低溫空氣源熱泵壓縮機殼體熱回收的制熱特性研究

蔡松素，張家璇，劉忠寶*，韋自妍

（1-合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-北京工業大學環境與生命學部，北京 100124）

0 引言

空氣源熱泵以電能為驅動力，將室外環境空氣作為冷、熱源，向被調節對象（如室內）提供冷、熱量。這種環保、高效的能源供給方式在低品位能源利用方面具有明顯的競爭優勢[1]。近年來，由于燃煤鍋爐供熱、熱水供應和住宅采暖造成了華北地區空氣污染嚴重的問題[2]。空氣源熱泵由于易于安裝、節能環保而被強烈建議作為供暖裝置推廣使用[3]，但是空氣源熱泵在氣候較寒冷的地區運行時，會導致其蒸發溫度較低、排氣溫度過高、制熱量不足等問題[4-6]，還會因為室外換熱器霜層的存在使得熱泵運行時制熱性能降低，眾多因素導致系統難以在氣候較低的地區普及[7-10]。

目前在市面上已知用于科學研究及工程應用的相變材料有很多種，根據材料的元素構成可以分為無機類、有機類和復合類相變材料，根據相變溫度分為低溫相變蓄熱材料、中溫相變蓄熱材料和高溫相變蓄熱材料[11-12]。一般而言，實驗中可選用的相變蓄熱材料相變溫度在中低溫端，這類材料最常見的有熔融鹽[13]、石蠟[14]及脂肪酸[15]等。

OOI[16]指出熱泵系統輸入能量的10%～20%會通過壓縮機的管殼散失在周圍的環境中，PARK[17]通過實驗測出至少有6.3%的輸入能量轉化為壓縮機殼體釋放到環境中的廢熱。齊亞茹等[18]在研究空氣源熱泵產品在低溫環境下的制熱性能時，發現引入基于準二級壓縮循環的補氣增焓技術可使熱泵應用于低溫工況的性能得到明顯改善。王寧等[19]在帶有閃發器的兩種補氣熱泵系統性能模擬研究中發現，在補氣量相同的條件下，隨著蒸發溫度的上升，各熱泵系統的制熱量、功耗和制熱性能系數（Coefficient of Performance，COP）均呈現出增加的趨勢，而壓縮機的排氣溫度則逐漸降低。婁鳳飛等[20]研究了利用壓縮機殼體余熱構建雙蒸發器，設計了一個用石蠟包裹住壓縮機外殼構成的相變蓄熱器，將其作為系統都第二蒸發器，針對壓縮機排氣溫度過高，吸氣溫度過低等問題做出了改進。

1 實驗裝置

1.1 系統流程設計計算

使用一臺1.5 HP變頻熱泵熱水器進行改造，制冷劑為R410A，充注量為1.4 kg。制熱量為3 500（1 800～3 700）W，輸入功率833（360～910）W，對其相變蓄熱器以及改裝熱泵壓縮機的選擇進行設計計算。

1.1.1 相變蓄熱材料的選擇計算

相變蓄熱材料的選擇應該考慮以下幾個方面因素：1）適合的相變溫度，由于相變蓄熱器安裝在原系統的壓縮機外殼上，因此蓄熱材料的相變溫度應與壓縮機運行時的外殼體溫度匹配；2）導熱系數高，相變材料應當采用導熱系數高的材料，這樣方便熱量在短時間內壓縮機外殼產生的能量；3）相變潛熱較大，這樣可以使用較小的體積來制作相變蓄熱器，便于安裝在壓縮機上；4）環保、穩定性好、無腐蝕性，方便日后的設備應用推廣。

綜合考慮選擇石蠟作為蓄熱材料，通過計算壓縮機殼體熱量確定蓄熱材料用量，假設α=10%，即有功率10%的熱量轉換為壓縮機殼體廢熱，由式(1)和式(2)計算：

式中，Q1為壓縮機外殼一個循環的釋熱量，kJ；t1為壓縮機運行周期的平均時長，s；α為占壓縮機輸入功率的余熱比例；P為壓縮機的額定功率，kW。通過式(1)計算得到壓縮機外殼一個循環的釋熱量為259.90 kJ。

式中，m為填充的相變蓄熱材料的質量，kg；γ為相變蓄熱材料的潛熱，kJ/kg。由式(2)計算得出所需石蠟質量為1.46 kg。

1.1.2 新熱泵壓縮機選擇計算

在構建新系統循環時，首先考慮新系統的壓縮機選擇，在選擇新系統壓縮機時，應考慮到新系統將相變蓄熱器作為蒸發器，因此新系統的制冷劑所蒸發產生的冷量應該和相變蓄熱器所蓄存的能量在數值上近似相等，以免制冷劑不完全蒸發，壓縮機內產生液擊現象，影響系統的安全運行。

新系統各設備的理論額定功率計算：

式中，Pc為原系統壓縮機的額定功率，W；Pe為新系統蒸發器的額定制冷量，W。

通過式(3)可確定新系統蒸發器的額定制冷量為83.3 W，假設新系統的COP為2.5，即可確定新系統壓縮機的額定功率大小。

新系統中壓縮機的功率為：

式中，計算得出新系統中壓縮機的功率33.32 W。

新系統冷凝器的額定制熱量由式(5)計算：

式中，Pcon為新系統冷凝器的額定制熱量，W。計算得出制熱量為116.62 W。

1.2 系統流程

實驗系統流程如圖1所示，由兩個獨立循環熱泵系統構成，系統1用實線表示，系統2用虛線表示，實物圖如圖2所示。系統1是帶有補氣增焓功能的空氣源熱泵，采用變頻渦旋式壓縮機，輸入功率833 W，制熱量3 500 W，性能系數4.20，內部充入1.4 kg的R410A制冷劑，在系統1的壓縮機外殼包裹有一層石蠟制作的相變蓄熱器，用于儲存壓縮機運行時產生的廢熱；石蠟里盤有系統2的蒸發器用于回收這一部分熱量。系統2是一個簡單的熱泵系統，采用QD25H型號壓縮機，充入R134a制冷劑，系統2用于回收系統1的壓縮機殼體廢熱，兩系統的冷凝器均放在一個高78 cm直徑35 cm壁厚2 cm的圓柱形水箱中。

圖1 實驗系統流程

圖2 系統實物圖

1.3 相變蓄熱器

相變蓄熱器用鐵皮制成，采用與壓縮機緊密接觸的、與其圓形外殼相配合的弧形結構（蓄熱槽），來收集壓縮機的余熱。蓄熱槽由外殼、導熱板構成，導熱板與壓縮機殼體緊密貼合，并在兩者之間涂抹一層導熱硅脂來增強導熱。蓄熱槽高20 cm，內徑10 cm，外徑18 cm，蓄熱器盤管采用直徑6.00 mm、長2.80 m的銅管，以縱向蛇形盤管的形式分布在蓄熱器中。為了充分回收熱量，所填充蓄熱材料的質量與其相變潛熱系數之積應近似等于壓縮機所散發的熱量，通過計算得到相變材料混合石蠟的質量為1.46 kg。圖3所示為相變蓄熱器實物圖。

圖3 相變蓄熱器實物圖

2 實驗環境與實驗方法

2.1 實驗環境

本實驗分為常溫和低溫兩部分，常溫實驗的實驗場地位于北京工業大學低溫實驗室一樓大廳內，低溫實驗則在北京工業大學低溫實驗室的環境模擬實驗室內，其中低溫實驗室長和寬均為2 m，高為3 m，墻面使用巖棉板來保溫，采用風冷式制冷機組來制取實驗所需要的低溫，可以滿足實驗所需要的0、-6、-12 ℃三種低溫工況。采用24通道熱電偶測溫儀和功率儀來記錄實驗所需的溫度和功率數據。

2.2 實驗方法

將兩個系統的冷凝器均放在水箱中，通過測量水的溫度，可以計算出系統產生的熱量，該水箱為圓柱狀，外壁高78 cm，直徑為35 cm，壁厚2 cm，該水箱保溫效果較好，短時間內可將其與外界熱交換的熱量忽略不計，即水箱中的熱量全部來自于系統冷凝器所產生的熱量。

實驗時，首先將開啟系統1，記錄水箱中的水從30 ℃升到50 ℃所需要的時間，然后將水箱中的水降溫至30 ℃以下，再將系統1與系統2兩臺壓縮機同時開啟，重新記錄水箱中的水從30 ℃到50 ℃所需要的時間。

將水箱中的水在使用系統1和開啟系統2后兩種情況下溫度分別升到50 ℃兩次記作一次實驗，每次實驗的環境溫度不同，共進行四種環境溫度下的實驗，分別為常溫、0、-6、-12 ℃，其中0 ℃及0 ℃以下的低溫環境實驗，將雙系統的壓縮機和蒸發器都放在低溫室里，模擬冬天的室外環境，將水箱放在常溫的房間里，模擬冬天的室內環境，連接兩個環境的銅管用保溫棉包裹起來。

理論上而言，只需要記錄水箱中的水在開啟原系統和不開啟原系統兩種情況下的溫度上升速度，以及記錄雙系統開啟和只運行原系統兩種情況下的功率，通過計算就可以比較得出新系統的開啟是否能夠強化換熱和節約能量，以及產生的熱量和節約的能量。

3 實驗結果分析

在常溫（25～28 ℃三個溫度實驗三次取平均數據）、0、-6、-12 ℃四種工況下，分別記錄只開啟系統1和開啟雙系統模式下，水箱中水溫從30 ℃上升到50 ℃所用時間和系統總功率。

3.1 兩種運行模式制熱數據

表1所示為兩種運行模式制熱數據。由表1可知，在常溫、0、-6、-12 ℃工況下，雙系統比系統1系統總用時分別縮短了0.83%、1.22%、2.02%和4.84%；雙系統比系統1停機時間分別縮短了0%、0%、13.89%和37.50%。在同工況的運行條件下，相較于只開啟系統1，開啟雙系統能縮短水溫上升所用時間，尤其是在低溫工況下有了明顯的提升，其中在常溫實驗中系統1的壓縮機并不停機，在低溫條件下，系統1的壓縮機會停機保護，而開啟系統2后，壓縮機的停機時間也有了較為明顯的縮短。

表1 兩種運行模式制熱數據

3.2 開啟系統2的節能情況

通過系統2的開啟對系統1的制熱能力有了一定提升，若使用電阻絲加熱的方式提升系統1制熱能力，即將系統2運行所消耗能量換算為電阻絲加熱，計算對比只開啟系統1、開啟系統1和系統2、開啟系統1和電阻絲3種制熱模式的耗能情況。

常溫實驗時裝水50 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃耗能4 200 kJ，系統1在常溫下用時t=1 210 s，能耗約為0.269 kW·h，平均功率為800 W，系統1的COP為4.33，新加系統2壓縮機常溫下功率平均95 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時長為t=1 180 s，能耗約為0.293 kW·h。

0 ℃實驗時裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃能耗為54 704 kJ。系統1在0 ℃用時t=3 280 s，能耗約為0.824 kW·h，平均功率為905 W，系統1的COP為1.58，新加系統2壓縮機0 ℃功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時長為t=3 147 s，能耗約為0.848 kW·h。

-6 ℃實驗時裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃所用能耗為54 704 kJ。系統1在-6 ℃用時3 460 s，能耗約為0.902 kW·h，平均功率為938 W，系統1的COP為1.44，新加系統2壓縮機-6 ℃功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，總加熱時長為3 323 s，能耗約為0.925 kW·h。

-12 ℃實驗時裝水56 L，將該體積水從30 ℃加熱到50 ℃所用能量54 704 kJ。系統1在-12 ℃用時t=3 720 s，能耗約為0.977 kW·h，平均功率為945 W，系統1的COP為1.34。新加系統2壓縮機在-12 ℃時功率平均65 W，換算成電阻絲加熱COP取1，則總加熱時長為t=3 533 s，能耗約為1.080 kW·h。

兩種運行模式耗能和電阻絲耗能如表2所示，其中不同工況下系統1、加系統2和加電阻絲耗能分別用表示w1、w2和w3表示。

表2 兩種運行模式耗能和計算電阻絲耗能

進行經濟性分析，改裝此系統花費成本包括壓縮機、蓄熱材料石蠟和銅管，合計總成本為210元，而且此強化制熱系統適用于補氣增焓系統和普通熱泵系統，有良好的應用前景。假設該熱泵系統一年工作300 d，前文已給出不同工況下每次運行時長t與能耗w，定義每天24 h該系統運行工作次數為n，計算如式(6)：

每天運行能耗W由式(7)計算：

若按一年運行300 d，用電單價c=0.6元/(kW·h)考慮，一年運行的電費為：

式中，C為運行一年的電費，元；T為一年工作時間，d；n為每天工作次數；W為每天運行能耗，kW·h；c為電費單價，元/(kW·h)。

不同溫度工況和運行模式下計算結果見表3。表中C1為系統1運行一年的電費，元；C2為加系統2運行一年的電費，元；C3為加電阻絲運行一年所需電費，元。通過計算與電阻絲強化制熱相比，加系統2在常溫工況下運行能節省電費593.28元，在0 ℃下運行多耗電費28.726元，在-6 ℃運行節省18.18元，在-12 ℃運行節省413.42元。分析可得，在環境溫度越低，節約電費更多。

表3 兩種運行模式和加電阻絲運行電費對比

4 結論

本文通過研究低溫空氣源熱泵在不同環境溫度下分別只開啟系統1和添加系統2（即雙系統）的兩種工作模式的運行特性，分析實驗數據得出如下結論：

1）在不同環境溫度工作時，雙系統使得水箱水溫上升速率明顯提高；與同溫度下水箱中水到達設定溫度所需時間相比，雙系統使得加熱時間明顯縮短，最快可在環境溫度-12 ℃時縮短4.84%，可得雙系統強化制熱在低溫下有較好的效果；

2）通過對比添加系統2與添加電阻絲強化制熱的耗能，添加系統2比添加電阻絲強化制熱更節能，最高可節省能耗9.1%；

3）通過經濟性分析，添加系統2的雙系統方式與添加電阻絲強化制熱相比，一臺機器一年節約電費可在環境溫度-12 ℃時最多，為413.42元，有較好的節能效益和應用前景。