蓄能型熱泵機組供熱水運行特性

王 洋，曹 琳，倪 龍，馬最良，姜安璽

（哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，150090 哈爾濱，hz－jts@126.com）

蓄能型熱泵機組供熱水運行特性

王 洋，曹 琳，倪 龍，馬最良，姜安璽

（哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，150090 哈爾濱，hz－jts@126.com）

為了解蓄能型空氣源熱泵機組供熱水運行特性，通過實驗研究蓄能型空氣源熱泵機組在不同工況下的性能.結果表明:該機組在不同工況下供應熱水時均運行較好，當供熱水流量較小時，運行能效較高;當熱水循環流量較大時，對蓄熱罐內擾動較強，會導致熱水供應中斷現象的發生，且中斷時間隨室外溫度降低而延長;此外，室外環境溫度對機組能效影響較大，室外溫度越低，機組供熱能力和平均能效比(REE)會越小.

空氣源熱泵;供熱水;特性;實驗研究

隨著我國經濟社會不斷發展和人們生活水平的日益提高，現代公共建筑中熱水供應能耗越來越大，其所占建筑能耗的比例也不斷升高.據統計，目前我國寫字樓、商場等公共建筑中熱水供應能耗占建筑總能耗比例最高已超過40%［1］.在國家節能減排、低碳經濟等宏觀政策引導下，在經濟效益、社會效益、環境效益杠桿及資源壓力的綜合作用下，傳統的化石燃料鍋爐和電鍋爐等公共建筑熱水供應設備將逐漸被高效節能的熱泵系統所替代.當前，具有熱水供應功能的空氣源熱泵機組主要有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［2－4］;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［5－7］.這2種形式的熱泵熱水機組在供應熱水時都存在一定不足，前一種是夏季供應熱水時無法回收寶貴的空調冷量;后一種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熱源.因此，亟需對這些常規的空氣源熱泵機組加以改進，以進一步挖掘其節能潛力，為確保其全年高效節能運行，文獻［8］提出了一種改進的空氣源熱泵機組，即蓄能型空氣源熱泵冷熱水機組.該機組以熱水制備功能為主，同時在夏季可回收冷量用于空氣調節，并且通過夜間蓄能，可實現電力負荷的削峰填谷.文獻［9］對該機組名義工況下的蓄熱、蓄熱蓄冷、單供熱水、同時供應熱水和冷水等4種模式的性能進行研究，結果表明名義工況下機組各種模式均可實現高效運行.由于該新型熱泵機組的主要功能為熱水供應，因此研究其不同工況下的供熱水運行特性對于了解整個機組的特性乃至相關產品的研發至關重要.為此，本文在文獻［9］研究的基礎上，對該機組在不同工況下的供熱水運行特性進行了實驗研究.

1 蓄能型熱泵機組組成

圖1給出了蓄能型熱泵冷機組的組成原理及樣機實驗測點分布.該機組的主要運行模式有:蓄熱模式、單供熱水模式、蓄熱蓄冷模式和供熱水同時供冷水模式4種.當機組供應熱水時，可能出現2種運行模式，即蓄熱模式和單供熱水模式.其中，在蓄熱模式下，制冷劑的運行流程為:1→2→3→5→6→7→8→2→9→1，而熱水則通過熱水循環泵14經板式冷凝器循環加熱，最后蓄存在蓄熱罐12中;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足以繼續供應時，機組切換到蓄熱模式，直到熱水溫度達到供應要求.按照圖1所示的組成原理，本文試制了額定制熱量為15 kW的蓄能型熱泵機組樣機，具體各部件參數可詳見文獻［9］.

2 實驗方案

為深入分析機組在供熱水運行時的特性，在國家壓縮機制冷設備質量監督檢驗中心認定的某空調公司測試中心開展了實驗研究.在試驗臺的室內側和室外側均設置有溫、濕度采樣器，通過干濕球溫度計來測量環境的溫度、濕度，其他各項參數的測點分布如圖1所示.其中，機組各處制冷劑溫度采用精度為0.1℃的鉑電阻溫度傳感器測量，蓄熱罐、蓄冷罐內部溫度均采用精度為0.1℃的銅－康銅熱電偶，壓縮機吸排氣壓力采用精度為10－3MPa的壓力變送器，蓄熱罐和蓄冷罐進水口、板式冷凝器和蒸發器出水口流量均采用精度為10－5m3的流量計.

3 實驗結果及分析

測試3種工況:名義工況(干球溫度20℃，濕球溫度15℃)、低溫工況(干球溫度12℃，濕球溫度9℃)和除霜工況(干球溫度5℃，濕球溫度4℃).測試時間:樣機完成蓄熱過程后，即蓄熱罐循環熱水進水溫度達到設定值55℃時開始供應熱水，至下一次壓縮機開啟，完成蓄熱過程的一個完整的供熱水周期.

3.1 名義工況下機組供熱水運行特性

圖2給出了機組的熱水出水流量為200 L/h，在名義工況下供熱水模式運行時，熱水供水溫度及蓄熱罐內熱水平均溫度隨時間的變化規律.從圖中可看出，在運行0～45 min時，壓縮機啟動溫度控制點溫度始終維持在52℃，但在45～50 min時，該點溫度由52℃減到40℃，從而啟動壓縮機，對蓄熱罐內的熱水進行循環加熱.在壓縮機啟動后的10 min內，由于蓄熱罐內水溫度層受循環水流的影響而被不斷破壞，蓄熱罐內的熱水溫度逐漸趨向均勻，最終使機組供水溫度低于45℃.此時，出水溫度過低熱水供應被迫中斷.在停水15 min以后，供水口溫度重新升高到45℃，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，直至蓄熱罐循環熱水進水溫度達到55℃時，壓縮機停止運行，完成1個熱水供應周期.

圖2 熱水溫度隨運行時間的變化

圖3是機組供水運行時，蓄熱罐內水溫分布隨時間變化曲線.從圖中可看出，由于蓄熱罐罐體直徑較大，供熱水流量較小，則蓄熱罐內水流速很小，因此，從蓄熱罐底部進入到蓄熱罐內的冷水對于蓄熱罐內水溫分布擾動很小，蓄熱罐內的水溫分布形成非常明顯的冷熱水分界現象，隨著供水時間的增長，分界面逐漸上升，分界面經過的位置，該處溫度都會發生驟降，這也就造成了圖2中出現的熱水供水溫度在某時刻發生突然下降的現象.

圖3 蓄熱罐內水溫分布隨時間變化

圖4給出了在名義工況條件下，機組的制熱功率、供熱功率、耗功率和能效比REE隨時間的變化情況.從圖中可以看出，從供水開始到供水中斷前1 min，由于供水溫度一直維持在50℃附近，故機組供熱功率比較穩定.壓縮機剛啟動時，由于蓄熱罐下部熱水溫度較低，則板式換熱器進水溫度較低，機組制熱功率和REE都較高.但隨著壓縮機啟動后運行時間的延長，蓄熱罐內的熱水在循環水流的作用下逐漸趨向均勻，板式冷凝器進水溫度升高，機組制熱功率下降，機組的REE也隨著下降，而耗功率則不斷升高.在供熱水中斷后，由于無溫度較低的冷水進入蓄熱罐底部，致使板式冷凝器進水溫度上升，制熱功率和機組的REE都有所下降.在恢復供熱水后，由于溫度較低的冷水重新進入蓄熱罐底部，板式冷凝器的進水溫度下降，機組制熱功率和REE有所上升，此后又開始下降，這是因為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.經計算，1個供熱水周期內機組的平均REE約為3.25.

圖4 供熱水模式下機組制熱功率、供熱功率、耗功率和REE隨時間的變化

3.2 不同室外工況對機組供熱水運行特性的影響

圖5和圖6分別給出了在低溫工況和除霜工況下，供熱水流量為200 L/h時，蓄熱罐內平均溫度和供熱水溫度、機組的供熱功率、制熱功率和耗功率隨時間的變化規律.

圖5 不同室外工況蓄熱罐內平均溫度和供水溫度隨時間的變化

名義工況如圖2和圖4所示，低溫和除霜工況如圖5和圖6所示，對比不同工況下機組供熱水模式下的運行特性曲線，可見名義工況和低溫工況均在壓縮機啟動后蓄熱罐內熱水平均溫度不斷上升，最終在板式冷凝器出水溫度達到55℃時停機并完成1個供水周期，但在除霜工況下，由于機組每隔一段時間就要除霜，導致蓄熱罐內的水溫在除霜過程中有所下降，當除霜結束后，蓄熱罐內的水溫又會不斷上升，最終使出水溫度維持在45～46℃之間波動，板式冷凝器的出水溫度也不會達到55℃而停機.實質上是由于機組制熱量不足導致的，在機組產品化過程中，可以采取加大風冷翅片管蒸發器蒸發面積等措施予以改進.

圖6 不同室外工況條件下供熱水模式機組制熱功率、供熱功率和總耗功率隨時間的變化

從圖中還可看出，由于供熱水流量均為200 L/h，且壓縮機啟動控制點位置相同，故3種工況下壓縮器啟動前的時間相差不大.但是，三者的停水時間相差較大，低溫工況的停水時間約為名義工況的1.5倍，除霜工況的停水時間約為名義工況的3.5倍.這是由于在室外溫度較低時，自來水進水溫度較低，造成壓縮器啟動時蓄熱罐內平均水溫較低，而且在低溫條件下機組制熱功率較小，最終使供水中斷時間隨著室外溫度的下降而明顯延長.溫度較低時的制熱功率的下降也造成機組在供水周期內平均REE的下降，經計算，低溫工況下機組平均 REE僅為名義工況下的71.7%，除霜工況下機組平均REE僅為名義工況下的55.6%.這是由于在較低的環境工況下，機組制熱能力下降，同時機組除霜也需要消耗一定的制熱量.

3.3 不同供熱水流量對機組供熱水運行特性的影響

圖7和圖8分別給出了在名義工況下，供熱水流量分別為100、300 L/h時，蓄熱罐內平均溫度、供水溫度和機組供熱功率、制熱功率、機組耗功率和REE隨時間的變化規律.圖2和圖4均為200 L/h的供熱水流量，圖7和圖8分別為100、300 L/h的供熱水流量.對比名義工況下，不同供熱水流量機組供熱水運行特性曲線可見:由于壓縮機啟動控制點位置相同，供熱水流量越大，壓縮機啟動前運行時間越短，100、200 L/h和300 L/h流量下運行時間分別為80、50 min和30 min.但是，在3種不同供熱水流量下，壓縮機啟動后至供水中斷之間的時間相差不大，都在10 min左右.這充分說明，由于熱水供應流量相對循環熱水流量較小，導致供水中斷的主要原因是循環水流的擾動作用，使得蓄熱罐內水溫迅速達到一致.

圖7 不同供水流量下熱水溫度隨時間的變化

從運行周期上來看，供熱水流量為100 L/h和200 L/h的運行周期時間相差不大(均為130 min左右)，這是由于當供熱水流量為100 L/h時，雖然壓縮機啟動前運行時間較長，但是在壓縮機啟動后由于供熱水流量較少，蓄熱罐內水溫上升較快，使得壓縮機啟動后運行時間縮短，最終供熱水周期時間與供熱水流量為200 L/h時的基本相同.而在熱水供水流量為300 L/h時，其運行周期約為200 min.這是由于供熱水流量大，蓄熱罐內熱水加熱速度明顯降低，尤其在蓄熱罐內平均水溫達到50℃以上時，由于板式冷凝器進水溫度較高，機組制熱功率較低，蓄熱罐內熱水加熱速度更為緩慢，最終造成機組供熱水周期相比前兩者有較大的增長，同時由于在較長時間內板式冷凝器的進水溫度都在50℃以上，也使得機組在1個供水周期內平均REE相對較低.經計算，當供熱水流量為100、200 L/h和300 L/h時，機組的平均REE分別為3.32、3.25和3.05.因此，較小的供水流量對機組在供熱水模式下運行更為有利，不僅能延長供水時間，也有利于機組保持較高的運行效率.

圖8 不同供熱水流量下機組制熱功率、供熱功率、耗功率和REE隨時間的變化

4 結論

1)機組在不同工況下供熱水時均運行較好，其中名義工況下，一個運行周期內平均制熱能效比REE可達到3.25.

2)在供熱水時由于循環熱水流量較大，對于蓄熱罐內擾動較強，可能出現供水中斷現象，且供水中斷時間會隨著室外溫度的降低而延長.因此，針對熱水供應量大且持續的場所，為避免供水中斷現象，計算選擇合理的熱泵機組容量尤為重要.同時，采用降低壓縮機啟動控制點位置或提高控制點溫度，在蓄熱罐循環熱水進口增加布水器，減少熱水循環水流對罐內水溫分布的擾動等技術措施也有利于延緩該現象的發生.

3)機組在供熱水模式下運行受室外工況影響較大，室外溫度越低，機組制熱能力和平均REE越低，尤其在除霜工況下，由于機組制熱量不足，造成機組熱水供應溫度較低.因此，在機組產品化過程中，可以采取加大風冷翅片管蒸發器蒸發面積等方法予以改進.

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Performance of energy-storage air source heat pump in hot water supply mode

WANG Yang，CAO Lin，NI Long，MA Zui-liang，JIANG An-xi

(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，hz－jts@126.com)

To discuss the operating characteristics of a new kind of energy-storage air source heat pump when supplying hot water，the unit's performance in different conditions was studied by experiments.The results show that the unit can operate efficiently and stably，and the unit's mean REEreduces with the increase of hot water supply flux.There also exists a break of hot water supply because the high flow rate of circulation water causes intensive disturbance in the heat storage tank，and the time of break is prolonged with the decrease of outdoor temperature.Moreover，the heat supple ability and mean REEof the unit reduces with the decrease of outdoor temperature.

air source heat pump;hot water supply;characteristics;experimental research

TU831.6

A

0367－6234(2011)12－0109－05

2010－07－20.

廣東省教育部產學研合作項目(2008B080501013).

王 洋(1979—)，男，博士;

姜安璽(1938—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 魏希柱)