熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)實驗研究

梁杰，陳炳泉，黃娟，管祥華

（青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266000）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，能源危機愈發(fā)嚴(yán)重，尋求清潔能源的開發(fā)與利用成為各國都在追尋的目標(biāo)，我國作為能源消耗大國，建筑能耗約占社會總能耗的30%，燃煤則占總能源消耗的70%左右[1]。同時，燃煤排放出的多種污染物質(zhì)是造成冬季霧霾、PM2.5的主要來源。因此大力推廣熱泵技術(shù)，加快郊區(qū)及城市上風(fēng)口的農(nóng)村地區(qū)采暖“煤改電”工程建設(shè)，是實現(xiàn)空氣治理行動計劃目標(biāo)的重要措施[2-4]。近幾年，熱泵作為一種能夠有效提升熱能品位的技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，其中由于空氣源熱泵良好的適應(yīng)性而被大量使用[5]。隨著國際節(jié)能減排政策的大力推進(jìn)，空氣源熱泵在我國的應(yīng)用日益廣泛[6]。我國熱泵產(chǎn)品在國家環(huán)保政策的支持下取得了長足的發(fā)展。在國家鼓勵發(fā)展清潔能源的大背景下，空氣源熱泵作為國家重點扶持對象具有廣闊的發(fā)展前景[7]。空氣源熱泵加熱方法是解決空氣污染，取代燃煤和電加熱的有效能源利用方法[8]。空氣源熱泵作為“煤改電”工程中的主要設(shè)備而備受關(guān)注，與其他各種供熱設(shè)備相比空氣源熱泵具有清潔節(jié)能的優(yōu)勢[9]。

目前“煤改電”工程中最常見是水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，常用暖氣片或者地暖作為散熱末端，以水為載體，通過水泵將機組中產(chǎn)生的熱量輸送至散熱末端。由于載體“水”的特性，導(dǎo)致初次采暖升溫較慢，且低溫時存在凍結(jié)的風(fēng)險，因此需要保持機組長時間的運行以保證房間采暖的舒適性，同時需要對水路進(jìn)行防凍處理。另一種常見的是空氣源熱泵熱風(fēng)系統(tǒng)，通過室內(nèi)機直接加熱室內(nèi)空氣進(jìn)行采暖，長時間運行后換熱器內(nèi)積累塵土和有害細(xì)菌并產(chǎn)生異味，對人體健康造成損害[10]。水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)出現(xiàn)的較晚，它在一定程度上克服了空氣源熱泵熱風(fēng)系統(tǒng)的缺點[11]。

熱管作為一種高效的兩相傳熱裝置，較常規(guī)散熱器傳熱性能更好。將熱泵與高效率傳熱熱管結(jié)合起來國外也有相關(guān)研究。CHOTIVISARUT等[12]采用熱管散熱器將水箱里的熱量抽出冷卻熱水。ZHANG等[13]將熱管應(yīng)用在太陽能換熱裝置上，其性能系數(shù)比傳統(tǒng)換熱器提高1.5～4倍。LIM等[14]將熱管應(yīng)用在地源熱泵的蒸發(fā)器端，蒸發(fā)器置于熱管散熱器內(nèi)，與普通的直接膨脹式相比性能系數(shù)提高10.3%；與復(fù)合回路換熱型式相比性能系數(shù)提高21.1%。SEBARCHIEVICI等[15]將熱管應(yīng)用在地源熱泵上，通過熱管復(fù)合的地板將熱量供給辦公室。王愛輝等[16]將熱管用于制冷量為4,000 W的空調(diào)機組。文獻(xiàn)[17-19]將熱管用于干燥和烘干用熱泵的熱回收應(yīng)用。姜坪等[20]將熱管用于熱回收裝置相結(jié)合的復(fù)合熱回收直流式空調(diào)機組，有效回收了排風(fēng)中的低品位能量，提高了機組的運行效率。

本文主要將室外機相同、室內(nèi)換熱器換熱面積相當(dāng)?shù)乃h(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)和熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)安裝在某農(nóng)村的實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 實驗條件

1.1 實驗方案及實驗場地

將室外機相同、室內(nèi)換熱末端面積相當(dāng)?shù)乃h(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)和熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)安裝在同一民房中，布置相關(guān)實驗儀器，主要采集數(shù)據(jù)包括：室外環(huán)境溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、室內(nèi)換熱末端溫度和制熱運行耗電量等。冬季采暖期間，分別運行水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)或熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)使得室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)18～24 ℃，采暖結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：對比相同室外環(huán)境溫度，相同室內(nèi)溫度時耗電量差異；相同室外環(huán)境溫度、相同室內(nèi)初始溫度，不同采暖系統(tǒng)升溫速率差異；以及除霜運行熱性等。

實驗場地為某農(nóng)村民房，單排4個面積相同的房間，各房間面積約為15 m2，合計面積約為60 m2。其中在房間2中總共布置10個熱電偶，記錄房間2中的室內(nèi)溫度變化。實驗場地及安裝布局見圖1，房間溫度熱電偶布置見圖2和圖3。

圖1 實驗場地及安裝布局

圖2 房間2干球溫度熱電偶點布置（立面圖）

圖3 房間2干球溫度熱電偶點布置（平面圖）

1.2 主要實驗儀器及誤差

為了評價系統(tǒng)性能，本實驗對其主要部位的溫度傳感器以及功率計等儀表進(jìn)行了標(biāo)定，主要實驗儀器參數(shù)如表1所示。

表1 主要實驗儀器及誤差

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 耗電量數(shù)據(jù)分析

取室外環(huán)境溫度-4～4 ℃，室內(nèi)溫度18～24 ℃數(shù)據(jù)進(jìn)行耗電量數(shù)據(jù)分析，在室外溫度相當(dāng)，室內(nèi)溫度相當(dāng)時，熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)耗電量較水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)節(jié)省4%，數(shù)據(jù)分析見表2。

表2 耗電量數(shù)據(jù)分析

2.2 升溫速率數(shù)據(jù)分析

取室外溫度10 ℃左右，房間初始溫度15 ℃，室內(nèi)換熱器初始溫度13.5 ℃進(jìn)行室內(nèi)溫度以及換熱器表面溫度升溫速率比對測試，溫升曲線見圖4。

圖4 升溫速率數(shù)據(jù)分析

由圖4可知，熱管＆水循環(huán)兩套加熱系統(tǒng)開始加熱前，室內(nèi)1.6 m處溫度均為15 ℃，從主機開始運行至室內(nèi)1.6 m處溫度溫度達(dá)20 ℃，熱管系統(tǒng)耗時40 min，此時水循環(huán)系統(tǒng)耗時100 min。

開始加熱前，熱管＆水循環(huán)加熱系統(tǒng)中的室內(nèi)換熱器表面溫度均為13.5 ℃，從主機開始運行至室內(nèi)換熱器表面溫度達(dá)30 ℃，熱管系統(tǒng)耗時13 min，水循環(huán)系統(tǒng)耗時53 min。

2.3 室內(nèi)溫度穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析

在設(shè)置熱管機回氟溫度和水循環(huán)回水溫度相同的情況下，取室內(nèi)連續(xù)采暖18h的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，室內(nèi)換熱器溫度與室內(nèi)溫度波動曲線如圖5和圖6所示。

圖5 熱管＆水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)換熱器溫度曲線

圖6 熱管＆水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度曲線

由此可見，水的蓄熱性能導(dǎo)致水循環(huán)室內(nèi)溫度呈逐漸升高趨勢，熱管機則相對穩(wěn)定。由圖5可知，停機期間熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)散熱器溫度波動大于水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)散熱器溫度波動，18 h采暖期間，熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)散熱器最大溫度降低達(dá)11.4 ℃，水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)散熱器最大溫度降低僅4.4 ℃。

由圖6可知，停機期間熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動大于水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動，兩者差異不大，18 h采暖期間，熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度的最高溫度降低1.1 ℃，水循環(huán)采暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度的最高溫度降低0.8 ℃。

2.5 熱管采暖系統(tǒng)除霜數(shù)據(jù)分析

取室外機出現(xiàn)結(jié)霜動作的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，室外環(huán)境干球溫度-1.6 ℃，濕度97%，中雪天氣，除霜過程中，熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)換熱器上、中、下部溫度變化曲線見圖7。

圖7 熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)換熱器除霜運行時溫度曲線

由圖7可知，在除霜運行期間，熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)換熱器溫度迅速降低，其中上部和中部溫度下降相當(dāng)，下部溫度降幅較大，除霜期間熱管采暖系統(tǒng)室內(nèi)換熱器下部溫度最低將至5 ℃。

3 結(jié)論

本文研究了熱管式換熱器在空氣源熱泵采暖系統(tǒng)上的實際應(yīng)用，分析了熱管式空氣源熱泵熱水器與水循環(huán)空氣源熱泵熱水器在用戶現(xiàn)場實際運行的數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：

1）由于整個采暖系統(tǒng)熱阻主要存在于空氣側(cè)，熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)耗電量較水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)略有降低，降幅為4%；

2）熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)升溫速度大大提升，室溫由15 ℃升高至20 ℃，熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)所需時間僅為水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的37.5%；室內(nèi)換熱器溫度由13.5 ℃升高至30 ℃，熱管式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)所需時間僅為水循環(huán)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的24.5%；

3）除霜運行時，熱管式空氣源熱泵熱水器室內(nèi)換熱器下部溫度最低降至5 ℃。