蓄熱器內(nèi)水的流量與蓄熱時(shí)間、能耗之間的關(guān)系[6]。Zhihua Wang對帶有雙溫螺旋盤管相變蓄熱的空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，并提出了該系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行策略[7]。韓瑋將太陽能、空氣源熱泵與相變蓄熱技術(shù)集成，提出了復(fù)合型熱水系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相變蓄熱材料有利于延長水箱的熱水供應(yīng)時(shí)間，提升了系統(tǒng)的供熱性能，并能夠更好地進(jìn)行溫度分層[8]。Ni Long提出了帶有相變蓄熱的太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的可行性、制熱性能及其影響因素進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)熱泵相比，該系統(tǒng)具有更好的靈活性、制熱性能與穩(wěn)定性[9]，[10]。綜上可知，將空氣源熱泵與相變蓄熱技術(shù)研究重點(diǎn)集中在新型系統(tǒng)集成、系統(tǒng)性能評價(jià)、蓄熱器設(shè)計(jì)及其蓄、釋熱特性影響因素分析。

本文對我國典型城市最冷月的日逐時(shí)室外空氣平均溫度進(jìn)行分析，并結(jié)合空氣源熱泵的運(yùn)行特性、建筑供暖負(fù)荷規(guī)律和人們的用能規(guī)律，提出一種新型相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)，通過白天高溫時(shí)段蓄熱、夜間低溫時(shí)段釋熱，最終實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)低溫時(shí)段空氣源熱泵供熱能力的不足。本文針對相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的蓄、釋熱特性與供熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并提出該系統(tǒng)供暖節(jié)能運(yùn)行的溫度條件。

1 相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)原理與翅片管式相變蓄熱器的設(shè)計(jì)

1.1 相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)原理

北京、蘭州、沈陽地區(qū)最冷月（1月）室外空氣平均溫度隨時(shí)間的變化情況如圖1所示。

圖1 北京、蘭州、沈陽地區(qū)1月室外空氣平均溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.1 Hourly average temperature in Beijing，Lanzhou and Shenyang in January

由圖1可知，北京、蘭州、沈陽白天與夜間最大溫度差分別為7.8，10.9，10.4℃，室外溫度變化幅度較大。因此，白天運(yùn)行空氣源熱泵的能效高于夜間。特別是北京，8:00-17:00室外平均氣溫在-3℃以上，白天氣溫非常適合空氣源熱泵運(yùn)行。但在實(shí)際生活中，白天供暖負(fù)荷較小，甚至無需供暖。因此，為了減少空氣源熱泵在低溫時(shí)段（如3:00-7:00）的運(yùn)行時(shí)間或彌補(bǔ)其供熱不足的情況，以實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵的高效、可靠運(yùn)行，本文提出了相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的示意圖以及實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布情況如圖2所示。相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)可在白天室外溫度較高時(shí)段（如12:00-16:00）運(yùn)行，并將熱量儲存起來，用于夜間氣溫較低時(shí)段（如3:00-7:00）供暖。

圖2 相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的示意圖以及實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布情況Fig.2 Principle of air source heat pump（ASHP）with phase change thermal storage

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)供暖需求及室外溫度的變化情況，相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)供暖模式運(yùn)行外，還可以實(shí)現(xiàn)相變蓄熱器的蓄熱模式、單獨(dú)供暖模式、蓄熱同時(shí)供暖模式的運(yùn)行。

1-壓縮機(jī)；2-四通換向閥；3-風(fēng)冷換熱裝置；4-熱力膨脹閥；5-板式換熱器；6-相變蓄熱器；7-氣液分離器；8-儲液罐；9-用戶端；10-流量計(jì)；11-水泵；F1～F9-電磁閥；F10，F(xiàn)11-單向閥；T-溫度測點(diǎn)；P-壓強(qiáng)測點(diǎn)

3種運(yùn)行模式下，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑與載冷劑的流動(dòng)方向如下:

①相變蓄熱器蓄熱模式下，制冷劑的流動(dòng)方向?yàn)?=＞2=＞10=＞3=＞12=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

②相變蓄熱器單獨(dú)供暖模式下，載冷劑的流動(dòng)方向?yàn)?=＞11=＞3=＞13=＞14，15，16=＞9=＞8；

③相變蓄熱器蓄熱同時(shí)供暖模式下，制冷劑的流動(dòng)方向?yàn)?=＞2=＞10=＞3=＞12=＞4=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

④相變蓄熱器蓄熱同時(shí)供暖模式下，載冷劑的流動(dòng)方向?yàn)?=＞11=＞3=＞13=＞4=＞14，15，16=＞9=＞8。

1.2 相變蓄熱材料的選取與相變蓄熱器的設(shè)計(jì)

相變蓄熱器的換熱性能是影響相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。綜合考慮供暖溫度需求、相變蓄熱材料的熱物性及其無毒無腐蝕技術(shù)需求，本文選擇了+42PCM（石蠟）作為相變蓄熱材料，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 相變蓄熱材料（+42PCM）的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of+42PCM

為強(qiáng)化相變蓄熱材料的傳熱性能，并使之適應(yīng)多種運(yùn)行模式，本文設(shè)計(jì)了新型相變蓄熱器。相變蓄熱器中制冷劑與載冷劑的換熱銅管交叉排布，翅片間隙內(nèi)充注了相變蓄熱材料（本文實(shí)驗(yàn)時(shí)，向相變蓄熱器內(nèi)共充注了80 kg相變蓄熱材料）。相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖Fig.3 Structure diagram and photo of PCM based heat exchanger

相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of PCM based heat exchanger

2 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與搭建

根據(jù)研究目標(biāo)需要，搭建了相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。為保證相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)供水溫度不變，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用恒溫水浴替代用戶端。

本實(shí)驗(yàn)使用的壓縮機(jī)的額定功率為675 W，名義工況下壓縮機(jī)的COP為3.04。實(shí)驗(yàn)臺共有22個(gè)溫度測點(diǎn)（T1～T22），分別布置于壓縮機(jī)吸、排氣口，各換熱器進(jìn)、出口和相變蓄熱器內(nèi)。其中監(jiān)測相變蓄熱材料溫度變化的測點(diǎn)有12個(gè)（T11～T22），均勻分布在距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處的平面上。此外，實(shí)驗(yàn)臺分別設(shè)有1個(gè)流量測點(diǎn)（Q1）和1個(gè)功率測點(diǎn)，分別用來計(jì)量進(jìn)出恒溫水浴的流量與空氣源熱泵機(jī)組消耗的功率。本實(shí)驗(yàn)中使用的熱電偶的精度為±0.1℃，流量計(jì)的精度為1.5級，用于測量耗電量的功率計(jì)的精度為±（0.4%讀數(shù)+0.1%量程）。進(jìn)行相變蓄熱器蓄熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，將空氣源熱泵的室外換熱器置于人工室外環(huán)境控制室，控制氣溫分別為-5，0℃和5℃。相變蓄熱器釋熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，相變蓄熱材料的初始溫度均為45℃，通過恒溫水浴控制進(jìn)入相變蓄熱器的水溫分別為35，33℃和31℃，通過調(diào)節(jié)閥門控制使得相變蓄熱器循環(huán)水量為190 L/h。距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處平面上的溫度測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處平面上的溫度測點(diǎn)布置Fig.4 Layout of temperature measuring points on the surfaces which are 5，15 cm and 25 cm away from the bottom of the PCM based heat exchanger

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 相變蓄熱器蓄熱特性與空氣源熱泵性能分析

3.1.1 蓄熱模式時(shí)相變蓄熱材料的溫度隨時(shí)間的變化

在室外溫度為0℃的條件下，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度和空氣源熱泵的冷凝溫度隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。

圖5 在室外溫度為0℃的條件下，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度和空氣源熱泵的冷凝溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.5 Variation of PCM temperature and condensation temperature of ASHPwhen the ambient temperature is 0℃

由圖5可知，在整個(gè)蓄熱過程中，各測點(diǎn)溫度具有較強(qiáng)的一致性，且制冷劑與相變蓄熱材料之間的溫度差非常小，僅為1.1℃，這表明相變蓄熱器具有良好的傳熱性能，有利于提高空氣源熱泵的能效。相變蓄熱器具有良好傳熱性能的原因分別為①相變蓄熱器銅管外的鋁翅片增大了銅管與相變蓄熱材料之間的換熱面積，強(qiáng)化了相變蓄熱材料的換熱能力；②利用鋁翅片將相變蓄熱器的各層盤管連成一個(gè)整體，強(qiáng)化了相變蓄熱器各層盤管之間的換熱能力。

由于相變蓄熱器內(nèi)各測點(diǎn)溫度具有較強(qiáng)的一致性，因此，可用平均溫度代表相變蓄熱器內(nèi)相變蓄熱材料溫度的變化。在-5，0℃和5℃的室外溫度條件下，相變蓄熱材料的平均溫度隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。

圖6 在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，相變蓄熱材料的平均溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.6 Variation of average temperature of PCM when the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由圖6可知:在室外溫度為5℃的條件下，75 min時(shí)，相變蓄熱材料開始相變，相變時(shí)間為75 min，之后相變蓄熱材料溫度快速上升，此時(shí)相變蓄熱材料潛熱蓄熱已結(jié)束；150 min時(shí)，相變蓄熱器開始進(jìn)入液相顯熱蓄熱階段，168 min時(shí)，相變蓄熱材料溫度達(dá)到45℃，此時(shí)蓄熱過程結(jié)束；當(dāng)室外溫度為0℃時(shí)，相變蓄熱器在125 min開始相變蓄熱，相變蓄熱過程持續(xù)125 min，287 min時(shí)，蓄熱過程結(jié)束當(dāng)室外溫度為-5℃時(shí)，相變蓄熱器在150 min開始相變蓄熱，相變蓄熱過程持續(xù)150 min，至325 min蓄熱過程結(jié)束。綜上可知，相變蓄熱器蓄熱所需的時(shí)間隨著室外溫度的升高而逐漸減少。這是因?yàn)槭彝鉁囟鹊纳呤箍諝庠礋岜玫闹茻嵝阅艿玫教岣撸虼怂璧男顭釙r(shí)間縮短了。

3.1.2 運(yùn)行蓄熱模式時(shí)空氣源熱泵的性能分析

在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，運(yùn)行蓄熱模式時(shí)，空氣源熱泵消耗的功率隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。

圖7 在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，運(yùn)行蓄熱模式時(shí)，空氣源熱泵消耗的功率隨時(shí)間的變化情況Fig.7 Variation of power consumption of ASHPwhen the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由圖7可知，蓄熱過程中空氣源熱泵消耗的功率的增速先快后慢，這表明蓄熱過程中，空氣源熱泵的運(yùn)行呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性。由圖6，7可知，空氣源熱泵運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性與相變蓄熱器內(nèi)相變蓄熱材料的溫度變化緊密相關(guān)。這是由于蓄熱過程中，相變蓄熱材料溫度逐漸升高，相應(yīng)的空氣源熱泵的冷凝溫度也逐漸升高導(dǎo)致的。假定蓄熱時(shí)換熱器溫度分布均勻，且相變蓄熱器溫度與相變蓄熱材料溫度相同。

相變蓄熱器蓄熱量QPCM的計(jì)算式為

式中:Cp為相變蓄熱材料的比熱容，kJ/（kg·℃）；MPCM為相變蓄熱材料的總質(zhì)量，kg；ΔTPCM為相變蓄熱材料的總溫升，℃；φ為相變蓄熱材料的相變潛熱，kJ/kg；CHE為換熱器的比熱容，kJ/（kg·℃）；MHE為換熱器的質(zhì)量，kg。

空氣源熱泵的平均性能系數(shù)COP的計(jì)算式為

COP=1+QPCM/W （2）

式中:W為蓄熱過程中空氣源熱泵總耗電量，kJ。

在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，空氣源熱泵消耗的平均功率與COP如圖8所示。

由圖8可知，隨著室外氣溫逐漸升高，空氣源熱泵的性能系數(shù)與輸出功率均逐漸升高。當(dāng)室外溫度為-5℃時(shí)，空氣源熱泵的平均功率為645.68 W，平均COP為2.22；當(dāng)室外溫度為0℃時(shí)，空氣源熱泵的平均功率為649.05 W，平均COP增至2.7 2；當(dāng)室外溫度為5℃時(shí)，空氣源熱泵的平均功率為662.6 8 W，平均COP增至3.2 4。

3.2 相變蓄熱器的釋熱動(dòng)態(tài)特性分析

3.2.1 釋熱運(yùn)行模式時(shí)相變蓄熱材料的溫度隨時(shí)間的變化

圖9～11分別為當(dāng)相變蓄熱器入口水溫分別為35，33℃和31℃時(shí)，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖9 相變蓄熱器入口水溫為35℃時(shí)，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.9 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 35℃

圖10 相變蓄熱器入口水溫為33℃時(shí)，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.10 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 33℃

圖11 相變蓄熱器入口水溫為31℃時(shí)，相變蓄熱材料各測點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.11 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 31℃

由圖9～11可知，在相變蓄熱器釋熱過程中，前10 min，各測點(diǎn)溫度變化劇烈，表明相變蓄熱器以顯熱釋熱為主。10 min后，相變蓄熱材料溫度變化緩慢，表明相變蓄熱器進(jìn)入相變釋熱階段。對比相變蓄熱器釋熱和蓄熱階段各測點(diǎn)的溫度變化可知，釋熱過程中，相變蓄熱器內(nèi)相變蓄熱材料溫度的均勻性較差且相變蓄熱器入口水溫越低，部分測點(diǎn)的相變過程越不明顯。由圖9～11還可以看出，相變蓄熱器入口水溫越低，相變蓄熱材料溫度變化速度越快，這是由于相變蓄熱材料的溫度變化速度與釋熱速度相關(guān)。當(dāng)蓄熱器銅管內(nèi)循環(huán)水與相變蓄熱材料之間的溫度差較大時(shí)，相變蓄熱器的釋熱速度較快，這導(dǎo)致相變蓄熱材料相變過程不明顯，同時(shí)相變蓄熱器銅管內(nèi)的水沿著流動(dòng)方向升溫速度較快，導(dǎo)致相變蓄熱材料溫度的均勻性較差。3種入口水溫條件下，相變蓄熱器進(jìn)入顯熱釋熱階段的時(shí)間分別為105，75 min和65 min，至170，130 min和112 min，釋熱過程結(jié)束。

3.2.2 釋熱運(yùn)行模式條件下，相變蓄熱器釋熱量隨時(shí)間的變化

相變蓄熱器釋熱量q的計(jì)算式為

式中:Cw為水的比熱容J/（kg·℃）；Mw為水的質(zhì)量流量，kg/s；To為相變蓄熱器出口水溫，℃；Ti為相變蓄熱器入口溫度，℃。

相變蓄熱器釋熱量隨時(shí)間的變化情況如圖12所示。

圖12 相變蓄熱器釋熱量隨時(shí)間的變化情況Fig.12 Variation of thermal energy release of PCM based heat exchanger

由圖12可知，在相變蓄熱器入口水溫分別為35，33℃和31℃的條件下，釋熱過程開始時(shí)，相變蓄熱器的釋熱量分別為2 587，4 191 W和5 089 W，而后釋熱量迅速減小，這是由于初始釋熱時(shí)，相變蓄熱器銅管內(nèi)存有溫度較高的水，此時(shí)相變蓄熱材料溫度較高，這使得相變蓄熱器出水溫度較高，瞬時(shí)釋熱量較大。10 min時(shí)，相變蓄熱器由顯熱釋熱階段進(jìn)入潛熱釋熱階段。當(dāng)相變蓄熱器入口水溫為35℃時(shí)，相變蓄熱器的釋熱量約為1 000 W且持續(xù)釋熱時(shí)間約為90 min；當(dāng)相變蓄熱器入口水溫為33℃時(shí)，相變蓄熱器的釋熱量約為2 300 W且持續(xù)釋熱時(shí)間約為50 min；當(dāng)相變蓄熱器入口水溫為31℃時(shí)，相變蓄熱器的釋熱量約為2 800 W且持續(xù)釋熱時(shí)間約為35 min。完成潛熱釋熱后，相變蓄熱器再次進(jìn)入顯熱釋熱階段，釋熱量逐漸減小。135 min時(shí)，相變蓄熱器釋熱量小于200 W，釋熱過程結(jié)束。綜上可知，相變蓄熱器入口水溫可以控制相變蓄熱器的釋熱量以滿足供暖負(fù)荷需求。

3.3 相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行適用性分析

白天，當(dāng)室外溫度高于某一定值時(shí)，相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的COP大于空氣源熱泵夜間直接制熱時(shí)的COP。室外氣溫為相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)白天蓄熱運(yùn)行是否節(jié)能的氣象條件。假定夜間供暖時(shí)段控制用戶的回水溫度為35℃（以毛細(xì)管輻射供暖為例），供、回水溫度差為3℃，空氣源熱泵冷凝器的趨近溫度為3℃，夜間空氣源熱泵的冷凝溫度為41℃。對壓縮機(jī)的性能曲線進(jìn)行回歸，得到空氣源熱泵消耗的功率、制冷量，及空氣源熱泵性能系數(shù)COP的計(jì)算式分別為

式中:WR，QR分別為空氣源熱泵機(jī)組消耗的功率和制冷量，W；CW1～CW9為空氣源熱泵機(jī)組消耗的功率多項(xiàng)式的擬合系數(shù)；CQ1～CQ9為空氣源熱泵機(jī)組制冷量多項(xiàng)式的擬合系數(shù)；Tc為空氣源熱泵的冷凝溫度，℃；Te為空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度，℃。

空氣源熱泵機(jī)組性能曲線擬合系數(shù)見表3。

表3 空氣源熱泵機(jī)組性能曲線擬合系數(shù)Table 3 Fitting coefficient of performance curve for ASHP

將空氣源熱泵夜間直接供暖時(shí)的冷凝溫度（41℃）代入式（4），并將空氣源熱泵白天蓄熱運(yùn)行時(shí)的COP代入式（5）。通過聯(lián)立式（4），（5），得到空氣源熱泵夜間直接供暖時(shí)的蒸發(fā)溫度。然后，將該蒸發(fā)溫度加上本文實(shí)驗(yàn)測得的空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度與室外溫度的差值（本文實(shí)驗(yàn)測得該值為11.6℃），可得到空氣源熱泵夜間直接供暖時(shí)的室外溫度。

在上述計(jì)算過程中，本文采用白天空氣源熱泵蓄熱運(yùn)行時(shí)的COP，這意味著在上述室外溫度條件下，空氣源熱泵夜間直接供暖時(shí)的COP與空氣源熱泵白天蓄熱時(shí)的COP相等。利用上述方法，通過計(jì)算可知，在夜間室外溫度分別1.6，-5.21℃和-13.96℃的條件下，空氣源熱泵直接供暖時(shí)的COP與白天室外溫度分別為5，0℃和-5℃條件下空氣源熱泵蓄熱運(yùn)行時(shí)的COP相等。

本文分別以白天室外溫度和夜間室外溫度為橫、縱坐標(biāo)，通過分析得到相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行適用的氣象條件，如圖13所示。

圖13 相變蓄熱型空氣源熱泵節(jié)能運(yùn)行適用的氣象條件Fig.13 The applicable meteorological conditions for the ASHP'Senergy saving operation in heating mode

由圖13可知，當(dāng)白天室外溫度一定時(shí)，只有當(dāng)夜間室外氣溫點(diǎn)位于圖中陰影部分時(shí)，相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)日蓄夜釋的供暖策略才具有節(jié)能性。

4 結(jié)論

本文對典型城市最冷月的日平均逐時(shí)溫度進(jìn)行分析，并結(jié)合空氣源熱泵運(yùn)行特性、建筑供暖負(fù)荷規(guī)律和人們的用能規(guī)律，提出了一種相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出一種翅片管式相變蓄熱器。本文針對相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)開展了蓄熱、釋熱特性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相變蓄熱器內(nèi)溫度分布均勻，且空氣源熱泵的冷凝溫度與相變蓄熱材料之間的溫度差僅為1.1℃，該溫度差有利于降低空氣源熱泵的冷凝溫度以提高空氣源熱泵的性能系數(shù)；相變蓄熱器具有較快釋熱速度，其中相變蓄熱器入口水溫是影響釋熱速度的重要參數(shù)。此外，通過對相變蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的蓄熱能效進(jìn)行分析，提出了該系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行時(shí)的氣象條件。