蓄能型空氣源熱泵熱水機組性能實驗

曹 琳，倪 龍，李炳熙，呂永鵬

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，1500001 哈爾濱，caolin1212@126.com;2.南京理工大學能源與動力工程學院，210094 南京;3.哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所，150090 哈爾濱)

蓄能型空氣源熱泵熱水機組性能實驗

曹 琳1，2，倪 龍3，李炳熙1，呂永鵬3

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，1500001 哈爾濱，caolin1212@126.com;2.南京理工大學能源與動力工程學院，210094 南京;3.哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所，150090 哈爾濱)

為了探索蓄能型空氣源熱泵熱水機組的原理及應用的可行性，研制了實驗樣機，并通過實驗測試對機組在各種模式下的運行性能進行研究.結果表明:機組在蓄熱、蓄熱蓄冷、單供熱水以及供熱水同時供冷水模式下均能實現高效運行，尤其是在蓄熱蓄冷和供熱水同時供冷水模式下機組運行平均能效比更高;在蓄能運行時，蓄冷罐和蓄熱罐內水溫分布比較均勻，有利于提高機組的蓄能能力.增加蓄冷罐的體積以及降低壓縮器啟動控制點的位置，有助于改善機組的節能效果和提高機組運行的可靠性.

蓄能;空氣源熱泵熱水機組;能效比;實驗

將熱泵技術應用到熱水供應方面的研究較早，國內外學者也已經做了大量的工作.但從國內外相關研究現狀來看，研究的內容主要集中在機組的動態特性［1-3］，不同換熱器形式［4-5］，蓄熱裝置的設計和蓄熱特性［6］以及高溫制冷工質特性［7］等方面.此外，常規的空氣源熱泵機組相關產品大致有2種形式:一種是單純以供應熱水為目的的空氣源熱泵熱水機組［8］;另一種是以空調運行為主的帶熱水供應的空氣源熱泵空調機組［9-10］.前一種形式在夏季供應熱水時，蒸發器不斷向環境釋放冷量，造成冷量大量浪費;冬季供應熱水時，又存在供熱量不足和室外換熱器結霜問題.而后一種形式是以空調運行為主，在夏季運行時利用空調冷凝熱來供應熱水，但是，在空調停止運行或在冬季、過渡季節不使用空調時，熱水的供應只能靠輔助電加熱作為主要熱源.

為此，本文提出一種新的蓄能型空氣源熱泵熱水機組形式［11］，以熱水制備為主，夏季回收冷量用于空調，并通過夜間蓄能，實現電力的削峰填谷，特別適合熱水供應量大且需要供冷的場合.本文通過實驗測試，探究蓄能型空氣源熱泵熱水機組在各種模式下運行性能.

1 蓄能型空氣源熱泵熱水機組的提出及樣機試制

1.1 蓄能型空氣源熱泵熱水機組系統原理

本文提出的蓄能型空氣源熱泵熱水機組，能夠通過蓄能達到移峰填谷，并提供系統除霜的外部熱源，改善系統的運行條件，保證了系統全年高效節能運行，而且還能在夏季和過渡季提供免費供冷，很好解決了目前空氣源熱泵熱水供應形式的運行弊端.

如圖1所示，蓄能型空氣源熱泵熱水機組全年可在夜間蓄熱模式、單供熱水模式、蓄熱蓄冷模式、供熱水同時供冷水模式等多種運行模式下運行.夜間蓄熱模式運行流程:1→2→3→5→6→7→8→2→9→1，熱水通過熱水循環泵14經板式冷凝器循環加熱;單供熱水模式是在蓄熱模式運行后，開啟閥門10和11，冷水從蓄熱罐底部進入，熱水從蓄熱罐上部流出.當熱水溫度下降至不能滿足于繼續供應的溫度時，機組切換到蓄熱模式，直到熱水溫度達到供應要求;蓄熱蓄冷模式運行流程:1→2→3→5→17→16→15→2→9→1，熱水通過熱水循環泵14經板式冷凝器循環加熱，冷水通過冷水循環泵18經板式蒸發器循環降溫;供熱水同時供冷水模式是在蓄熱蓄冷模式運行后，通過蓄熱罐供應熱水，通過蓄冷罐供應制冷需要的冷凍水.當熱水溫度下降至不能滿足繼續供應的溫度時，機組切換到蓄熱蓄冷模式，直到熱水溫度達到供應要求，再繼續供應冷熱水.

圖1 蓄能型空氣源熱泵熱水機組系統原理以及實驗測點分布

1.2 實驗樣機的試制

如圖2所示，試制的蓄能型空氣源熱泵熱水機組樣機，額定制熱量為15 kW.其中，渦旋壓縮機額定輸入功率 4.43 kW，排氣量 14.3 m3/h.板式冷凝器傳熱面積1.6 m2，板式蒸發器傳熱面積1.2 m2，翅片蒸發器外表面傳熱面積 25.9 m2，傳熱管每排24根，3排.蓄熱罐和蓄冷罐容積均為467.4 L，直徑600 mm，高度 1.6 m.

蓄能式熱泵熱水機組樣機測試實驗是在某空調公司柜機測試中心進行的，該公司柜機檢測中心被國家壓縮機制冷設備質量監督檢驗中心認定為委托裝置，可實現流量、溫度、壓力、濕度等參數的測量和復雜的PLC邏輯控制.各項試驗條件均能夠滿足蓄能式熱泵熱水機組樣機測試實驗的要求.具體的測點分布可參照圖1，其中，T為溫度，采用熱電偶測試;p為壓力，采用壓力變送器測試;L為流量，采用流量計測試.

圖2 試驗樣機照片

2 實驗結果分析

在實驗過程中，機組在4種模式運行，由于熱水溫度是不斷變化的，在1個運行周期內系統的各個性能參數也是時刻變化的，機組的能效比REE(Energy efficiency ratio)是1個運行周期內的平均值.蓄熱模式的運行周期是蓄熱罐內的熱水平均溫度加熱至50℃時，機組運行的時間;蓄熱蓄冷模式的運行周期是蓄冷罐內的冷水從初始溫度降至4℃時，機組運行的時間;供熱水模式以及供熱水同時供冷水模式的運行周期是出水溫度為50℃的熱水以一定的流量向用戶供水，當溫度降至40℃，停止供熱水，并開啟機組進行加熱直到板式換熱器出水溫度達到55℃時，總共消耗的時間.

2.1 蓄熱模式運行特性分析

圖3(a)、3(b)分別給出了在室外干球溫度20℃，濕球溫度 15℃，且熱水循環流量為2.25 m3/h的條件下，機組蓄熱模式運行，蓄熱罐內沿高度方向上各層水溫、機組制熱功率、機組總耗功率以及機組REE隨時間的變化情況.

由圖3(a)蓄熱罐內水溫分布可知，在蓄熱過程中的任一時刻，位于循環熱水進水口(高度1 005 mm)處的水層溫度較高，并向兩側逐漸遞減;位于蓄熱罐循環熱水出水口(高度125 mm)以下部分形成“死區”，“死區”內水溫偏低，與上層的水溫形成一定的溫度梯度.除去“死區”部分，在整個蓄熱過程中，蓄熱罐內各層水溫度相差不大，溫度層間最大溫差不超過2℃，水溫分布較為均勻，即使位于蓄熱罐內熱水進水口以上的部分也沒有出現較為明顯的水溫分層現象.這種比較均勻的水溫分布，有利于提高機組的蓄熱能力.這是由于在一定的蓄熱罐體積和最高循環熱水進水溫度的條件下，蓄熱罐內的熱水溫度分布越均勻，蓄熱罐的蓄熱量越大.此外，由于“死區”溫度較低，不利于充分利用蓄熱罐的蓄熱體積，因此，在蓄熱罐設計中應盡量避免.

從圖3(b)中顯示的結果可看出，機組制熱功率隨蓄熱時間的增加而逐漸下降，在整個蓄熱過程中，機組制熱功率下降了11.11%.相對于機組制熱功率的變化，機組總耗功率的增加卻相對較大，在整個蓄熱過程中，機組總耗功率上升近46.1%.制熱功率的下降和機組耗功的增加，致使機組REE隨著蓄熱罐內水溫的上升而迅速下降，由蓄熱剛開始時的5.45下降到終了時的2.68.這是由于在蓄熱初始階段，罐內水溫偏低，機組運行在比較好的工況環境下，冷凝壓力和排氣溫度都相對較低，機組的制熱能力相對較高，消耗功率相對較低，REE也就相對高;在蓄熱的后期，蓄熱罐內水溫較高，造成冷凝壓力偏高，致使壓縮機的功耗迅速增加，REE迅速下降.盡管如此，在整個蓄熱過程中，機組的平均REE可達3.78.

圖3 蓄熱模式下蓄熱罐內水溫及機組運行參數

2.2 蓄熱蓄冷模式運行特性分析

圖4給出了室外干球溫度25℃，濕球溫度20℃，且冷凍水和熱水循環流量分別1.96 m3/h和2.25 m3/h的條件下，蓄冷蓄熱模式下蓄冷罐內水溫分布，機組的制冷功率、制熱功率、總耗功以及REE隨時間的變化情況.

從圖4(a)中可以看出，由于機組制取的冷水從蓄冷罐底部進入，致使蓄冷罐下層的水溫下降較為迅速，上層水溫延時下降，并逐漸在蓄冷罐內形成斜溫層.但是，由于冷凍水循環流量對于蓄冷罐內溫度層的擾動較大，以及板式蒸發器進出水溫差的限制，致使斜溫層相對較短，溫差也并不大，最高層與最低層溫差僅有2.5℃左右.與蓄熱罐類似，蓄冷罐內較均勻的水溫分布，有利于提高機組的蓄冷能力.

由圖4(b)可知，機組在蓄熱蓄冷模式下運行的時段為0～31.5 min，機組運行到 31.5 min時，由于板式蒸發器出水溫度超過預設定值2℃，蓄冷結束，但由于蓄熱溫度未超過設定值，此時關閉板式蒸發器，開啟風冷翅片管蒸發器，機組處于蓄熱模式運行.在蓄熱蓄冷階段，隨著蓄熱罐內水溫不斷升高、蓄冷罐內水溫不斷降低，機組制熱功率下降、耗功率上升，REE由 10.57 下降到 6.12.當切換至蓄熱模式時，由于室外溫度相對較高，翅片管蒸發器開啟后，機組制熱功率在短時間內迅速升高，并出現明顯拐點.同時，由于此時的制冷功率沒有被回收，故這時的REE相對低些.根據實測數據，在蓄熱蓄冷模式下，機組平均 REE可達7.24;整個運行期間，機組平均 REE為 5.02，蓄熱時間長達 72.5 min，而蓄冷時間僅有 31.5 min.因此，要想充分回收蒸發冷量，進一步提高機組運行的經濟性，至少應將蓄冷罐體積再擴大1倍以上.

圖4 蓄熱蓄冷模式下蓄冷罐內水溫及機組運行參數

2.3 單供熱水模式運行特性

圖5(a)、5(b)分別給出了室外干球溫度20℃，濕球溫度 15℃，熱水出水流量為0.2 m3/h，機組在供熱水模式運行時，壓縮機啟動控制點溫度、蓄熱罐內熱水平均溫度、熱水供水溫度、機組制熱功率、供熱功率、耗功率和機組REE隨時間的變化規律.

圖5(a)中所示的壓縮機啟動溫度控制點是為了保證機組具有45℃以上出水溫度而設置的，在本實驗中，該控制點設在離蓄熱罐底部距離為700 mm的位置，當該點溫度低于40℃時，啟動機組加熱熱水.從圖中可以看出，在前45 min運行時間內，壓縮機啟動溫度控制點溫度始終維持在51.9℃，但在45 min至52 min時間段內，該點溫度由51.9℃驟減到39.6℃.此時，需要啟動壓縮機對蓄熱罐內的熱水進行加熱.在壓縮機啟動后，蓄熱罐內熱水溫度層受流入冷水的影響而被破壞，熱水溫度逐漸趨向均勻，最終使機組供水溫度低于45℃，無法滿足用戶要求，熱水供應中斷.在熱水供應停止以后，罐內熱水溫度迅速被加熱，在停水15 min后，供水溫度重新升至45℃，則繼續向用戶供應熱水，此后，蓄熱罐內熱水平均溫度和供水溫度不斷上升，直至熱水進水溫度達到55℃時，完成1個熱水供應周期.由于熱水供應流量對持續供熱水影響較大，為避免供水中斷，可適當降低壓縮器啟動控制點的位置.

由圖5(b)可知，從供水開始到供水中斷前1 min，由于供水溫度基本維持在50℃，故機組供熱功率較穩定.壓縮機啟動時，由于板式換熱器進水溫度較低，則機組制熱功率和REE較高.但是，隨著機組運行時間的延長，蓄熱罐內的熱水逐漸趨向均勻，板式換熱器進水溫度升高，機組的REE自然也隨之下降.在供熱水中斷后，由于無冷水進入蓄熱罐，板式換熱器進水溫度上升，機組的制熱功率和REE都隨之下降.恢復供熱水后，由于板式換熱器的進水溫度下降，機組的制熱功率和REE有所上升，此后又開始下降.這是由于供熱水流量相對循環熱水流量較小，冷水補水量對于機組制熱功率和REE的提升有限.在1個供水周期內，機組的平均REE為 3.25.

圖5 單供熱水模式下壓縮機啟動控制溫度、供水溫度、蓄熱罐平均水溫及機組運行參數

2.4 供熱水同時供冷水模式運行特性

圖6(a)和圖6(b)分別給出了室外工況為干球溫度25℃、濕球溫度20℃條件下，熱水出水流量為 0.2 m3/h，冷水出水流量為 1.03 m3/h，機組在供熱水同時供冷水模式下運行時，機組主要運行參數隨時間的變化規律.

圖6 供熱水同時供冷水模式下機組運行參數

從圖6(a)、6(b)顯示的結果可知，在冷熱水同時供應時，壓縮機啟動前，蓄熱罐內平均水溫逐漸下降，蓄冷罐內平均溫度逐漸上升.此時，冷水供水溫度逐漸由最初的4.5℃上升到14.4℃，此時，供冷量由6.45 kW逐漸降低到3.82 kW.當機組運行到53 min時，壓縮機啟動控制點溫度低于40℃，壓縮機啟動，開啟板式蒸發器進行蓄冷，機組供冷量也隨之上升.在壓縮機啟動后8 min至20 min之間，由于供熱水溫度低于45℃，熱水供應中斷.此時，蓄熱罐內水溫逐漸上升，致使蓄冷罐供冷功率隨之下降.當熱水供應恢復后，板式冷凝器進水溫度降低，蓄冷罐供冷功率隨之上升.當機組運行至121 min，板式冷凝器出水溫度達到55℃，完成1個供水運行周期.相對單供熱水模式，機組能效比有大幅度升高，尤其壓縮機剛啟動時，REE可以達到7，在1個供水周期內，機組平均REE為 4.52.

3 結論

1)在蓄熱模式和蓄熱蓄冷模式下，蓄能型空氣源熱泵熱水機組均具有較高的運行能效比，尤其是在蓄熱蓄冷模式下，其平均能效比REE可達7.24.為了進一步節能，可適當增大蓄冷罐的體積.

2)在蓄熱運行時，除“死區”外，蓄熱罐內各層水溫度相對比較均勻，這對于蓄熱是十分有利;蓄冷運行時，蓄冷罐內斜溫層出現在蓄冷罐上部，但斜溫層厚度并不大，其余各層水溫也相對均勻.

3)在單供熱水模式和供熱水同時供冷水模式下，機組運行平均 REE分別為 3.25和 4.52，熱水供應流量對持續供熱水影響較大，為了避免供水中斷，可適當降低壓縮器啟動控制點的位置，或者減少蓄熱罐熱水擾動.

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Performance experiment of air-source heat pump-based hot water unit with energy-storage

CAO Lin1，2，NI Long3，LI Bing-xi1，Lü Yong-peng3

(1.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China，caolin1212@126.com;2.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science＆ Technology，210094 Nanjing，China;3.Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To research the principle of air-source heat pump water unit with energy storage and the application feasibility in this field，the prototype of the hot water unit is developed.Performance of the unit in every mode is studied by experiments.Test results show that the unit can efficiently work in multiple modes，such as heat storage mode，heat and cooling storage mode，hot water supply mode，hot water and chilled water supply mode.Especially，the unit works with higher average energy efficiency ratio in heat and cooling storage mode as well as hot water and chilled water supply mode.In energy storage process，water temperature distribution in hot/chilled water tanks is comparatively uniform，which is favorable for improving the capacity of thermal storage.At the mean time，increasing accumulator volume and debasing location of compressor startup can improve the energy-saving potential and enhance reliability of the unit.

energy storage;air-source heat pump-based water unit;energy efficiency ratio;experiment

TU831.6

A

0367-6234(2011)10-0071-05

2010-06-05.

廣東省教育部產學研合作項目(2008B080501013).

曹 琳(1979—)，女，博士后;

李炳熙(1962—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 魏希柱)