帶有蓄熱型直接冷凝式加熱板的空氣源熱泵系統性能研究

邵索拉，張歡，由世俊，鄭萬冬

（天津大學環境科學與工程學院，天津300350）

引 言

空氣源熱泵以其節能方便、運行成本低等優點被廣泛應用于冬季供暖中[1-2]。自20 世紀50 年代以來，學者們對不同末端的空氣源熱泵供熱系統進行了大量研究[3]。分體空調作為最傳統的供暖末端之一，對室內動態熱負荷有很好的適應性[4]，但其室內風機引起的垂直溫度梯度、吹風感和噪聲降低了該系統的舒適性[5]。

針對上述問題，許多學者提出了將各類舒適性更高的供暖末端（如散熱器、地板輻射末端等）與空氣源熱泵系統集成，以降低供熱能耗、提高空氣源熱泵供暖系統的舒適性[6]。Asaee 等[7]將空氣源熱泵系統與散熱器相結合，使能耗降低了36%。Lee 等[8]將空氣源熱泵系統的散熱末端表面積增大，使其對流換熱能力提高1.62 倍。Werner-Juszczuk 等[9]將高反射率材料應用于散熱器，以提高系統供暖效率。目前散熱器主要使用熱水作為供暖介質，熱泵供暖時，制冷劑須先將熱量傳遞給水，水再將熱量傳遞給空氣，二次換熱在很大程度上降低了熱泵能效[10]。Xu 等[11]將熱管與冷凝器結合，形成了一種新型的直接冷凝式供熱裝置。實驗結果表明，該裝置降低了冷凝器的熱阻，提高了系統的熱性能，加熱系數在2.55～4.1 之間。Dong 等[12]提出了另一種直接冷凝式供暖終端，引入風機來強化強制對流，以提高室內傳熱效率。

根據空氣源熱泵系統加熱末端的研究現狀，本文提出了一種新型蓄熱型直接冷凝式加熱板（RHP），并將RHP 與空氣源熱泵系統進行耦合向冬季室內供暖，并在天津地區進行了實驗。根據實驗結果分析了RHP熱性能、帶有RHP的空氣源熱泵系統的運行特性和系統經濟性。結果表明，該系統有利于在缺乏集中供熱的地區推廣空氣源熱泵系統。

1 實驗系統

實驗于天津市的冬季采暖期內進行，室外氣溫在0～14.3℃之間，實驗為期15 d。實驗地點如圖1所示，帶有RHP 的空氣源熱泵系統的測試小室A 室尺寸為4 m×4 m×2.8 m（長×寬×高）。

圖1 A室所在地結構分布Fig.1 Schematic diagram of testing room A

1.1 蓄熱型直接冷凝式加熱板

圖2 為RHP 結構圖。RHP 面板采用鍍鋅鋼，整體尺寸為2.5 m×1.2 m×1 cm（長×高×厚）。蛇形盤置2 根銅管，每根銅管長25 m，直徑為6.35 mm。銅管與鋼板之間填充總質量為5.25 kg 的相變材料，相變材料由月桂酸（30%）、十四醇（28%）、十六醇（37%）和石墨（5%）組成，相變溫度為28℃，相變焓差為170 J/g。

圖2 RHP結構圖Fig.2 Schematic diagram of RHP

1.2 帶有RHP的新型空氣源熱泵系統

圖3為帶有RHP的空氣源熱泵系統和數據采集設備示意圖，如圖所示，一臺帶有渦旋式壓縮機的AM030熱泵機組、制冷劑R410A以及兩塊RHP為該供暖系統的主要組成部分，其中熱泵機組名義供熱量和制冷量分別為9.3 kW 和8.0 kW。為了與RHP匹配供暖并獲得不同冷凝溫度下的系統性能，將三組不同的電子控制器應用于系統中。電子控制器可設定系統目標冷凝壓力，從而控制壓縮機頻率，每個電子控制器有高、中、低三個調節檔位來控制供熱系統冷凝壓力。初始運行時，壓縮機高頻運轉，通過電子控制器調節，壓縮機降速運行，當系統冷凝壓力達到設定的目標壓力后，壓縮機將保持定頻運轉。利用不同的電子控制器，實驗可設定9 種不同的目標壓力，不同目標壓力以及相應冷凝溫度如表1所示。

圖3 帶有RHP的新型空氣源熱泵系統Fig.3 Schematic diagram of the ASHP heating system with RHP

表1 3種電子控制器下的冷凝壓力與相應溫度Table 1 Condensation pressure and corresponding condensation temperature under three electronic controllers

在供暖模式下，壓縮機產生的高溫高壓制冷劑氣體將通過連接銅管進入2塊并聯的RHP。在RHP加熱銅管內散熱后，過冷的制冷劑液體通過節流閥流向室外換熱器吸熱，蒸發后重新進入壓縮機壓縮，如此反復循環供暖。

1.3 測點分布

圖4 為實驗測點分布，實驗依據國家標準JG/T 403—2013 進行。用T 型熱電偶測量RHP 的進出口溫度，用溫濕度計測量室外參數，用Coriolis 質量流量計測量系統制冷劑流量。如圖4（a）所示，室內參考溫度為點1，點1位于測試小室中心，離地0.75 m。測點2～8用于測量房間圍護結構平均表面溫度。如圖4（b）所示，RHP 表面設置了20 個溫度測點，以測試其熱性能。

圖4 測點分布Fig.4 Measuring points distribution

室外環境測點布置在走廊和室外，通過智能數據采集裝置收集到的數據存儲在計算機中。為保證測試數據的有效性，對實驗數據進行誤差分析。實驗誤差主要分為系統誤差、粗大誤差和隨機誤差三類。本文通過計算由實驗儀器精度引起的系統誤差以及測試中無法通過改進實驗方法來消除的隨機誤差對測試數據進行誤差分析。

具體測量裝置及測量精度如表2 所示，而實驗中直接測量的溫度、壓力、流量參數的隨機誤差可通過貝塞爾公式計算，如式（1）所示：

式中，σx為標準誤差；n 為測試次數；x 表示直接測量參數。

實驗中熱容量、COP 等間接測量值的誤差由與其有函數關系的直接測量值的誤差的方和根求得[13]，具體計算公式如下：

式中，σf表示間接測量誤差；σxi為相關直接測量值的標準誤差；m 為直接測量值個數。根據表2 測量裝置精度以及式(1)～式(2)計算的直接和間接測量值的不確定度如表3所示。

表2 測量裝置及精度Table 2 Information of the measured equipment

表3 直接和間接測量值的不確定度Table 3 Uncertainties of direct and indirect measurements

2 數據處理

本文從熱質守恒角度，詳細分析了采用RHP 的空氣源熱泵系統供熱量和能效。

系統供熱量的計算公式為：

式中，Qcon為RHPs 的制熱量，W；hcon-in和hcon-out分別為RHP 中進、出口制冷劑焓值,kg/kJ；G 為總制冷劑流量，kg/h。

RHP的自然對流換熱量計算公式如下[14]：

式中，Qnc為自然對流換熱量，W；A 為RHP 表面積，m2；α 為對流傳熱系數，W/(m2·K)；Ts、Tn分別為板面平均溫度和室內基準溫度，℃；Nu為Nusselt數；Gr為Grashof數；Pr為Prandtl數。

RHP的輻射換熱量計算公式如下：

式中，Qr為輻射換熱量，W；ε 為RHP 的表面發射率，文中取0.95；Ai表示各個圍護結構面積，m2；Ti表示各圍護結構平均溫度，℃。

RHP 總蓄熱量由儲存在鍍鋅鋼板中和PCM 中的熱量組成：

式中，Qs、Qss、Qsh分別為加熱板的總蓄熱量、顯熱蓄熱量和相變蓄熱量，J；Cs、Cst分別為相變材料和鍍鋅鋼板的比熱容，J/(kg·℃)；ms、mst分別為相變材料和鍍鋅鋼板的質量，kg；Δtss、Δtst分別為相變材料和鍍鋅鋼板初始溫度與穩定狀態下的溫度差值，℃；Δh為相變材料的相變焓值，J/g。

空氣源熱泵供熱工況下的COP為：

式中，Wcom為壓縮機輸入功，W。

3 實驗結果分析

3.1 分析測試儀器

在穩定供暖工況下，由于RHP 中管道阻力損失較小導致RHP 中的冷凝壓力幾乎恒定，由于過熱和過冷過程導致制冷劑溫度在RHP 中是變化的。本文涉及的冷凝溫度都是由冷凝壓力計算的。

實驗以目標冷凝壓力24 bar、冷凝溫度39℃、室外空氣溫度8℃、室內空氣溫度17.5℃的供暖工況為典型供熱工況。根據20個溫度測點，利用數據邊界的等值線方法繪制了典型供熱工況下的RHP 的表面溫度分布。如圖5 所示，由于RHP 中間部分是兩個銅管的供給和回流區域，最大表面溫度出現在內置加熱管的中間位置而不是在面板的中部。根據表面溫度變化，RHP 面板分為四個區域，相鄰區域之間的溫度梯度在1.1～1.9℃之間變化。在典型供暖工況下，介于34.5～37.5℃之間的表面溫度面積占總表面積的67%，RHP 表面平均溫度與冷凝溫度的溫差為4.4℃。

圖5 典型供熱工況下RHP溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the RHP at the typical heating condition

如圖6 所示，當目標壓力從21 bar 增加到30 bar時，相應冷凝溫度從34℃上升到49℃。隨著冷凝溫度升高，管內冷凝換熱增強，管內各層溫差相應增大，冷凝溫度和RHP表面平均溫度之差從0.5℃增加到6.9℃。RHP 表面溫度差異從4.7℃增加到7.7℃。與其他輻射供暖裝置相比，制冷劑與裝置表面的溫差降低了6 ～14℃[15-16]，證明了該RHP具有較好的傳熱性能。

圖6 九個目標壓力下RHP表面溫度變化Fig.6 Surface temperature differences of the RHP in nine target pressures

圖7顯示了在典型供暖工況下RHP的自然對流熱容量、輻射對流熱容量、總熱容量以及蓄熱介質累積熱量的變化。相變材料在17 min 內達到相變溫度（28℃），蓄熱量達到969 kJ，然后緩慢增加，在18 min 內保持在1072 kJ。另一方面，制冷劑的加熱能力在前10 min 急劇上升，然后在后25 min 下降。啟動35 min 后，RHP 的供熱能力保持穩定，輻射供熱和自然對流供熱分別維持在596 W 和364 W 左右。在穩定階段，輻射供熱量與自然對流供熱量的平均比值約為1.64。同時，由于穩定期內流量的輕微波動，制冷劑的熱容量在984～1130 W 變化，由于流量、溫度的測量誤差以及2 塊并聯RHP 中總制冷劑流量分配的輕微差異，使得制冷劑總熱容量與計算的輻射換熱以及自然對流熱容量之和存在8%的誤差。RHP 與空氣接觸表面積為3 m2，在典型供暖工況下，RHP的平均熱通量為348 W/m2。

圖7 典型供暖工況下RHP供熱能力隨時間的變化Fig.7 Time-variations of the heating capacities for RHP at the typical heating condition

圖8 和圖9 顯示了不同室外氣溫和冷凝溫度對RHP熱通量的影響。加熱條件在24 bar的相同目標壓力下進行，冷凝溫度保持在圖8 中的39℃。隨著室外氣溫從6.2℃上升到14.3℃，蒸發溫度從0.4℃上升到8.4℃，室內參考溫度從16.5℃上升到20.8℃。在相同的冷凝溫度下，室外氣溫的升高降低了室內熱負荷，降低了制冷劑流量。因此，隨著室外氣溫升高，總熱通量從372.2 W/m2下降到279.5 W/m2，輻射熱通量從210.4 W/m2下降到166.4 W/m2。在39℃冷凝溫度下，室外氣溫每升高一度，輻射和自然對流熱通量平均下降5.4 和5.1 W/m2。如圖9 所示，在(8 ± 0.5)℃的室外氣溫下進行實驗。當冷凝溫度從37℃升高到49℃時，室內參考溫度從17℃升高到19.8℃。熱通量的變化趨勢與冷凝溫度的變化趨勢相似。在實驗中，冷凝溫度每升高一度，輻射和自然對流熱通量的平均上升率分別為7.7和4.9 W/m2。同時，隨著冷凝溫度從37℃升高到59℃，RHP 的總蓄熱量從1066 kJ 變化到1205 kJ，而一次除霜工況下所需熱量一般在908.3 kJ 左右[17]，RHP 中蓄熱量可用于除霜工況，從而有效避免除霜環節從室內空氣吸熱[18]。

圖8 室外氣溫對RHP熱性能的影響Fig.8 Effects of outdoor air temperature on the thermal performance of the RHP

圖9 冷凝溫度對RHP熱性能的影響Fig.9 Effects of condensation temperature on the thermal performance of the RHP

3.2 熱泵系統運行特性

本文以典型供熱工況為例，對系統的供熱性能進行了研究。如圖10所示，整個供暖工況分為啟動和穩定兩階段。在啟動階段，壓縮機頻率從0 Hz 升高到近100 Hz，系統流量也隨之在300 s內急劇增加到80.43 kg/h，通過電子控制器的調節，壓縮機轉速降低，流量也隨之下降，當系統壓力達到目標壓力后，壓縮機頻率逐漸穩定，系統流量也逐漸穩定。在系統運行35 min 后，供暖工況進入穩定階段，系統各溫度參數呈現輕微波動，冷凝溫度穩定在39℃，室內溫度穩定在17.5℃，室內墻體平均溫度穩定在15.8℃，系統各溫度參數的波動范圍約為±(0.1～0.3)℃。制冷劑流量穩定在35.79～37.62 kg/h之間，平均值為36.76 kg/h。與其他熱泵供暖系統[19-20]相比，帶有RHP 的空氣源熱泵系統的各溫度指標在穩定階段波動小，基本符合規范±0.2℃的波動要求[21]，證明了該系統在冬季供暖中具有較高的可靠性。

圖10 帶有RHP的空氣源熱泵系統在典型供熱工況下的運行參數變化Fig.10 Operating characteristics of the ASHP system with RHPs at the typical heating condition

對于空氣源熱泵供暖系統，結霜現象是不可避免的，尤其是在溫度為-7～5℃、相對濕度大于65%的環境空氣中[22]。如圖11 所示，所述系統的結霜和除霜條件發生在干球溫度2.0℃和濕球溫度1.5℃時。結霜過程由圖11 中虛線1'～3'反映，而除霜過程由實線1～3表示。環境空氣中的水分首先在進口銅管和室外換熱器底部結晶成霜，然后在結霜過程中霜層逐漸積聚并擴散到整個管內。在除霜過程中，換熱器頂部和管道出口處的霜層則會率先融化。

圖11 熱泵系統結霜和除霜過程Fig.11 The real scene of the frosting and defrosting process

該系統的典型除霜工況持續時間約為210 s。圖12 顯示了除霜工況下，蒸發溫度、冷凝溫度和系統流量的變化。整個除霜過程可大致分為三個階段。各階段霜層消散趨勢與圖11 中除霜過程1～3一致。在第1 階段，室外換熱器和RHP 的壓力因壓縮機轉速降低而迅速接近，從而使冷凝溫度和蒸發溫度亦迅速接近，流量也從44.68 kg/h 下降到19.15 kg/h。到1 階段后期，四通閥轉向，壓縮機繼續低速運行，流量穩定在15.96 kg/h，室外換熱器溫度略高于RHP。在壓縮機低速運行48 s 后，系統進入第2階段，此時壓縮機轉速加快，制冷劑流量在1 min 內增加到49.83 kg/h。蒸發溫度高于冷凝溫度，系統吸收室內RHP 蓄存的熱量進行除霜。在2 階段結束時，室外換熱器結霜現象基本消失。第3階段時，壓縮機停止運行，冷凝和蒸發溫度趨于一致。當室外換熱器的霜被完全清除后，四通閥再次換向，壓縮機在第250 s重新啟動。在除霜過程中，室內空氣溫度和非加熱壁面溫度分別保持在(18.0 ± 0.2)℃和(16.3±0.1)℃。RHP最低表面溫度為25.9℃，比室內空氣溫度高7.9℃。結果表明，該系統可以在保證除霜工況下，維持室內的熱舒適性。

圖12 帶有RHP的空氣源熱泵系統在除霜工況下的運行參數變化Fig.12 Operating characteristics of the ASHP system with RHP under the defrosting condition

不同冷凝溫度下系統COP的變化如圖13所示。室外氣溫維持在(8±0.5)℃，當冷凝溫度從37℃增加到49℃時，系統COP 從3.7 下降到2.2，而系統的供熱能力隨冷凝溫度的升高而增加，由1.96 kW 上升到2.93 kW，平均增長率接近82.1 W/K，同時壓縮機輸入功率增長率為65.0 W/K。

圖13 不同冷凝溫度下系統的COP和熱容量Fig.13 System COP and heating capacity in different condensation temperatures

3.3 系統經濟性分析

本文根據系統的初始資本成本（ICC）和年運行成本進行經濟性分析。系統的初始資本成本（ICC）由各個部件的市場價格、增值稅（VAT）、勞動力成本（LC）組成。如表4所示，對于中、美、日三國的20 m2居住房間而言，采用帶有RHP 的新型熱泵供暖的ICC分別為3623.9、5575.3和3174.7 CNY。

FYC 與ICC 和資本回收系數（CRF）相關，而CRF 與供暖系統的壽命（y）和年利率（r）相關，關系式為：

表4 中、美、日三國20 m2居住房間供熱系統的初始資本成本Table 4 ICC of the proposed heating system for residential heating in China，America and Japan（per 20 m2 heating room）

假設y為15 a，r為10%。

根據殘值和償債基金系數，得到資產支持價值。假設S 為ICC 的20%，SFF 與y 和r 相關。關系如下：

根據熱泵制造商信息，AMC 假定為FYC 的12%。系統的ARC 可根據年用電量（Ela）和電費（Cele）計算：

美國、日本和中國的居民供暖年用電量分別為49.5、61 和15.6 kW·h/(m2·a)[25]，Cele分別為0.73、1.28和0.50 CNY/(kW·h)[29-30]。

根據表4 和表5 的計算，帶有RHP 的空氣源熱泵系統的ICC 和AC 分別為3174.7 CNY 和510.7 CNY。由于各國的室內熱負荷指標不同，該系統在不同國家的投資將有所不同。與其他傳統供熱系統相比（表6），在我國冬季供暖中，該系統初投資遠小于其他供暖系統，年運行成本以及年維修成本和為205.9 CNY，小于燃氣/燃煤鍋爐供暖的運行成本。綜合比較，該系統初投資小，運行成本較低，在我國建筑冬季供暖中具有較強的經濟性競爭力。

表5 中、美、日三國新型熱泵系統的年度成本（20 m2供熱房間）Table 5 The annual cost for the ASHP system with RHPs in China，America and Japan（per 20 m2 heating room）

表6 本文系統與其他供暖系統在初投資和運行成本的對比Table 6 Comparison of the proposed system with other heating systems in terms of ICC and running cost

4 結 論

本文提出了一種用于空氣源熱泵的新型制冷劑加熱板（RHP），并對其熱性能、能效以及經濟性進行了實驗研究，主要結論如下。

(1)RHP 熱阻小，傳熱性能較好，當冷凝溫度從34℃上升到49℃，制冷劑和面板表面之間的溫差從0.5℃增加到6.9℃，小于其他地板輻射采暖設備的溫差。

采用Labview編寫機器人上位機，利用Labview串口讀取與寫入函數，配置布爾控件，每當某布爾按鈕按下，觸發該按鈕所對應字符的寫入操作，將控制信號流入串口設備，完成一次控制指令.當串口設備接受到數據時，數據流首先流向上位機串口讀取函數，并將字符進行處理后打印到波形輸出控件.

(2) 在典型供熱工況下，RHP 的平均熱通量為348 W/m2，輻射熱容量與自然對流熱容量的平均比值約為1.64。同時RHP中的蓄熱量超1000 kJ，可為除霜工況提供熱量，避免除霜環節從室內吸熱。

(3)該系統在冬季供暖過程運行可靠，系統達到穩定階段速度較快，在運行35 min 后可持續穩定供暖。該系統的除霜工況持續約為210 s，在除霜過程中，RHP 表面溫度始終高于室內氣溫，可較好地維持除霜工況下的室內熱舒適性。

(4)系統效率隨冷凝溫度的升高而降低，COP 從3.7下降到2.2。

(5)基于帶有RHP 的空氣源熱泵系統的經濟性分析，一個20 m2的居住房間的供暖初始資本成本為3174.7 CNY，年度成本為510.7 CNY，與其他傳統供暖系統相比，該系統的經濟性較高。

符 號 說 明

A，Ai——分別為RHP表面積、各個圍護結構面積，m2

Cs，Cst——分別為相變材料比熱容、鍍鋅鋼板的比熱容，J/(kg·℃)

G——制冷劑流量，kg/h

Gr——Grashof數

hcon-in,hcon-out——分別為RHP中進出口制冷劑焓值，kg/kJ

Δh——相變焓值，J/g

ms,mst——分別為相變材料質量、鍍鋅鋼板的質量，kg

Nu——Nusselt數

Pr——Prandtl數

p——制冷劑壓力，bar

Qcon,Qnc,Qr——分別為RHP的制熱量、自然對流換熱量、輻射換熱量，W

Qs,Qsh,Qs——分別為總蓄熱量、顯熱蓄熱量、相變蓄熱量，J

T,Ti,Tn,Ts——分別為溫度、各圍護結構平均溫度、板面平均溫度、室內基準溫度，℃

Δtss,Δtst——分別為初始溫度與穩定狀態下相變材料和鍍鋅鋼板的溫度差值，℃

Wcom——壓縮機輸入功，W

ε——RHP的表面發射率

σf,σx——分別為間接測量誤差、直接測量誤差