三套管蓄能型熱泵在非常定工況下的實驗

曲德虎，倪 龍，姚 楊，牛福新

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱)

在熱泵空調和制冷行業，一方面全球性氣候變化導致極端天氣頻發，使得設備在高/低溫工況的性能漸受關注;另一方面隨著機組智能化程度的不斷提高，關鍵設備在系統運行中平穩可靠地切換也逐漸成為衡量機組性能的重要因素.文獻［1-2］致力于低溫制冷循環研究，文獻［3］對熱泵的高溫循環進行了研究，文獻［4］在寒冷氣候區對熱泵系統部件做了可靠性探索，文獻［5］對熱泵系統的局部穩定性進行了研究.目前對套管型蓄能換熱系統的研究包括可行性論證及蓄/釋能熱工性能評價，文獻［6］探討了換熱流體入口溫度對PCM融化/凝固特性的影響，文獻［7-10］考察了換熱流體溫度、流量、相變材料層傳熱肋片的數量、幾何尺寸、布置形式等對換熱器熱工性能的影響.在此基礎上，為獲得三套管蓄能型熱泵機組在極端工況運行的策略，避免低能效甚至事故的發生也為驗證機組在運行狀態下可平穩切換換熱器而不造成運行參數的大幅變化，對一臺2HP的三套管蓄能型熱泵樣機在制冷/熱的極端工況下開展了實驗并分別在蓄冷和供熱模式下進行了換熱器的切換實驗.

1 三套管蓄能型熱泵樣機

樣機系統原理見圖1(a).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，完成電力的峰谷轉移［1］;制熱時，蓄能器利用太陽能熱水蓄熱，在需要用熱時作為系統的蒸發器，為用戶供熱［2］.以組織閥門的啟閉調整機組的運行模式，可實現樣機的全年多模式運行.表1列出了樣機的9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)、聯合供冷模式(M-4)、太陽能蓄熱模式(M-5)、蓄能器單獨供熱模式(M-6)、空氣源熱泵單獨供熱模式(M-7)、聯合供熱模式(M-8)、太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9).

樣機選用R22制冷劑及ZR系列柔性渦旋壓縮機.壓縮機額定功率為 1.71 kW，排氣量為5.92 m3/h.所選人字形波紋單連通板式換熱器的片數為38片，總換熱面積為1.68 m2.所選蓄能材料RT5HC的相變溫度為 5～6℃，蓄能密度245 kJ/kg，總用量 10.17 kg.樣機共有 3 組蓄能器，各組蓄能器含3個支路，各支管長6.4 m，單排管長0.8 m;蓄能單元結構見圖1(b).

圖1 樣機原理及其蓄能單元結構示意

表1 樣機運行模式

2 實驗方案

針對樣機在非常定工況下的穩定性及可靠性，建立相應的實驗系統，該系統主要由大焓差試驗臺、數據采集與控制系統以及三套管蓄能型熱泵樣機3部分構成.焓差實驗室依照國家標準GB/T17758—1999《單元式空氣調節機》建造.實驗室包括室外環境室、室內環境室及控制室3部分，實驗原理見圖2，實驗中的測量參數有溫度、壓力、流量、功率及時間，所選實驗儀表列于表2.

圖2 實驗原理

樣機測點布置見圖1(a)，圖中T、P、Q分別代表溫度、壓力和流量測點，V、E、R、S分別代表關斷閥、電磁閥、節流機構及單向閥.在三套管蓄能換熱單元上，沿制冷劑流向每隔0.8 m布置1個PCM溫度測點，共計9個PCM溫度測點;制冷劑出入口、太陽能熱水出入口，分別布置溫度及壓力測點.在三套管蓄能換熱單元的水側管路上設玻璃轉子流量計，每只流量計的實驗流量范圍是40～100 L/h.

分別對蓄冷模式(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)、聯合供冷模式(M-4)、空氣源熱泵單獨供熱模式(M-7)及太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9)在各自的極端工況下進行實驗，并對蓄冷模式下的蓄能器切換(S-1)、蓄能器單獨供熱模式下的蓄能器切換(S-2)、由空氣源熱泵單獨供熱模式到蓄能器單獨供熱模式的切換(S-3)展開實驗.

實驗中，蓄能器單獨/聯合供冷模式的冷凍水回水、制熱模式的冷凝器進水、太陽能熱水分別由實驗室內的冷水箱、冷卻水箱和熱水箱模擬提供.極端工況實驗與切換條件實驗的要求分列于表3、4中.每組實驗重復7次，若7次實驗結果偏差≤5%，數據可信.

表2 實驗儀表

表3 極端工況實驗

表4 切換條件下的實驗

3 實驗結果

3.1 極端工況

制冷工況下，依次運行蓄冷模式(M-1)及聯合供冷模式(M-4)即構成一個蓄冷/聯合供冷周期，其中三套管蓄能器的供冷水流量為40 L/h.圖3反映的聯合供冷特性中，聯合供冷COP指三套管蓄能器與空氣源熱泵的聯合供冷率與壓縮機輸入功率之比.如圖3(a)所示，伴隨室外干球溫度從38℃升至43 ℃，壓縮機輸入功率由2.11 kW增至2.23 kW，聯合供冷率自5.82 kW降至5.42 kW;相較于相同室外干球溫度條件下的空氣源熱泵制冷，制冷COP提高17%.

圖3(b)中，室外氣溫由38℃升至43℃時，冷凍水的供水溫度自5.6℃升至6.4℃，回水溫度自11.8℃升至12.0℃，供水溫度的變化更明顯;期間蓄能器的出水溫度由2.0℃升至3.1℃，進水溫度的細微變化對蓄能器內的換熱產生了明顯影響;反映在PCM平均溫度與均方差方面，即圖3(c)所示，PCM平均溫度自1.9℃升至2.9℃，均方差由1.2℃增至1.9℃;PCM 溫度均方差增大，表明PCM溫度沿冷水流向的分布更為不均勻.

同在制冷工況，依次運行蓄冷模式(M-1)及蓄能器單獨供冷模式(M-2)即構成一個蓄冷/供冷周期.三套管蓄能器的周期制冷COP受室外夜間干球溫度的影響深刻，尤其夜間高溫的極端天氣工況，見圖4.周期制冷COP定義為一個蓄冷/供冷周期內的供冷量與壓縮機輸入電能之比.圖4中，當室外夜間氣溫高于25℃后，周期制冷COP下降明顯;在夜間溫度分別為25、30、35℃的工況，周期制冷COP分別為3.0、1.8 和 1.3.另一方面，空氣源熱泵單獨供冷(M-3)實驗表明，日間室外干球溫度升高導致制冷COP下降，當日間氣溫自30℃升至43℃時，制冷COP由2.9降至2.0，因此當夜間室外氣溫高于25℃后，不推薦次日單獨應用蓄能器供冷.而影響蓄能器周期制冷COP的主因是蓄能器的蓄冷性能.

圖5是蓄能器的蓄冷(M-1)性能，室外夜間干球溫度升高導致壓縮機輸入功率增加、蓄冷時間延長，當室外氣溫從25℃升至30℃時，壓縮機輸入功率由1.41 kW升至1.56 kW(增漲11%)，蓄冷時長自17 min增至26 min(增漲53%)，故而蓄冷耗電量由1 438.2 kJ增至 2 433.6 kJ(增漲 69%);這正是夜間高溫工況蓄能器周期制冷COP低迷的直接原因.

圖3 聯合供冷的運行特性

圖4 蓄冷/供冷周期制冷COP

在三套管蓄能型熱泵的制熱性能方面，較低的室外干球溫度使空氣源熱泵單獨供熱(M-7)的能效低迷.圖6是空氣源熱泵低溫供熱性能，當室外氣溫自-10℃降至-17℃時，空氣源熱泵單獨供熱的制熱率由2.98 kW降至2.33 kW，壓縮機輸入功率自1.42 kW降至1.37 kW.為改善系統的低溫性能，提出了太陽能輔助蓄能器供熱模式(M-9)，該模式下蓄能器是系統中唯一的蒸發器，因此系統的制熱性能與室外環境無關，僅受太陽能熱水溫度/流量的影響.

圖5 蓄冷性能

圖6 空氣源熱泵低溫供熱性能

圖7是太陽能輔助蓄能器供熱(M-9)的性能，圖7(a)中，提高太陽能熱水溫度或增加太陽能熱水流量均可提升制熱率及制熱COP;而壓縮機輸入功率受太陽能熱水溫度/流量的影響不明顯，其值穩定在1.27 kW左右;在太陽能熱水溫度28℃，流量300 L/h的工況，系統制熱率及制熱COP 分別為3.58 kW 和2.8.圖7(b)中，蒸發溫度及穩定后的PCM溫度皆隨太陽能熱水溫度/流量的增加而升高;太陽能熱水流量為300 L/h時，若太陽能熱水溫度自8℃升至28℃，蒸發溫度將由-8.2℃升至-2.8℃;同時穩定后的PCM平均溫度將由3.6℃升至16.8 ℃.

圖7 太陽能輔助三套管蓄能器的供熱性能

3.2 切換實驗

圖8反映了切換實驗中的系統響應特性，切換時刻為圖中時間軸0點.圖8(a)是蓄冷過程中切換蓄能器(S-1)的系統響應.吸氣壓力在切換后120 s內升高29%，在420 s內逐漸回落;排氣壓力在切換后120 s內升高3%，在420 s內平復;壓縮機輸入功率在切換瞬間升高6%，60 s后恢復正常.

圖8 切換條件下的系統響應

圖8(b)是蓄能器單獨供熱時切換蓄能器(S-2)的系統響應.吸/排氣壓力在切換后120 s內均升高0.06 MPa，隨后緩慢下降并在240 s內穩定;供熱溫度的變化滯后60 s，上升幅度為4%，回水溫度的變化滯后120 s，上升幅度為2%;壓縮機輸入功率在切換瞬間增大0.04 kW，72 s后恢復常值.

圖8(c)是由空氣源熱泵單獨供熱模式切換到蓄能器單獨供熱模式的實驗(S-3)情況.吸氣壓力在切換后 60 s內升高 0.2 MPa，120 s后平復;排氣壓力在切換后60 s內升高0.1 MPa，60 s后平復;供熱溫度的變化滯后60 s，升高幅度為5%;回水溫度升溫較慢，漲幅小于3%，持續180 s并隨即穩定;壓縮機輸入功率在切換瞬間升高0.14 kW，后于120 s內逐漸回落并最終穩定在1.68 kW，變化幅度小于9%.

4 結論

1)室外干球溫度為38～43℃時，三套管蓄能器與空氣源熱泵聯合供冷 COP為2.8～2.4，相較于同等條件下的空氣源熱泵單獨供冷COP高出17%，且室外氣溫對聯合供冷率的影響較小.

2)三套管蓄能器的蓄冷/供冷周期COP受室外夜間干球溫度的影響明顯，尤其在夜間氣溫較高時(例如本實驗中30、35℃的工況)，次日不推薦單獨應用蓄能器供冷.

3)壓縮機輸入功率與蓄冷時長皆隨室外夜間干球溫度的升高而增大，這是造成三套管蓄能器周期制冷COP隨夜間室外氣溫升高而降低的直接原因.

4)室外干球溫度為-17～-10℃時，空氣源熱泵單獨供熱的COP在1.7～2.1;而太陽能輔助三套管蓄能器供熱的COP與室外溫度無關，僅隨太陽能熱水溫度/流量的增加而增加;在太陽能熱水溫度為28℃，流量為300 L/h的工況，太陽能輔助三套管蓄能器供熱的COP為2.8.

5)三套管蓄能型熱泵在運行中切換換熱器造成壓縮機輸入功率、運行壓力及供熱溫度(在制熱模式下)的波動，然變化幅度不大，均于420 s內恢復穩定，由此判斷樣機運行中的切換實驗性能可靠.

［1］秦海杰，于世濤，劉景林.半封閉活塞式制冷壓縮機低溫工況應用R404A的實驗研究［J］.制冷學報，2007，28(4):26-32.

［2］申江，李園園.低環溫空氣源熱泵系統的試驗研究［J］.工程熱物理學報，2008，29(6):943-946.

［3］潘利生，王懷信.帶經濟器的兩級壓縮式熱泵系統中高溫工況循環性能理論研究［J］.太陽能學報，2012，33(11):1908-1913.

［4］MINEA V.Experimental investigation of the reliability of residential standing column heat pump systems without bleed in cold climates ［J］. Applied Thermal Engineering，2013，52(1):230-243.

［5］WU Xiaohui，CHEN Lingen，GE Yanlin.Local stability of an endoreversible heat pump with linear phenomenological heattransferlaw working in an ecological regime［J］.Scientia Iranica，2012，19(6):1519-1525.

［6］ HOSSEINI M J，RAHIMI M，BAHRAMPOURY R.Experimental and computational evolution of a shell and tube heat exchanger as a PCM thermal storage system［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2014，50:128-136.

［7］AL-ABIDI A A，MAT S，SOPIAN K，et al.Numerical study of PCM solidification in a triplex tube heat exchangerwith internaland externalfins ［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，61:684-695.

［8］AL-ABIDI A A，MAT S，SOPIAN K，et al.Experimental study of PCM melting in triplex tube thermal energy storage for liquid desiccant air conditioning system ［J］.Energy and Buildings，2013，60:270-279.

［9］AL-ABIDI A A，MAT S，SOPIAN K，et al.Experimental study of melting and solidification of PCM in a triplex tube heat exchanger with fins［J］.Energy and Buildings，2014，68:33-41.

［10］MAT S，AL-ABIDI A A，SOPIAN K，et al.Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal-external fins［J］.Energy Conversion and Management，2013，74:223-236.

［11］NIU Fuxin，NI Long，YAO Yang，et al.Cool storage performance of integrated heat pump system with triplesleeve energy storage exchanger［C］ //Proceedings of 2011 2nd International Conference on Advances in Energy Engineering.Bangkok，Thailand:Asia Pacific Human-Computer Interaction Research Center，2012:1896-1902.

［12］NIU Fuxin，NI Long，YAO Yang，et al.Performance and thermal charging/discharging features of a phase change material assisted heat pump system in heating mode［J］.Applied Thermal Engineering，2013，58(1/2):536-541.