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多功能空气源热泵系统制热性能实验研究
发布日期:2017/7/7 9:33:50


董建锴1,黄 顺1,姜益强1,姚 杨1, 张欣然2

 

  1. 哈尔滨工业大学市政环境工程学院;2.中国航空规划设计研究总院有限公司

 

摘 要:为了对热泵空调器进行冷凝热回收,本文提出了一种新型多功能空气源热泵系统。通过实验对该系统在供热兼制热水模式下系统性能进行分析。研究结果显示:在采取制热水优先策略的情况下,该系统平均COP 为3.3;室内平均温度在20℃ 以上,达到冬季室内供热的温度标准。本文所设计的多功能空气源热泵系统具有广阔的市场前景。

 

关键词:多功能空气源热泵系统;供热兼制热水;生活热水;实验研究

 

0 引 言

 

  目前,我国城镇住宅生活热水总能耗成为继空调系统能耗之后的第二大建筑能耗[1]。通常采用电或燃气来制取生活热水,这种消耗高品位能来得到低品位能的做法不符合节能环保和可持续发展的要求。家用生活热水温度一般都在40℃~45℃ 左右,而压缩机的排气温度一般都高于这个温度。因此,可以将家用热泵空调器和热水器集成在一起,在冬季利用热泵吸收室外空气的热量,为室内供热或加热生活热水。

 

  国内外已经有很多针对此技术原理的研究。国外早期研究主要针对空调冷凝热回收装置原理的进行可行性和经济性分析[2-4],随后研究深入到热回收技术对系统性能的影响上,主要采用实验和模拟两种研究方法。通过实验,重点研究热回收技术对系统稳态性能的影响上,包括系统COP、能耗及系统匹配等[5-7]。数值模拟主要通过建立系统主要设备的数学模型,包括压缩机、蒸发器、冷凝器和热水箱等,进一步对整个多功能系统性能进行模拟研究,并和常规系统或实验数据进行对比分析等[8-10]。在国内,针对家用空调冷凝热回收的研究起步比较晚。华中理工大学的吴小平设计了两种方案,利用热泵热水器对夏季空调冷凝热进行回收[11]。一是把热泵热水器的冷凝器直接放在储水箱内来加热自来水,二是水箱中的冷水通过中间介质间接吸收冷凝器的热量。清华大学石文星等人提出了一种新型的热泵系统方案[12],这种新型系统可以在夏季利用空调冷凝热加热生活热水,并且能够全年运行。此后,各大学分别对此展开了实验和模拟研究[13-18]。国外对冷凝热回收制取热水的方案研究开展较早,系统设计也比较成熟,而且还有相关的规范指导,不过近几年关于此方面的研究却很少,反而不如国内的多。

 

  虽然国内外对家用空调冷凝热回收制取热水的究很多,但该系统仍然存在着一些问题。目前现有的空调热水系统在冬季运行时,因为功率不足,常常不能同时满足供热和制取热水的双重需求。且在不需要制取热水时也无法实现优先供热,在一定程度上增加了系统的能耗。本文基于此问题,提出了一种新的解决方法,即采用一大一小两个压缩机来避免冬季功率不足的问题,同时对板式换热器设置旁通管道,用户可以通过调整旁通阀门选择优先制热水或者优先供热。本文首先介绍了多功能空气源热泵系统制热循环原理,之后讨论了测点的布置和实验方案,最后对实验结果进行了分析。本文研究工作将为优化设计多功能空气源热泵系统,解决冬季供热兼制热水功率不足以及制热水优先或者供热优先等问题提供有益参考。

 

1 实验台介绍

 

1.1 多功能空气源热泵系统制热循环原理

 

  相对于传统的多功能空气源热泵系统,本系统采用一大一小两个压缩机和旁通板式换热器。系统在冬季供热兼制热水模式运行时,两台压缩机共同运行,通过部分旁通板式换热器,调整制冷剂流经板式换热器和直接进入室内机的比例,使一部分制冷剂在板式换热器中与水换热,另一部分直接进入室内与室内空气换热,这样可以解决冬季供热兼制热水同时进行时功率不足的问题。同时,用户可以通过调整板式换热器的旁通阀门来选择制热水优先或者供热优先。其实验原理如图1 所示。

 

图1 多功能空气源热泵系统制热循环原理图

 

  制冷剂从压缩机中流出,在板式换热器中放热,再流经四通换向阀,在室内机继续与室内空气冷凝放热,然后经过毛细管节流,在室外机蒸发吸热,最后通过气液分离器回到压缩机,保证室内温度和热水供应同时满足要求。室内外风机均开启。

 

1.2 测点布置及测试仪器

 

  多功能空气源热泵系统制热性能测试实验的测点布置如表1 所示。

 

表1 实验测点布置表

 

  温度采用Pt1000 铂电阻测量, 其测温范围为-50℃~400℃,精度为±0.2℃。系统压力采用压力传感器测量,其最大工作压力为3.3MPa,操作温度范围为-40℃~80℃,精度为1 级。水流量用水表进行测量,其量程为0~106m3,精度为±0.0001m3。

 

1.3 实验方案介绍

 

  为了模拟空气源热泵空调冬季使用环境,并防止室外机结霜,控制室外机所处小室环境温度为8℃±0.5℃,湿度20% 左右。多功能空气源热泵系统采用1.5 匹家用热泵型空调器,搭配495W 的小压缩机和100L 储水式电热水箱,满足家庭成员洗澡需要。制取热水时,开启一大一小两台压缩机,在制取热水结束后关闭水泵,并改用一台大压缩机运行,系统就从供热兼制热水模式转换成普通冬季供热模式,实现一机多用。

 

  本实验为尽快制取热水并验证室内供热温度是否达到规范要求,所以采取不调整旁通阀,而是使制冷剂全部流经板式换热器后再进入室内机继续放热。通过对各测点进行温度或压力的测量,研究该系统的COP、送回风温度、热水水温、压缩机吸排气温度及压力的变化特性,从而反映出该系统的启动特性、运行特性及其节能性等。

 

2 实验数据及分析

 

2.1 系统COP

 

图2 供热兼制热水模式系统总COP 变化图

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下总COP 随时间变化情况如图2 所示。系统总共用时59.4min,平均制热水功率3108W。启动时间约8min。之后系统COP 迅速上升至3.0,且总体COP基本都维持在3.2 以上,并保持平滑稳定。在30min后有缓慢上升的趋势,最后超过3.5。这说明系统都是在效率较高的情况下运行的。系统供热兼制热水平均COP 为3.3,相当于普通热泵空调或热泵热水器的正常COP。

 

图3 供热COP 和制热水COP 变化图

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下供热和制热水单独COP 随时间变化情况如图3 所示。在启动后开启水泵,制热水COP 急剧上升至2.4 左右,并保持基本平稳,在45min 后开始缓慢下降。而空调制热COP 明显低于制热水COP,只有1.0 左右,不过在45min 以后有持续上升。这是因为本实验采用的是让制冷剂完全流过板式换热器再进入室内机放热,而没有部分制冷剂旁通,其目的是测试在快速制取热水的同时室内能否正常供热。

 

2.2 室内机送、回风温度变化

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下室内机送风温度随时间变化如图4 所示。启动后,送风温度逐渐升高,且上升速率逐渐加快,前40min只从24.6℃ 上升到26.0℃,而后15min,送风温度快速上升,到制热水结束时,送风达到29.0℃。在热水温度达到36.0℃ 后,送风温度明显升高。

 

图4 供热兼制热水模式室内机送风温度变化图

 

图5 供热兼制热水模式室内机回风温度变化图

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下室内机回风温度随时间变化情况如图5 所示。室内机平均回风温度是室内机送风与室内空气经过充分混合后的空气温度,代表了室内的平均温度。同样的,启动后,先经过一个平缓的上升,40min 后,室内平均温度快速上升。但是回风平均温度曲线小波动较多,没有送风曲线平滑。这是因为送出的风要与室内空气混合形成回风,可能存在混合不均匀形成小波动,但总体温度是上升的趋势。而且都在20℃以上,达到冬季室内供热的温度标准。

 

2.3 压缩机吸、排气温度及水箱平均温度

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下压缩机吸、排气温度及水箱平均温度随时间变化如图6 所示。

 

图6 压缩机吸、排气温度及水箱平均温度变化

 

  在启动段之后,热水温度很快上升到30.0℃,然后平稳上升,直到实验结束,可超过45.0℃。压缩机排气温度基本在52.0℃~60.0℃之间,起初较高,而吸气温度在1.0℃~5.0℃之间,起初较低,后来缓慢上升,这是由于刚开始供热兼制热水时进水温度较低,系统负荷较大,后来水箱中水温逐渐升高,系统只要负担供热负荷和少部分热水负荷。

 

2.4 压缩机吸、排气压力

 

图7 压缩机总吸、排气压力变化图

 

  多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式下压缩机总吸、排气压力如图7 所示。排气压力基本在2.00MPa~2.20MPa之间。而吸气压力基本稳定在0.20MPa左右,稍微低于正常热泵空调器的吸气压力。这是因为采用了两个压缩机,使压缩比增大,可能降低了蒸发压力,而且改造试验台时制冷剂多次充灌,制冷剂不纯也可能导致压缩吸气压力降低。

 

3 实验结论

 

  本文主要针对多功能空气源热泵系统在供热兼制热水模式工况下采取制热水优先策略进行实验测试并进行数据分析,得到以下结论:

 

  该多功能空气源热泵系统实现了家用热泵空调与热水器的一体化,一机多用,节省了空间。既可以集成安装,也可由原来单独的家用空调和热水器改造而成,适用于城市一般家庭中。

 

  该系统制热水结束总共用时59.4min,平均制热水功率3108W,制热兼制热水平均COP 为3.3,相当于普通热泵空调或热泵热水器的正常COP。

 

  压缩机排气温度基本在52.0℃~60.0℃之间,而吸气温度在1.0℃~5.0℃之间,略微低于普通热泵空调器的吸气温度。

 

  在启动段之后,送风温度逐渐升高,且上升速率逐渐加快。室内平均温度在20.0℃ 以上,达到冬季室内供热的温度标准。

 

参考文献

 

  [1] 马最良, 姚杨, 姜益强. 哈尔滨工业大学热泵研究工作的回顾[J]. 制冷空调与电力机械. 2004, 25(3):1–6.

  [2] Healy C T, WetheringtonJr T I. Water Heating by Recovery of Rejected Heat From Heat Pump[J].ASHRAEJournal, 1965, 4:68–74.

  [3] Mason R S, Bierenbaum HS. Energy Conservation through Heat Recovery Water Heating [J]. ASHRAE Journal.1977, August:36–40.

  [4] Perlman M. Heat PumpWater Heater—a Better Water Heating Approach [J]. ASHRAE Transactions.1984,90(1B):191–205.

  [5] Goldschmidt V W.Desuperheater Water-Heater and Air-to-Air Heat pump System: Representative PerformanceData [J]. ASHRAE Trans, 1990, 96(Part 2):417–21.

  [6] Lee A H W, Jones J W.Performance Data for a Desuperheater Integrated to a Thermal Energy Storage System[J]. Energy Engineering. 1995, 92(1):6–25.

  [7] Chaiwongsa P,Duangthongsuk W. Hot Water Making Potential Using of a Conventional Air-Conditioneras an Air-Water Heat Pump[J]. Procedia Engineering, 2011,8:165–170.

  [8] Baxter V D. Comparisonof Field Performance of a High-Efficiency Heat Pump with and without a DesuperheaterWater Heater [J]. ASHRAE Transactions.1984, 90(2):180–190.

  [9] Bong T Y, Hawlader M NA, Mahmood W. The Prospect of Incorporating Desuperheaters to RoomAir-Conditioners for Tropical Application [J]. ASHRAE Transactions, 1988,94(1):340–349.

  [10] Toh K C, Chan S K.Thermosiphon Heat Recovery from an Air-Conditioner for a Domestic Hot Water System[C].The 1993 Winter Meeting of ASHRAE Transactions. Part 1, Chicago, IL, USA,01/23–27/93.1993:259–264.

  [11] 吴小平, 郑泠. 家用热泵热水装置的试验研究[J].制冷, 1998 (3): 1–5.

  [12] Shi W X, Shao S Q,Wang B L, et al.Thermodynamics analysis and thermoeconomics evaluation on heatrecovery inverter air-cooling heat pump with domestic hot water[C]. Proceedingsof the seventh International Energy Agency conference on heat pumptechnologies. 2002,2: 889–94.

  [13] 季杰, 裴刚, 何伟. 空调- 热水器一体机制冷兼制热水模式的性能模拟和实验分析[J]. 暖通空调,2003, 33(2):19–23.

  [14] Yi X W, Lee W L. TheUse of Helical Heat Exchanger for Heat Recovery Domestic Water-CooledAir-Conditioners [J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(2):240–246.

  [15] 陈则韶, 李志宏, 史敏等. 冷暖空调热水三用机的功能控制[J]. 流体机械, 2009, 37(3):69–72.

  [16] 王洪磊. 带热水供应的热泵空调器实验研究[D].哈尔滨工业大学, 2011.

  [17] 江乐新, 钟杰, 黎恢山. 空调热水一体机制热兼制热水性能研究[J]. 热科学与技术, 2010,9(004):364–368.

  [18] 周建勇. 复合冷凝/ 蒸发四功能热泵热水空调机组性能研究[D]. 湖南大学, 2010.

 

来源:《建筑环境与能源》杂志

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