太陽能空氣能熱泵中電子膨脹閥受太陽輻射影響下的運行特性分析

王永帥， 田琦， 徐振， 李兆函

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 太原 030024)

隨著建筑技術(shù)的迅速發(fā)展，我國建筑能耗已占社會總能耗的1/3[1]，并預(yù)計在2030年將上升至40%[2]，其中，暖通空調(diào)的能耗占建筑能耗的50%[3].太陽能輔助空氣源熱泵(SAHP)系統(tǒng)是一種高效且節(jié)能的系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)中電子膨脹閥(EEV)的研究已取得了一定的成果.文獻[4-8]采用變頻磁力泵和制冷劑R134a，通過近似實際工況的方案，詳細闡述測試設(shè)備的設(shè)計細節(jié)、測量參數(shù)、控制參數(shù).Sun等[9]采用實際傳感器代替虛擬傳感器，通過實際壓力測量取代電子膨脹閥控制，提升了電子膨脹閥調(diào)控的靈敏度和精度.Al-Badri等[10]采用3種方法控制變速壓縮機和冷水機組電子膨脹閥，分析對比后發(fā)現(xiàn)，具有自適應(yīng)EEV開路的單控制環(huán)路減小了過熱度的波動，提升了機組的穩(wěn)定性.Del-Valle等[11]將加熱元件纏繞在感溫包上，通過控制提供給加熱裝置的功率來控制蒸發(fā)器出口處的過熱度，減小了過熱振蕩，從而防止低負荷下蒸發(fā)器中的振蕩.何俊等[12]研究電子膨脹閥開度與壓縮機頻率變化對過熱度和壓比的影響，并通過質(zhì)量流量一致建立電子膨脹閥開度和壓縮機頻率兩者的關(guān)系，從而減少不必要的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)在某一工況下迅速達到平衡.周興禧等[13]通過分析膨脹閥開度對蒸發(fā)器入口壓力、干度(過熱度)、制冷劑流量和溫度的影響，得到兩膨脹閥之間的最佳處理關(guān)系.虞中旸等[14]研究壓縮機低頻率下運行時的機組制冷量和機組性能，提出可以提高冷凍水溫度或室內(nèi)溫度使電子膨脹閥的控制比例帶變寬.國內(nèi)外學(xué)者對電子膨脹閥的調(diào)控進行了大量研究，但目前還沒有針對EEV受太陽輻射影響的運行特性的研究，而EEV由于受太陽輻射的影響又會對開度調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致機組性能下降甚至損害機組的正常運行.

太陽能空氣能熱泵(solar integrated air source heat pump，SIASHP)系統(tǒng)的核心部件為室外太陽能集熱蒸發(fā)器，與常規(guī)空氣源熱泵相比，SIASHP主要通過蒸發(fā)器翅片表面覆蓋的一層太陽能薄膜，同時吸收太陽輻射中的熱能和空氣能[15].這一變化可以有效提升太陽輻射時系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)壓力，但同時EEV的控制也受到太陽輻射變化的影響.基于此，本文使用實驗和TRNSYS模擬的方法，對EEV的運行特性進行探究.

1 系統(tǒng)組成及工作原理

SIASHP實驗系統(tǒng)由室內(nèi)機和室外機組成.采用對照法，同時測試實驗機組(SIASHP)和對照機組(常規(guī)空氣源熱泵)在相同環(huán)境條件下的能效比.兩個機組的室內(nèi)換熱器、壓縮機和電子膨脹閥等主要部件均完全相同.兩個機組的室內(nèi)機，如圖1所示.實驗機組的室外機，如圖2所示.

圖1 兩個機組的室內(nèi)機 圖2 實驗機組的室外機 Fig.1 Indoor unit of two units Fig.2 Outdoor unit of experimental unit

1.1 實驗機組系統(tǒng)

主要部件.1) 直流變頻壓縮機.壓縮機排量為10.8 cm3·r-1，額定輸入功率為835 W，轉(zhuǎn)速范圍為12～120 r·s-1.2) 室外換熱器.室外機翅片涂有鉻原子層積吸熱采暖膜，采用強磁凝聚的方法附著在翅片表面，太陽能吸收膜吸收率為0.95，紅外發(fā)射率為0.10；蒸發(fā)器翅片為單排樣式，共5路，每路含6個通道，材質(zhì)為紫銅管，銅管間距為25 mm，換熱管外徑為9.52 mm，翅片厚度為0.2 mm，鋁翅片間距為2 mm，安裝角度為90°.室外換熱器采用變頻風(fēng)機，額定功率為350 W，額定風(fēng)量為5 000 m3·h-1.3) 室內(nèi)換熱器.室內(nèi)機材質(zhì)為銅管套鋁翅片，采用變頻風(fēng)機，額定功率為250 W，額定風(fēng)量為1 000 m3·h-1.4) 膨脹閥.膨脹閥為電子膨脹閥，開度控制受過熱度影響，過熱度增大，開度增大，過熱度減小，開度減?。婚_度范圍為15%～120%，對應(yīng)脈沖步數(shù)為100～1 000.

氣流組織.裝置將傳統(tǒng)氣流組織進行改進，成為正壓吹風(fēng)的氣流組織形式，該氣流組織形式的風(fēng)機位于室外換熱器后端，減少了對室外換熱器接收太陽能的阻擋，提高了太陽能的利用率.然而，與吸風(fēng)形式相比，吹風(fēng)形式的氣流更加集中，造成換熱器表面氣流中部大、兩端小的不均勻分布，嚴重影響了換熱，因此，采用表面有不均勻開孔的孔板(中間開孔稀疏、兩側(cè)開孔密集)對氣流進行導(dǎo)流，以達到氣流組織均勻的目的(圖2).

圖3 SIASHP機組的制熱原理圖Fig.3 Heating schematic diagram of SIASHP unit

1.2 SIASHP機組工作原理

SIASHP機組的制熱原理圖，如圖3所示.該機組室外換熱器與室內(nèi)換熱器均為管翅式換熱器，在換熱時由制冷劑直接進行相變，換熱器銅管翅片與空氣直接換熱.系統(tǒng)的節(jié)流裝置采用電子膨脹閥.電子膨脹閥可通過控制面板調(diào)節(jié)開度，便于實驗系統(tǒng)測試及實驗數(shù)據(jù)分析.此外，壓縮機采用渦旋壓縮機.渦旋壓縮機體積小，常用作家用設(shè)備制冷，與此裝置結(jié)構(gòu)特性較為匹配.此機組的制冷劑為R410A，制冷劑經(jīng)過室外機蒸發(fā)器換熱，同時吸收太陽輻射熱量，之后經(jīng)過壓縮機成為高溫高壓的氣體進入室內(nèi)機，通過冷凝器換熱后成為低溫高壓液體進入膨脹閥及室外蒸發(fā)器，轉(zhuǎn)換為低溫低壓的蒸汽后再次進入壓縮機，完成一個制熱循環(huán).

相對于普通太陽能輔助空氣源熱泵機組，SIASHP機組在室外機換熱器翅片側(cè)涂有鉻原子層太陽能選擇吸收膜，該吸收膜通過強磁聚的方法附著于翅片表面，目的是在冬季制熱時吸收太陽輻射并轉(zhuǎn)換為熱量，從而提高蒸發(fā)溫度，使冬季制熱時機組性能更好.

2 實驗方法

實驗從2019年11月24日進行至2019年12月24日，測試時間為8:00-18:00，地點為山西省晉中市榆次區(qū)，經(jīng)、緯度分別為112.732 032，37.758 899，實驗在一層樓地面進行.通過TBQ-DL型總輻射表對太陽輻射進行測試.選取這一個月內(nèi)氣候條件達到實驗要求(全天輻射范圍在50～500 W·m-2內(nèi))的時間進行測量，測試間隔為30 min，以保證機組在室外氣候條件變化時可達到穩(wěn)定.測量的室外氣象參數(shù)包括太陽總輻射量，空氣溫、濕度及風(fēng)速.太陽總輻射量測量儀置于室外機外殼頂部.室外溫度采用Pt100測量探頭測量，并在探頭外表面裹上鋁箔反射層，避免太陽輻射對溫度測量的影響.采用手持式濕度儀在機組吸風(fēng)側(cè)附近測量室外濕度.

表1 實驗儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental instruments

實驗設(shè)備分為主體設(shè)備和測試設(shè)備.主體設(shè)備包括太陽能空氣能熱泵及常規(guī)空氣源熱泵；測試設(shè)備包括太陽能總輻射儀、手持式溫濕度儀、計時器、32路無紙型溫度記錄儀和配套Pt100熱電阻、手持風(fēng)速儀、單相式電能表、電功率計.實驗儀器參數(shù)，如表1所示.

實驗過程中，調(diào)節(jié)EEV開度范圍為20%～80%，以4%為調(diào)節(jié)間隔，在相同室外環(huán)境影響下，記錄SIASHP機組和常規(guī)機組的太陽輻射強度、室內(nèi)出風(fēng)溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機組出風(fēng)點風(fēng)速及機組功率.

3 實驗?zāi)M

根據(jù)2019年11月24日至2019年12月24日采集的氣象參數(shù)及SIASHP機組的具體規(guī)格和熱力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用加載Fortran編程的TRNSYS能耗模擬軟件，對基于SIASHP的EEV與太陽輻射強度匹配特性進行模擬.對比實驗機和對照機兩組熱泵裝置的能效比(COP)、制熱量.

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

使用TRNSYS軟件對設(shè)備運行進行模擬時，需要將系統(tǒng)部件導(dǎo)入模擬平臺.由于太陽能空氣能熱泵裝置與常規(guī)空氣源熱泵的差異主要在于室外換熱器，因此，需要建立室外換熱器的數(shù)學(xué)模型.

室外換熱器在運行時與空氣進行熱交換且吸收太陽輻射能量.在建模過程中，如果可以有效地將太陽能與空氣能分離，分別構(gòu)建太陽能及空氣能對系統(tǒng)的影響的數(shù)學(xué)模型，那么，整個系統(tǒng)就可以簡化為常規(guī)空氣源熱泵與具有一定效率的太陽能供熱裝置并聯(lián)，從而大大簡化模型建立時的工作量，且所建立模型具有通用性，將為其他太陽能輔助空氣源熱泵模型的簡化提供依據(jù).

3.1.1 室外換熱器太陽能利用數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)太陽能輻射有效吸收量Qs可以表示為

Qs=SI-Qlo-Qlh.

(1)

式(1)中:S為有效太陽能集熱面積；Qlo為太陽能輻射損耗量；Qlh為空氣熱能輻射損耗量；I為太陽能輻射強度，表達式為

(2)

式(2)中:σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W·(m2·K4)-1；Tsky為天空有效溫度；R0為太陽半徑；R為天空有效溫度點與地球表面的距離.

3.1.2 SIASHP室外換熱器總換熱量 室外換熱器熱交換過程包括換熱器銅管與翅片吸收太陽能過程和室外換熱器與空氣換熱過程.以冬季為例，翅片吸收太陽能使翅片溫度上升，系統(tǒng)太陽輻射換熱量增加；但翅片溫度上升減小了翅片與周圍環(huán)境的溫差，對流換熱量減小.室外換熱器總換熱量Q表示為

Q=Qc+Qs=Qc，o-ΔQc+Qs.

(3)

圖4 室外換熱器截面示意圖Fig.4 Section of outdoor heat exchanger

式(3)中:Qc為對流換熱量；Qc，o為無太陽輻射時的對流換熱量；ΔQc為在除太陽輻射強度外的相同環(huán)境條件下，有、無太陽輻射時的對流換熱量差值.

根據(jù)式(3)可知，ΔQc反映了太陽輻射對對流換熱的影響，與翅片溫度和環(huán)境溫度有關(guān)，而翅片溫度和換熱器銅管導(dǎo)熱相關(guān)，因此，需要從微元角度分析.室外換熱器截面示意圖，如圖4所示.圖4中：x為截面邊界長度；dx為截面微元長度；Φs為截面太陽能輻射有效吸收量；Φx為x部分的對流換熱量；Φx-dx為x-dx部分的對流換熱量；δ為截面翅片厚度；L為截面翅片寬度；H為截面翅片長度.

為了便于研究，做以下3點假設(shè)：1) 翅片上對流換熱系數(shù)h及導(dǎo)熱系數(shù)λ均為常數(shù)；2) 翅片沿L方向的溫度恒定；3) 翅片表面對流換熱熱阻1/h遠大于導(dǎo)熱熱阻δ/λ，因此，翅片在厚度方向的溫度恒定.

3.2 SIASHP系統(tǒng)的TRNSYS模型

為了更好地模擬太陽輻射影響下的系統(tǒng)性能，利用TRNSYS仿真軟件對SIASHP系統(tǒng)進行仿真.由于TRNSYS軟件中的HVAC Library沒有系統(tǒng)所需求的太陽能空氣能集熱蒸發(fā)器，因此，基于TRNSYS開源的源代碼編程，使用Fortran編輯SIASHP系統(tǒng).

通過該程序可以研究系統(tǒng)在靜態(tài)工況下機組的性能參數(shù).模擬得到機組在靜態(tài)工況下的匹配特性較好；再接入TRNSYS室外天氣參數(shù)，研究系統(tǒng)在受太陽輻射影響下電子膨脹閥的運行特性及機組的動態(tài)匹配特性.SIASHP機組和常規(guī)機組的TRNSYS模型，如圖5所示.

圖5 SIASHP機組和常規(guī)機組的TRNSYS模型Fig.5 TRNSYS model of SIASHP unit and conventional unit

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 模擬驗證

室外機除去壓縮機動力部分的尺寸(長×寬×高)為1.3 m×0.6 m×0.8 m；流體比熱為1.727 1 kJ·(kg·K)-1；集熱器翅片的效率系數(shù)為69.5%；太陽能空氣能集熱蒸發(fā)器中的太陽能選擇吸收膜的發(fā)射率為6%，吸收率為97%；室外機組外殼為透明鋼化玻璃，透明板的可見光透過率為90%，反射率為10%，因此，折射率n=1.925.

圖6 實驗值和模擬值的對比Fig.6 Comparison between experimental and simulation values

冬季工況不同太陽輻射強度下，機組的系統(tǒng)能效比COP表示為

(4)

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，將SIASHP機組COP的實驗值和模擬值進行對比，如圖6所示.圖6中：t為運行時間.

相較于實驗值，模擬值的最大誤差為8.52%，最小誤差為2.70%.由此可以看出，SIASHP機組的模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了建立模型的準確性.

圖7 SIASHP機組和常規(guī)機組的COP對比Fig.7 Comparison of COP between SIASHP unit and conventional unit

4.2 太陽能空氣能熱泵系統(tǒng)性能分析

使用TRNSYS軟件對電子膨脹閥開度進行無級調(diào)節(jié)，計算SIASHP機組的性能系數(shù).

4.2.1 SIASHP機組和常規(guī)機組性能對比 在電子膨脹閥開度為12%時，模擬SIASHP機組和常規(guī)機組，并對其COP進行對比，如圖7所示.

由圖7可知：常規(guī)機組的COP最大值比SIASHP機組低12.4%，并且其COP受室外溫度影響較大；而SIASHP機組的COP隨著室外太陽輻射強度的增大而增大.

4.2.2 SIASHP機組在不同EEV開度下的機組性能 選取2019年11月24日至2019年12月24日之間平均太陽輻射強度最大的一天，即2019年12月15日，通過TBQ-DL型太陽總輻射儀實測太陽輻射強度(I)，結(jié)果如圖8所示.通過TRNSYS軟件進行模擬，得到SIASHP機組的COP隨電子膨脹閥開度(α)的變化，如圖9所示.

圖8 太陽輻射強度隨時間的變化 圖9 SIASHP機組COP隨電子膨脹閥開度的變化 Fig.8 Variation of solar radiation Fig.9 Variation of COP of SIASHP unit with intensity with time opening of electronic expansion valve

由圖8，9可知：SIASHP機組的COP隨著太陽輻射強度的增強而增強，當太陽輻射強度達到最大時，機組能效比最大，當太陽輻射強度減弱時，機組能效比下降；機組COP的最大值由高到低對應(yīng)的EEV開度為52%>48%>56%>44%>40%>60%，在開度為40%～52%的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)，隨著EEV開度的增大，機組COP也隨之升高；相較于開度為40%，EEV開度為52%時機組的COP最大值增大了13.8%，之后隨著開度的增大(52%調(diào)節(jié)至56%時)，機組COP最大值由3.13下降至2.95，下降了6.1%，當EEV開度為60%時，機組COP最大值下降了18.1%.

造成這種現(xiàn)象的原因是在電子膨脹閥開度較小時，隨著開度的增大，SIASHP機組的制熱量增大，功率相對增大，機組的COP也逐漸提高，但由于電子膨脹閥的控制比例帶ζ較小，受控參數(shù)變化靈敏，系統(tǒng)過調(diào)嚴重，導(dǎo)致進入熱泵集熱蒸發(fā)器中的制冷劑流量超出其運行負荷，使制冷劑進入壓縮機中沒有完全氣化，液體或濕蒸汽被吸入壓縮機，導(dǎo)致壓縮機發(fā)生液擊，機組性能下降.

圖10 不同α下兩個機組的COPav對比Fig.10 Comparison of COPav of two units under different α

4.2.3 EEV開度閾值對比 為了探究SIASHP機組和常規(guī)機組運行時EEV開度的閾值，在圖8所示的太陽輻射強度情況下進行模擬，比較不同α下兩個機組的均值COP(COPav)，如圖10所示.

由圖10可知：當α=52%時，SIASHP機組的COPav達到最大，在壓縮機安全運行范圍之內(nèi)，當α達到84%后，機組性能達到穩(wěn)定，可見SIASHP機組的EEV開度閾值為84%；相較于SIASHP機組，常規(guī)機組的EEV開度受室外環(huán)境的影響較小，因此受過熱度的影響較小，其COPav最大值對應(yīng)的EEV開度為60%，在壓縮機安全運行范圍之內(nèi)，當EEV開度為76%時，機組性能達到穩(wěn)定，常規(guī)機組的EEV開度閾值為76%.可見SIASHP機組的EEV調(diào)節(jié)區(qū)間相較于常規(guī)機組提高了12.5%，這是由于SIASHP機組受太陽輻射影響，進入蒸發(fā)器中的制冷劑換熱充分.

4.2.4 EEV開度隨太陽輻射強度的變化 為了探究SIASHP機組和常規(guī)機組運行時EEV開度的變化，在圖8所示的太陽輻射強度情況下進行模擬，研究EEV開度隨太陽輻射強度的變化，如圖11所示.

圖11 EEV開度隨太陽輻射強度的變化Fig.11 Variation of EEV opening with solar radiation intensity

由圖11可知：隨著太陽輻射強度的增大，SIASHP機組的EEV開度逐漸增大，這是因為隨著太陽輻射強度的增大，過熱度逐漸增大，從而使EEV的開度增大；當太陽輻射強度達到350 W·m-2時，SIASHP機組的EEV開度逐漸穩(wěn)定，隨著太陽輻射強度繼續(xù)增大至450 W·m-2后，EEV開度先下降后升高.這是由于太陽輻射增強使蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)壓力增大，制冷劑流速增大，與另一側(cè)換熱時間減少，換熱不充分，造成蒸發(fā)器出口制冷劑溫度下降，過熱度減小，而隨著過熱度的降低，EEV開度也逐漸減小.當換熱充分時，隨著太陽輻射強度的增大，過熱度又逐漸增大，EEV開度也隨之增大.

當SIASHP機組性能不穩(wěn)定時，可以采用自動控制裝置調(diào)節(jié)EEV開度，使其在20%～80%范圍內(nèi)運行，從而使進入壓縮機的制冷劑完全汽化，保證壓縮機安全運行.而常規(guī)機組的EEV開度雖也受過熱度影響，但其過熱度只受室外干球溫度影響，因此，在干球溫度達到峰值后，常規(guī)機組的EEV開度趨于穩(wěn)定.

5 結(jié)論

通過實驗和TRNSYS模擬，對SIASHP機組的EEV運行特性進行研究，得出以下3個結(jié)論.

1) 在室外環(huán)境條件相同的工況下，當EEV開度為52%時，SIASHP機組COP達到最大值，為保證機組高效運行，在EEV調(diào)控過程中，不可一味增大開度，應(yīng)盡量使其保持在臨界值處，且在EEV設(shè)計時，應(yīng)注意會出現(xiàn)的超調(diào)等現(xiàn)象.

2) 受太陽輻射影響，SIASHP機組的EEV調(diào)節(jié)區(qū)間相較于常規(guī)機組提高了12.5%.根據(jù)此特性，在太陽輻射強度為0～450 W·m-2區(qū)間內(nèi)，SIASHP機組的EEV開度較大時，也可保持穩(wěn)定運行而不出現(xiàn)故障.

3) 在太陽輻射強度達到450 W·m-2時，SIASHP機組EEV開度會出現(xiàn)波動，導(dǎo)致機組運行不穩(wěn)定，因此，在太陽輻射強度大于450 W·m-2時，可通過自控檢測太陽輻射強度，自動調(diào)節(jié)EEV開度在20%～80%范圍內(nèi)運行.在設(shè)計機組時，自控裝置應(yīng)綜合過熱度和太陽輻射強度對EEV開度進行調(diào)節(jié)，當太陽輻射強度低于450 W·m-2時，可通過檢測過熱度進行調(diào)節(jié)；當太陽輻射強度大于450 W·m-2時，需檢測太陽輻射強度來調(diào)控EEV開度.