熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置的實驗研究

(北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124)

自2013年初，我國大面積遭遇了不同程度的霧霾天氣。京津冀多個城市PM2.5的來源解析結果表明，燃煤排放出的多種污染物是形成PM2.5污染的主要來源。加快郊區及城市上風口的農村地區采暖“煤改電”工程建設，是實現空氣治理行動計劃目標的重要措施[1]。目前“煤改電”主流家用采暖設備為小型空氣源熱泵和分體式風冷熱泵型空調器。家用小型空氣源熱泵采用蒸氣壓縮式熱泵加水循環，通過水泵將熱量輸送到室內，此種設計需對熱泵系統和水系統協調準確控制，系統構造復雜，安裝和檢修困難較大，同時須著重考慮冬季運行安全及水路的防凍問題。普通風冷熱泵型分體式空調用風機供熱，產生的熱空氣從上至下循環，不符合供暖的空氣動力學及熱力學原理，長時間運行后換熱器內積累塵土和有害細菌并產生異味，對人體健康造成損害[2]。

熱管是一種高效的兩相傳熱裝置，與常規散熱器相比熱管散熱器的傳熱性能更好。國外對于將熱泵與高效率傳熱熱管相結合也有相關研究。N. Chotivisarut等[3-4]采用熱管散熱器將水箱里的熱量抽出冷卻熱水。Zhang Xingxing等[5]將熱管應用于太陽能換熱裝置，結果表明性能系數比傳統換熱器提高了1.5～4倍。H. Lim等[6]將熱管應用于地源熱泵的蒸發器端，蒸發器置于熱管散熱器內，結果表明：與普通直接膨脹式相比性能系數提高10.3%；與復合回路換熱型式相比性能系數提高21.1%。C. Sebarchievici等[7-8]將熱管應用于地源熱泵，通過熱管復合的地板將熱量供給辦公室。

本文提出的熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置，結合了熱泵與熱管的優勢，解決了現有空氣源熱泵安裝困難、用戶體驗差、供熱速度慢和供暖效率低的問題，提高了整個熱泵系統的舒適度、供熱速度和運行效率。

1 系統原理

熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置如圖1所示。系統包括熱泵和熱管散熱器兩部分，熱泵由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器組成；熱管散熱器由多個熱管組成，通過集液管連接并與熱泵的冷凝器隔離焊接。工作過程為：壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體通過冷凝盤管與熱管散熱器中的工質換熱，冷凝后的制冷劑液體經節流后進入蒸發器，在蒸發器中蒸發吸熱，蒸發后的制冷劑氣體回到壓縮機。熱管散熱器中的工質吸熱后熱管啟動，通過輻射和自然對流將熱量傳遞給室內。

圖1 熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置Fig.1 The heat pipe radiation heating device driven by heat pump

2 熱力學分析模型

2.1 熱泵工作過程

熱管散熱器輸出的熱量由熱泵提供，熱管散熱器表面和室內環境的溫差驅動散熱器向室內散熱。

制熱量Q：

Q=m(h2-h3)

(1)

式中：m為制冷劑質量流量，kg/s；h2、h3分別為圖1中2、3點處的焓值，kJ/kg。

制熱COP:

(2)

式中：P為壓縮機的輸入功率，kW。

2.2 輻射和自然對流換熱

熱管散熱器和室內空間的換熱主要包括輻射和自然對流兩部分，熱管散熱器通過自然對流與房間的換熱量為[9-12]：

Qc=hcA(ts-troom)

(3)

式中：Qc為熱管散熱器通過自然對流與空間的換熱量，kW；A為熱管散熱器的表面積，m2；hc為表面傳熱系數，W/(m2·℃)；ts為熱管散熱器表面溫度，℃；troom為房間溫度，℃。

hc由以下公式決定[13]：

湍流：hc=1.31(θ)0.33

(4)

(5)

流體流動特性(湍流或層流)可以由兩個無量綱數(格拉曉夫數和普朗特數)決定：

層流：104

(6)

湍流：109

(7)

普朗特數可從經驗表達式中得到[14]：

Pr=0.680 +4.69×107(tk+540)2

(8)

(9)

(10)

式中：β為流體體積膨脹系數；g為重力加速度，m/s2；l為特征長度(散熱器高)，m；θ為散熱器表面和室內空氣的溫差，℃；v為運動黏度，m2/s。

熱管散熱器通過輻射與房間換熱的換熱量為[15]:

(11)

式中：ε取0.9；σ為5.670 3×10-8W/(m2·K4)；A為散熱器表面積，m2；ts為熱管散熱器表面溫度，℃[16]。

根據式(3)～式(11)，設計了一種全新的用于室內加熱的熱管散熱器(適用于1 HP壓縮機)，結構如圖1(b)所示。結構特征：U型熱管并排連接在集液管上，U型管表面焊接平板翅片，起固定U型管和增加散熱面積的作用，熱泵的冷凝器插入底部集液管，冷凝熱傳遞給熱管散熱器內的液體工質。結構尺寸如表1所示。

表1 熱管散熱器的主要結構尺寸Tab.1 Main structural dimension of heat pipe radiator

3 實驗裝置與測試

熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置安裝在在焓差室進行實驗，室內側和室外側均可提供特定的空氣溫度和濕度，室內、室外側送風由頂部通過均流孔向下均勻送至房間內。實驗原理如圖2所示。

P壓力測點；T溫度測點。圖2 熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置實驗原理Fig.2 Experimental principle of heat pump driven heat pipe radiation heating device

為更好的評價系統性能，本實驗對其主要部位的溫度傳感器、壓力傳感器及冷卻水流量計、壓縮機功率計、量熱器功率計等儀表進行了標定，主要實驗儀器參數如表2所示。

表2 主要實驗儀器Tab.2 The parameter of main experiment sensors

4 實驗結果與分析

在室內溫度為18～22 ℃，室外溫度為-15～0 ℃的工況下，Pt100的測量精度為±0.15 ℃，熱泵工質為R22時，分別研究了熱管散熱器充注R22、R32、R410A和R134a時的熱管表面溫度分布、制熱量、制熱COP等性能參數。

圖3所示為系統啟動過程熱管散熱器表面溫度分布。當室外溫度為-5 ℃，室內溫度為20 ℃時，熱泵冷凝溫度在30 min內從20 ℃升至40 ℃。隨著熱泵冷凝器溫度的升高，熱管散熱器表面溫度持續上升，熱管表面溫度與熱泵冷凝溫度之間的溫度梯度在30 min內逐漸減小并趨于穩定。穩定狀態下冷凝溫度與熱管表面的溫差僅為1～1.5 ℃。因為冷凝器和熱管蒸發段僅通過銅管壁面傳熱，傳熱熱阻非常小而傳熱面積相對較大。

圖3 系統啟動過程熱管散熱器表面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of heat pipe radiator surface at starting process

圖4所示為在環境溫度分別為-15、-10、-5、0 ℃時，熱管散熱器表面的溫度分布狀況(t1～t15為均勻分布在熱管散熱器表面的15個溫度測點的溫度)。由圖4可以看出，環境溫度越低，熱管散熱器表面溫度越低。在同一環境溫度下，散熱器表面溫度最大和最小值之間溫差小于1 ℃。表明熱管散熱器具有良好的表面溫度分布均勻性，能有效地向周圍環境輻射熱量。

圖4 不同環境溫度下熱管散熱器表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of heat pipe radiator surface under different temperature

圖5所示為不同充注比率下系統的制熱性能變化。充注比率定義為充注液體工質體積與熱管散熱器內部總容積的比值。圖6所示為最佳充注比率下各工質制熱COP。由圖5和圖6可知，當工質為R32和R410A時系統可得到較高的制熱量和制熱COP。R32的制熱COP比R134a高約2.7%。系統制熱量和制熱COP隨工質充注比率的增大先升高后降低，R32的最佳充注比率為14%，R410A、R22和R134a的最佳充注比率為10%。在最佳充注比率下，R32獲得系統最高的制熱COP。

圖5 熱管散熱器充注比率不同時系統的制熱性能變化Fig.5 The variation of heating performance with different working fluid charge ratio

圖7所示為當室外溫度to分別為-15、-10、-5、0 ℃，室內溫度ti為18～22 ℃時，熱管按最佳充注比率充注R32時系統制熱COP的變化。由圖7可以看出系統制熱COP隨環境溫度的升高而升高，在室外溫度相同時，系統制熱COP隨室內溫度的升高而降低。

圖6 最佳充注比率下各工質制熱COPFig.6 The variation of heating COP under optimal working fluid charge ratio

圖7 不同工況下熱管散熱器按最佳充注比率充注R32時系統制熱COPFig.7 The variation of heating COP with optimum mass filling ratio of R32 of heat pipe radiator under different condition

5 結論

本文提出了熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置的循環原理，搭建了空氣源熱泵和熱管散熱器相結合的實驗裝置，通過實驗研究工質種類和工質充注比率對熱管散熱器的工作性能的影響，不同工況下系統的制熱量和制熱COP的變化，得到以下結論：

1)熱泵驅動熱管式輻射供熱裝置啟動過程快，常溫下30 min內達到穩定運行狀態。

2)熱管散熱器表面溫度分布均勻，最大表面溫度和最小表面溫度差小于1 ℃。

3)熱管散熱器充注R32時可得到最高的制熱量和制熱COP。系統的制熱COP隨充注比率呈先增大后減小的趨勢，最佳充注比率為0.1。

4)熱泵冷凝溫度和熱管表面溫度的溫差為1～1.5 ℃。

5)當室內溫度為22 ℃，室外溫度為-15～0 ℃時，制熱COP可分別達到2.55和4.1。

本文受北京市教委科技計劃項目(SQKM201810005011)和2017年度北京市優秀人才培養資助項目(2017000026833TD02)資助。(The project was supported by the Science and Technology Plan Project of Beijing(No.SQKM201810005011)and 2017 Beijing Excellent Talent Training Fund (No. 2017000026833TD02).)