直膨式雙源熱泵運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 岸，徐榮吉，王雪勍，王瑞祥，許淑惠

（北京建筑大學(xué)北京市建筑能源綜合高效利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗在我國占社會(huì)總能耗的20%左右［1］，而熱水能耗占整個(gè)建筑能耗比例較高，降低熱水能耗對(duì)建筑節(jié)能具有重要意義。由于熱泵熱水器節(jié)能、高效［2-7］，逐漸成為熱水器主流技術(shù)方案之一，其中又以空氣源熱泵為主。Peng等［8］利用仿真模擬軟件建立了熱泵熱水器的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型，對(duì)膨脹閥、毛細(xì)管和節(jié)流短管的節(jié)流性能進(jìn)行了驗(yàn)證，其中膨脹閥節(jié)流效果最好。張超［9］以混合制冷劑R22／R142b為工質(zhì)，研究了不同制冷劑充注量、工質(zhì)質(zhì)量比對(duì)中高溫空氣能熱水器制熱量、COP、壓力等性能參數(shù)的影響。張麗等［10］通過改變環(huán)境溫度對(duì)熱泵熱水器的性能進(jìn)行了分析研究，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)運(yùn)行性能明顯升高。袁朝陽等［11］將電子膨脹閥用于空氣源熱泵熱水器并測試了其運(yùn)行性能，研究結(jié)果顯示，COP提升了8.24%，排氣溫度降低了7.16%。郭志敏等［12］研究了冷凝器結(jié)構(gòu)對(duì)熱泵熱水器系統(tǒng)性能的影響，板式冷凝器性能最優(yōu)，系統(tǒng)COP達(dá)到4.1。而微尺度平行流換熱器具有換熱效率高、耗材少等優(yōu)點(diǎn)，其在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其特性的研究也成為熱點(diǎn)。盛偉等［13］對(duì)結(jié)霜工況下微通道蒸發(fā)器的制冷劑分布特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，隨著霜層厚度的增加，蒸發(fā)器過熱區(qū)長度減小，兩相區(qū)制冷劑分布更加均勻。劉巍［14］對(duì)微通道蒸發(fā)器的流量分配特性進(jìn)行了研究，隨著蒸發(fā)器開孔面積的增加，蒸發(fā)器內(nèi)部阻力減小，但制冷量先增加后減小。馬曉燕等［15］比較了微通道冷凝器與常規(guī)管翅式冷凝器的運(yùn)行特性，發(fā)現(xiàn)微通道冷凝器的系統(tǒng)性能較常規(guī)冷凝器性能提高了69%，效果較好。因此將微通道換熱器與熱泵系統(tǒng)進(jìn)行組合，理論上可以有效增加熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

為探究微尺度平行流換熱器作為蒸發(fā)器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，本文結(jié)合科研項(xiàng)目搭建了一套熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將微尺度平行流換熱器替代原有的管翅式換熱器作為熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器。微尺度平行流換熱器可以同時(shí)吸收環(huán)境熱量及太陽熱輻射，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過改變環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度等），測定不同工況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。還可以通過改變換熱器的結(jié)構(gòu)以及外形尺寸，深入探究不同規(guī)格的微尺度平行流蒸發(fā)器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。為進(jìn)一步研究微尺度平行流蒸發(fā)器在空氣源熱泵熱水器中的適應(yīng)性，提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與理論基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可用于本科生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，利用真實(shí)的熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)獨(dú)立思考的能力。

1 實(shí) 驗(yàn)

微尺度平行流蒸發(fā)器熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為兩大部分：熱泵循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱泵循環(huán)系統(tǒng)主要功能是通過改變參數(shù)（環(huán)境溫度、濕度、蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)速、太陽光照強(qiáng)度、水箱初始溫度等）使系統(tǒng)在不同的設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，通過不同工況下系統(tǒng)運(yùn)行效率的高低來判斷不同條件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，進(jìn)而得出微尺度平行流蒸發(fā)器在熱泵熱水器中的適應(yīng)性。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在熱泵循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并通過調(diào)用NIST的物性數(shù)據(jù)庫，計(jì)算循環(huán)性能并實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)存，可實(shí)時(shí)了解熱泵循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。

1.1 熱泵循環(huán)系統(tǒng)

如圖1所示為熱泵循環(huán)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝盤管一體式儲(chǔ)熱水箱、毛細(xì)管、四通換向閥、微尺度平行流蒸發(fā)器及儲(chǔ)液罐組成，使用R22作為循環(huán)系統(tǒng)制冷劑，能夠?qū)崿F(xiàn)全年生活熱水供應(yīng)。

圖1 微尺度平行流蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)示意圖

如圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖，頂部集成了壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐、毛細(xì)管、控制板等部件，中間主體部分為儲(chǔ)熱水箱，微尺度平行流蒸發(fā)器豎直放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)后側(cè)，換熱器與實(shí)驗(yàn)臺(tái)接觸點(diǎn)均已用隔熱保溫材料填充，以確保實(shí)驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性。其中微尺度平行流蒸發(fā)器由46根微通道扁管平行排列，每根扁管長0.79 m，進(jìn)出口分別設(shè)有分、集液器，橫截面如圖3所示。微尺度平行流蒸發(fā)器無翅片，外展迎風(fēng)面積大，涂覆選擇性吸收涂層后，可以吸收太陽輻射，形成雙熱源熱泵熱水器。冷凝盤管一體式儲(chǔ)水箱容量為80 L。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、自編寫LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序及傳感器組成。主要裝置為Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀，4個(gè)羅斯蒙特1 151壓力傳感器，10個(gè)Omega T型熱電偶。其中，在壓縮機(jī)與冷凝器之間、冷凝器與電子膨脹閥之間、電子膨脹閥與平行流蒸發(fā)器之間、平行流蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間分別布置4個(gè)壓力傳感器及6個(gè)測溫點(diǎn)，可以測試蒸發(fā)溫度和壓力、冷凝溫度和壓力，如圖1所示。此外，在水箱布置測溫點(diǎn)，實(shí)時(shí)測試水箱溫度；在平行流蒸發(fā)器不同位置布置2個(gè)熱電偶，以測試平行流蒸發(fā)器的性能；在實(shí)驗(yàn)臺(tái)周圍布置測溫點(diǎn)，用于測量實(shí)驗(yàn)臺(tái)周圍的環(huán)境溫度。

圖2 熱泵熱水實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 微尺度平行流蒸發(fā)器橫截面圖（mm）

LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)了數(shù)據(jù)采集程序，采集熱泵循環(huán)實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度及壓力參數(shù)，調(diào)用NIST數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行性能，并顯示循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖4所示。例如，通過采集平行流蒸發(fā)器出口（壓縮機(jī)吸氣口）溫度及壓力，調(diào)用物性數(shù)據(jù)可以得到平行流蒸發(fā)器出口的焓值及蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度；通過電子膨脹閥入口（冷凝器出口）溫度及壓力，調(diào)用物性數(shù)據(jù)可以得到電子膨脹閥出口的焓值及冷凝壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度；通過采集冷凝器入口溫度及壓力（壓縮機(jī)排氣口），調(diào)用物性數(shù)據(jù)可得到冷凝器入口焓值。通過以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到熱泵循環(huán)的過熱度和過冷度，并能在壓焓圖上準(zhǔn)確描述出循環(huán)的狀態(tài)點(diǎn)。結(jié)合壓縮機(jī)吸排氣壓力及壓縮機(jī)性能曲線，計(jì)算出制冷劑質(zhì)量流量，并根據(jù)各個(gè)部件的進(jìn)出口焓值，即可以計(jì)算出各個(gè)部件的能量交換（冷凝器換熱量、蒸發(fā)器換熱量、壓縮機(jī)耗功）及COP。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示。

圖4 LABVIEW數(shù)據(jù)采集處理圖

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

1.3 數(shù)據(jù)處理方式

壓力變送器輸出4～20 mA的電流信號(hào)，為方便測量，在測試電路中串入250 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為1～5 V電壓信號(hào)，所以，測試的壓力與電壓信號(hào)的關(guān)系為

式中：p為絕對(duì)壓力，kPa；x為系統(tǒng)中所采集的電壓信號(hào)，V。

換熱器換熱量的計(jì)算公式為

式中：Q 為換熱量，W；M 為制冷劑質(zhì)量流量，kg／s；h2為換熱器出口焓值，J／kg；h1為換熱器入口焓值，J／kg。

系統(tǒng)某時(shí)間段內(nèi)的平均COP可用下面的計(jì)算公式表示

式中：cp為水的定壓比熱容，J／（kg·K）；m 為水箱中的儲(chǔ)水量，kg；t2為該時(shí)間段水箱的最終溫度，K；t1為該時(shí)間段水箱的初始溫度，K；Wz為該時(shí)間段壓縮機(jī)所耗電量，J。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖5所示，為系統(tǒng)運(yùn)行過程中各狀態(tài)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為13℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行初始階段由于所用的膨脹機(jī)構(gòu)為毛細(xì)管，調(diào)節(jié)能力有限，初始的蒸發(fā)器入口溫度迅速降低至－20℃左右，同時(shí)，由于定頻壓縮機(jī)不能根據(jù)工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，制冷劑流量較低，致使排氣溫度逐漸升高。

圖5 系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線

隨著熱水溫度的升高，冷凝壓力與蒸發(fā)壓力逐漸升高，如圖6所示，此時(shí)，制冷劑流量逐漸增大，致蒸發(fā)器出口過熱度越來越低，但是蒸發(fā)器滿足換熱量需求。冷凝側(cè)，由于冷凝器的換熱面積不變，制冷劑流量的增大所帶來換熱量的增加還會(huì)導(dǎo)致冷凝側(cè)的換熱溫差增加，從圖5中表示為冷凝器出口溫度溫升的斜率大于水箱的升溫過程的斜率。壓縮機(jī)排氣溫度的降低也與制冷劑流量的增加有著直接的關(guān)系。

圖6 系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化曲線

從圖7可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段由于壓縮機(jī)啟動(dòng)，制冷劑流量不穩(wěn)定，制冷劑會(huì)在各部件間遷移，各個(gè)測點(diǎn)制冷劑的溫度、壓力以及各部件進(jìn)出口焓值波動(dòng)較大，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，瞬時(shí)COP計(jì)算不準(zhǔn)確。但是，瞬時(shí)COP反映了系統(tǒng)的運(yùn)行特性，對(duì)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。

圖7 系統(tǒng)COP隨時(shí)間的變化曲線

實(shí)驗(yàn)中用氙燈模擬太陽對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行光照。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中將氙燈的中心保持在蒸發(fā)器的中心且垂直照射蒸發(fā)器，目的是保證蒸發(fā)器光照接收的均勻性。調(diào)整氙燈與蒸發(fā)器的垂直距離，并通過照度計(jì)測定使光照輻射強(qiáng)度穩(wěn)定在300 W／（m2·K）左右，接近于冬季工況下的太陽光照強(qiáng)度。圖8為有光照與無光照工況的水箱升溫曲線對(duì)比，由圖可看出，在有光照時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)水箱的溫升明顯大于無光照工況。增加光照可以顯著提高微尺度平行流蒸發(fā)器熱泵系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)COP提高了約16%。

3 結(jié)語

圖8 太陽輻射對(duì)水箱升溫的影響

設(shè)計(jì)并搭建了以微尺度平行流換熱器作為太陽能集熱器／蒸發(fā)器的熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探究在不同設(shè)計(jì)工況下，微尺度平行流蒸發(fā)器熱泵熱水器系統(tǒng)的運(yùn)行特性。開發(fā)了以LabVIEW虛擬軟件為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行特性分析軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)微尺度平行流蒸發(fā)器熱泵熱水器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及對(duì)系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)分析，能夠直觀地了解某一時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究以及影響因素的判斷有著重要作用。通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以開發(fā)并設(shè)計(jì)出一系列綜合的實(shí)驗(yàn)工況，包括但不限于不同的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度以及光照角度等，對(duì)微尺度平行流蒸發(fā)器在不同工況熱泵系統(tǒng)中的運(yùn)行特性做進(jìn)一步研究。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)際需求對(duì)各部件進(jìn)行模塊化拓展或變更。例如更換不同的冷凝器末端或應(yīng)用于不同熱負(fù)荷需求；或者將電磁膨脹閥代替該系統(tǒng)中的毛細(xì)管作為膨脹機(jī)構(gòu)，還可以引入變頻壓縮機(jī)，測定微尺度平行流蒸發(fā)器在不同部件類型之間的匹配性。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將研究項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)熱泵專業(yè)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改造，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)分析以及獨(dú)立思考的能力，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。