直膨式太陽能熱泵地板輻射供暖實驗平臺設計

孔祥強， 閆循正， 張 鵬， 徐 顯， 于偉才

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

0 引 言

與采用風機盤管或散熱器供暖相比，地板輻射供暖對于供水溫度要求較低，運行噪聲較小，散熱均勻舒適性高[1-2]。在低溫供熱運行模式下，熱泵系統具有較高的熱力性能。因此，將地板輻射供暖與熱泵技術集成，實現了供需側熱能品位匹配，對于節能減排具有重要意義[3]。通過將集熱器與蒸發器結合于一體，直膨式太陽能熱泵技術能夠高效利用太陽能，拓寬了系統運行溫度范圍，改善了集熱溫度升高對集熱效率的不利影響和熱泵蒸發溫度，提高了熱泵供熱系數[4-5]。丙烷(R290)是一種環保自然工質，其臭氧消耗潛能值(Ozone Depletion Potential，ODP)為0，溫室效應潛能值(Global Warming Potential，GWP)低于20[6-7]。

近年來，一些專家學者對直膨式太陽能熱泵系統進行了實驗研究。侯亞祥等[8]搭建了以R417A為工質的直膨式太陽能熱泵熱水器實驗平臺，將10塊平板型太陽能集熱/蒸發器并聯使用，極端工況下系統制熱系數(COP)可達3.69，驗證了系統運行可靠性。Rocha等[9]構建了以CO2為工質的直膨式太陽能熱泵系統實驗平臺，采用跨臨界循環方式，選用裸板式太陽能集熱/蒸發器，并以毛細管作為節流機構。單寶琦等[10]搭建了以R22為工質的家用直膨式太陽能熱泵熱水系統實驗平臺，在5～10月份典型日的系統COP均高于5，較常規空氣源熱泵系統提高33.2%。目前采用自然工質的熱泵系統受到了廣泛關注，但以丙烷為工質的直膨式太陽能熱泵系統驅動供暖系統的實驗研究鮮有報道。

本文依托科學研究項目，在課題組前期研究直膨式太陽能熱泵熱水器系統的基礎上[11-12]，構建了以R290為工質的直膨式太陽能熱泵地板輻射供暖實驗平臺，集熱/蒸發器和冷凝器采用微通道技術以降低丙烷充注量，保證系統安全運行。平臺能夠實現多個模塊化綜合研究性實驗項目，提高學生實驗動手能力，全面培養學生的創新思維和科研素質，有助于提升學生培養質量[13-15]。另外，向日葵和Teamviewer等商業化遠程控制軟件可以幫助實驗臺的運行與控制在一定程度上擺脫時間與空間上的限制，這有助于實現教學資源的高效合理使用[16-19]。

1 實驗平臺及工作原理

實驗平臺由熱泵循環和地板輻射供暖循環2部分組成，循環通過蓄熱水箱集成在一起，圖1為實驗平臺工作原理圖,圖2為實物圖。主要部件：微通道太陽能集熱/蒸發器、定頻壓縮機、內置微通道冷凝器的蓄熱水箱、電子膨脹閥、敷設地板供暖盤管的測試室、循環水泵以及數據采集與控制系統等。

工作原理：低溫低壓的氣液兩相態熱泵工質R290在微通道太陽能集熱/蒸發器內直接吸收外界熱量，成為過熱蒸氣態進入壓縮機，被壓縮為高溫高壓氣體并流入微通道冷凝器，通過冷凝盤管向蓄熱水箱中的水放熱，然后經電子膨脹閥節流降壓，形成低溫低壓的氣液兩相態并返回集熱/蒸發器內，如此循環。與此同時，蓄熱水箱內部水被冷凝器加熱后，由循環水泵供至地板供暖盤管內，加熱測試室內部空間，放熱后返回蓄熱水箱。

圖1 實驗平臺工作原理

圖2 實驗平臺實物

1.1 熱泵循環

在供暖系統的熱泵循環中，微通道太陽能集熱/蒸發器尺寸為3 500 mm×1 126 mm，共由33根扁管組成，每根扁管截面尺寸為25.4 mm×2 mm，包含13個流道，具體結構和尺寸如圖3所示。壓縮機類型為全封閉滾動轉子式定頻壓縮機，工質為R290，額定輸入功率為732 W，氣缸容積為16.4 m3。微通道冷凝器采用外敷式緊貼蓄熱水箱內膽外壁，尺寸為1 190 mm×1 000 mm，共由28根扁管組成，每根扁管截面尺寸為25 mm×2 mm，壁厚為0.4 mm，包含18個流道。電子膨脹閥型號為DPF-T，并采用GJY1801電子膨脹閥控制器進行控制，輸出信號為4～20 mA電流。

圖3 集熱/蒸發器扁管結構(mm)

1.2 地板輻射供暖循環

在地板輻射供暖循環中，蓄熱水箱尺寸為φ520 mm×1 600 mm的圓柱容器，內膽容積為0.2 m3。循環水泵型號為RS15/6-RG-3，輸入功率可實現三檔調節，分別為93、67和46 W，對應最大流量為0.95×10-3、0.683×10-3和0.417×10-3m3/s。地板輻射供暖盤管敷設在測試室地面上，盤管材質為鋁塑管，尺寸為φ16 mm×2 mm，采用雙回型盤繞在泡沫板模具上，泡沫板模具上面覆蓋防輻射層用以防止盤管向下輻射熱量，模具下面為擠塑保溫板，保溫板下鋪設防水層。盤管上面覆蓋木質地板。測試室內部空間尺寸為5 400 mm×2 400 mm×600 mm，其四周和頂面的圍護結構材料為巖棉板。

2 數據采集及遠程控制系統

基于實驗平臺，設計了一套數據采集與控制系統，采用組態王作為上位機軟件，其下連接總輻射表、數據采集控制器和溫濕儀，如圖4所示。

圖4 數據采集與控制系統架構

其中，數據采集控制器整合了來自溫度傳感器、壓力傳感器、渦輪流量計、功率表、風速儀和質量流量計的電流信號，并將來自上位機的控制指令發送至循環水泵、定頻壓縮機和電子膨脹閥。具體過程為：實驗平臺各測點的傳感器將采集數據轉化為4～20 mA電流，由型號為RTU-308N和RTU307J的數據采集控制器整合后上傳至電腦主機，經組態王軟件整理后，顯示在系統界面上，并寫入數據庫。

2.1 熱泵循環數據采集系統

熱泵循環系統安裝了4個溫度傳感器、4個壓力傳感器、1個功率表、1個總輻射表、1個風速儀和1個質量流量計。其中，溫度傳感器、壓力傳感器分別用來監測工質R290在集熱/蒸發器出口、壓縮機出口、冷凝器出口和電子膨脹閥出口的溫度和壓力，功率表用來監測壓縮機耗功率，總輻射表用來監測太陽輻射強度，風速儀用來監測環境風速，質量流量計用來監測工質R290的循環質量流量。其詳細規格參數如下所述。

(1) 溫度傳感器為Pt100鉑電阻，測量范圍為-50～150 ℃，測量精度為±0.2% FS。

(2) 壓力傳感器型號為CYZZ11型，測量范圍為-0.1～3 MPa，測量精度為±0.1% FS。

(3) 功率表型號為TED-2WBD，測量電流5 A以內、電壓220 V單相電，測量精度為±0.5% FS。

(4) 總輻射表型號為TBQ-2，測量范圍為0～2 kW/m2，測量精度為±2% FS。

(5) 風速儀型號為HS-FS01，測量范圍為0～30 m/s，測量精度為±0.1 m/s。

(6) 質量流量計型號為DMF-1-1B，測量范圍為0～100 kg/h，測量精度為±0.2% FS。

2.2 地板輻射供暖循環數據采集系統

地板輻射供暖循環安裝了19個溫度傳感器、1個功率表、1個渦輪流量計和1個溫濕儀。其中，溫度傳感器用來監測測試室的地板溫度、墻壁溫度、天花板溫度、室內空氣溫度、地板輻射供暖盤管進口和出口水溫、蓄熱水箱內部水溫。地板溫度由9個溫度傳感器監測，均勻分布于兩條對角線及中心交點上。墻壁及天花板共設置5個溫度測點，分布于四面墻壁和天花板的中心處。功率表用來監測循環水泵耗功率，渦輪流量計用來監測地暖盤管循環水流量，溫濕儀用來監測測試室內部的溫濕度。

系統所用溫度傳感器、功率表與熱泵循環系統相同，其他傳感器的詳細規格參數如下所述。

(1) 渦輪流量計型號為GTLWGY，測量范圍為0.1～6 m3/h，測量精度為0.5%。

(2) 溫濕儀型號為 RSWSI20，溫度測量范圍為-40～80 ℃，濕度測量范圍為0～100% RH，溫度測量精度為±0.5 ℃，濕度測量精度為±2% RH。

2.3 遠程控制系統

實驗平臺的遠程實時控制、監測和數據處理，基于Windows 7操作系統下安裝了向日葵和Teamviewer軟件開發的實驗平臺控制系統。平臺實現了多臺設備對主機的即時監控，且支持通過移動設備跨平臺對主機進行監控和操作，為實驗平臺的高效使用和安全運行提供了保障。

3 實驗平臺功能設計

借助實驗平臺，學生能夠熟悉常用熱工測量儀器和設備的工作原理和使用方法，能夠加深對傳熱學、工程熱力學、工程流體力學、自動控制理論等專業基礎課程知識和制冷原理與技術、熱泵技術與應用、太陽能熱利用技術等專業課程知識的理解。圍繞直膨式太陽能熱泵性能研究，實驗平臺能夠全面測試環境參數、熱泵循環子系統運行參數和地板輻射供暖子系統運行參數，并可以通過參數調整實現系統優化運行，據此可以完成多個基礎性、綜合性、設計性或研究性的實驗項目。

在直膨式太陽能熱泵地板輻射供暖系統性能分析中，采用的性能評價指標主要包括：地板輻射供暖功率、熱泵制熱功率、壓縮機耗功率、循環水泵耗功率、系統制熱系數等。

地板輻射供暖功率Qd為[20]

(1)

式中：n為供暖系統運行期間的時間步長總數；cp,w為水的比熱容(J/kg·℃)；tg,i、th,i分別為第i個時間步長的地板輻射供暖系統供水溫度和回水溫度(℃)；qw,i為第i個時間步長的循環水質量流量(kg/s)；Δτ為時間步長(s)；τ為系統總運行時間(s)。

熱泵制熱功率為[12]

(2)

式中：tw,f、tw,o分別為蓄熱水箱內部水在供暖系統運行結束時的溫度和供暖系統運行開始時的溫度(℃)；Mw為蓄熱水箱內部水的質量(kg)。

壓縮機耗功率為

(3)

式中,Wcom,i為第i個時間步長的壓縮機耗功率(W)。

循環水泵耗功率為

(4)

式中,Wp,i為第i個時間步長的循環水泵耗功率(W)。

系統制熱系數COP為[12]

(5)

4 實驗結果與分析

圖5所示為2021-03-09的部分實驗測試數據分析曲線。實驗測試時間為08:10～11:30，壓縮機與循環水泵始終處于開啟狀態。同時，為降低系統運行初始階段的不穩定對實驗數據處理結果造成的干擾，實驗平臺在07:50開機，運行20 min后的測試實驗數據用來系統性能計算與分析。

可以看出，除風速u在0～0.39 m/s之間波動外，其余環境參數和運行參數均隨時間單調變化。環境溫度ta從7 ℃逐漸升至13.5 ℃，平均值為10.7 ℃;太陽輻射強度I從235 W/m2升至706 W/m2，平均值為436.6 W/m2;熱泵循環的冷凝壓力pc從1 195.7 kPa升至1 896.2 kPa，平均值為1 524.6 kPa;熱泵循環的蒸發壓力pe從425.9 kPa升至748.1 kPa，平均值為556.6 kPa;地板輻射供暖系統的供水溫度tg從27.2 ℃升至47.9 ℃，平均值為37.6 ℃；回水溫度th從25.3 ℃升至43.3 ℃，平均值為34.1 ℃;蓄熱水箱內部水溫tw增加了21.1 ℃，平均值為38.1 ℃;測試室內溫度tr升高了9.4 ℃，平均值為20.0 ℃。

還可以看出，除循環水泵耗功率Wp隨時間變化較小且保持在36～38 W之間外，其他系統性能指標變化較為明顯，且基本隨時間單調變化。系統COP從3.7降至3.0，平均值為3.4;熱泵制熱功率Q從1 834.1 W升至2 247.3 W，平均值為2 075.6 W;地板輻射供暖功率Qd從294.1 W升至707.3 W，平均值為534.5 W;壓縮機耗功率Wcom從497.6 W升至737.1 W，平均值為606.2 W。

綜上，實驗平臺能夠穩定準確地測試各項參數，可以據此進行系統熱力性能全面分析研究。同時，數據也顯示出在低溫工況下，直膨式太陽能熱泵地板輻射供暖系統具有良好的熱力性能。

5 結 語

本文設計并構建了具有遠程操控功能的直膨式太陽能熱泵地板輻射供暖實驗平臺，以課程知識點為切入點，利用科研方向引領專業課程實驗教學內容，實現了教學科研相輔相成、資源共享的良性互動，有助于形成教學與科研一體化的人才培養機制。實踐表明，實驗平臺操作方便、可控性強、開放性強、自主設計研究性強，能夠有效激發學生的學習興趣，取得了良好的實驗教學效果。通過模塊化設計，該實驗平臺可以開展多個基礎性、綜合性、設計性、研究性的教學實驗，服務于課堂理論教學和實驗教學環節，有力促進學生學習能力、創新能力、實驗能力、科研能力等的全面培養。