一種空氣源熱泵相變貯能式冷凝熱回收系統探討

李宛澤 劉曙光

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

一種空氣源熱泵相變貯能式冷凝熱回收系統探討

李宛澤 劉曙光

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

設計了一種空氣源熱泵機組在夏季制冷工況運行時，利用相變材料回收機組冷凝熱用于生活熱水制備的系統，對初步選取的5種有機相變材料，采用差式掃描量熱法(DSC)進行了相變溫度、相變潛熱等參數的熱物性實驗，通過對比分析實驗數據，確定選用月桂酸作為貯能系統的主要蓄熱材料，并通過工程算例證實了該系統的可行性。

空氣源熱泵，冷凝熱回收，相變材料，系統

當今社會節能減排、合理利用能源的理念貫穿于各行各業。空氣源熱泵冷熱水機組是一種低碳、環保的四季型建筑設備。由于它具有能效比高、適應性強的特點，被廣泛應用于建筑物采暖與供冷。有關建筑能耗實踐調查表明，在我國家用空調耗電量和家用熱水器耗電量分別占家用電器用電量的第一位和第五位[1]。在炎熱的夏季將空氣源熱泵冷凝熱量充分回收，這部分能量為人類提供生活熱水。冷凝熱回收技術既能避免熱能浪費、減輕對大氣造成的環境熱污染，又可以降低冷凝熱排放到室外側換熱器的溫度，有利于熱泵機組穩定運行，因此該技術值得科研人員研究并大力推廣。

然而，在日常生活中空調冷凝熱的排放與人們對生活用水需求往往存在用能時間與用量上的不同步性。傳統的顯熱式水蓄熱方式，存在著蓄熱能力有限，保溫性能差，散熱量大，蓄熱水箱體積大，能源利用總效率較低等問題[2]。因此，在冷凝熱回收式的空氣源熱泵系統中引入相變材料，利用其貯能密度大，蓄熱、放熱性能穩定的特點，可以有效克服傳統的顯熱式蓄熱系統的一些缺點。

1 相變貯能式冷凝熱回收系統實驗裝置

本文設計了一種空氣源熱泵相變貯能式冷凝熱回收系統，將相變材料填加到相變蓄熱式換熱器中。此系統的基本工作原理是：在夏季機組按制冷模式運行時，可以將即時排放的大部分冷凝熱回收，儲存于換熱器的相變材料中，多余冷凝熱量可通過風冷冷凝器排放到室外環境中；當需要使用熱水時，熱水箱內需要加熱的水通過循環水泵進入相變換熱器中，與已經儲熱的相變材料換熱，獲取熱量、提高溫度后形成供給生活熱水。如果熱水溫度沒有達到使用時需要的溫度要求，可以通過輔助電加熱的形式提高供水溫度。圖1為空氣源熱泵相變貯能式冷凝熱回收實驗系統示意圖。從圖1可見此系統主要由空氣源熱泵冷熱水機組，相變換熱器，熱水箱，電輔助加熱器，循環水泵，系統各部件連接管路，控制閥門及參數測試裝置組成。

在相變蓄熱箱中豎向分層填加相變蓄熱材料，制冷劑管路和水循環管路分別通過箱內兩套盤管連接到本系統中。存儲熱能時，空氣源熱泵系統運行，壓縮機工作產生高溫高壓的制冷劑，通過一套盤管在相變蓄熱箱中釋放熱量，相變材料被不斷加熱直至熔化，儲存了冷凝熱量。取用熱能時，開啟熱水器系統，自來水流經相變蓄熱箱中的另一套盤管吸收熱量，熱水流入熱水箱。熱水箱底部接水管，連接至自來水管在相變水箱入口處，管口有溫控閥，當熱水箱中的水溫不足40 ℃時閥門開啟，不足溫度的熱水與自來水混合流入相變蓄熱箱內繼續換熱，直至熱水箱內水溫達到40 ℃時溫控閥關閉，熱水即可供給生活熱水。

2 傳統顯熱式蓄熱與相變材料蓄熱工作模式的比較

與傳統水蓄熱式熱水系統相比，在熱回收器中填加相變材料蓄存熱量，能夠解決空調供冷與熱水器用熱水需求在時間與用量上不同步的問題。如圖2所示，從壓縮機啟動、供冷系統開始運行起，水蓄熱式熱水箱即從A點開始加熱熱水，經過一定時間的系統運行，水溫達到最高點40 ℃。加熱完成后，不再循環加熱水箱內的儲水。雖然蓄熱水箱有保溫層，但是若不及時使用，水溫仍會逐漸降低，造成能源浪費。將相變材料加入熱回收器中后，供冷釋放的冷凝熱可以蓄存于相變材料內。圖2中B點是需要生活用水供應的時間節點，從B點開始加熱自來水，通過循環水泵可以持續從相變材料中取熱，使生活供水溫度維持在40 ℃。這樣一方面可以把冷凝熱轉化為相變材料的貯熱，另一方面可不間斷加熱水箱內水，保證用水溫度的恒定。

3 相變材料的選擇

近年來相變蓄熱技術在國內外蓬勃發展，并被廣泛使用。例如，相變蓄熱式太陽能熱水系統，相變蓄熱地板采暖，相變蓄能建筑圍護結構，及航天領域的高溫固液相變蓄熱器等[3,4]。常用的相變形式有四種：固—液相變、液—氣相變、固—氣相變、固—固相變，本系統選擇最為常見的固—液相變形式。常用的相變材料主要包括無機物和有機物兩大類。無機相變材料具有腐蝕性，而且在相變過程中易產生過冷析出現象；而有機相變材料腐蝕性小，相變過程幾乎沒有相分離的缺點，而且化學性能穩定，價格低廉。因此，本設計系統選擇有機相變材料。利用差式掃描量熱儀，分別對十二醇、正癸酸、月桂酸、十四酸、硬脂酸的熔點、相變潛熱及終止溫度進行測量。實驗初始條件見表1。

表1 DSC實驗的初始條件

由差式掃描量熱法(DSC)得到的各物質的相關物性參數列于表2中。

表2 幾種有機物的相變溫度和潛熱值

填充該系統的相變材料應選擇其相變溫度與空調冷凝熱排放溫度有一定溫度梯度的相變材料，這樣才能保證充分換熱。本系統冷凝熱回收工況的冷凝放熱溫度為50 ℃～55 ℃，生活熱水設計出水溫度為40 ℃。因此，相變溫度43.5 ℃的月桂酸為填充本系統的相變材料。

4 工程算例

近年來，酒店賓館類建筑使用冷凝熱回收式空氣源熱泵的數量逐漸增加，一方面為房間提供舒適的居住環境，另一方面利用其排放的冷凝熱量加熱自來水供給客人及員工日常生活熱水。尤其在我國長江以南地區，一年內夏季持續時間久，且環境溫度較高，十分適合使用空氣源熱泵。然而，空調負荷與熱水負荷存在不同程度的時間和用量上的不匹配，在熱回收空氣源熱泵系統中填加適合的相變蓄熱裝置可以解決這一問題。

以福建省某三星級酒店為算例[5]。該酒店總建筑面積約為10 000 m2，若將這種空氣源熱泵相變貯能式冷凝熱回收系統應用其中，以7月份平均日空調負荷及日熱水負荷為例計算。酒店7月生活需求 熱水熱負荷與機組冷凝負荷比較見圖3。

從圖3可以看出酒店的生活熱水使用時間集中在7:00～9:00及19:00～22:00，空調使用時間集中在16:00～21:00，的確存在使用時間和用量的不匹配。

在該系統中填加相變材料，相變蓄熱裝置的蓄熱量Qr計算公式見式(1)。

Qr=m(H+CpΔt)

(1)

其中，Qr為冷凝熱回收量，kJ；Cp為相變材料比熱容，kJ/(kg·℃)；m為相變材料質量，kg；H為相變材料的熔解熱，kJ/kg；Δt為相變材料蓄熱溫差，℃。

以日為周期計算可知，酒店的空調機組冷凝熱負荷為1.3×104MJ，日熱水負荷為3.3×103MJ，根據式(1)可以算出蓄存這些熱量需要在相變蓄熱裝置中填加約為4.0×104kg的月桂酸。設計綜合取熱系數為0.3，則可以取出的熱量為3.9×103MJ，總量上能夠滿足日用水負荷需求量。因此，本文討論的以月桂酸為主的相變材料用于冷凝熱回收式空氣源熱泵系統應用于酒店類建筑的設想是可行的。

5 結語

1)本文設計分析了一個新的系統型式，將相變材料與熱回收式空氣源熱泵熱水器相結合的系統。針對夏季工況分析了該系統的運行原理，并與水蓄熱式冷凝熱回收熱泵熱水器進行比較。證實該系統既節能環保，又可以在高能效比下穩定運行。

2)通過已有資料及DSC法實驗測試，根據本系統對相變材料性能的要求，選定月桂酸填充該系統的相變蓄熱箱。并通過計算工程實例，證明該系統可行。

[1] 中國標準化研究院.中國用能產品能效狀況白皮書(2010)[M].北京：中國標準出版社,2010:23-24.

[2] 陳 華，黃耀坤，張 瑜，等.住宅空調冷凝熱熱回收技術的研究現狀與展望[J].建筑節能，2012(4):6-10.

[3] 朱 丹.新型毛細管相變蓄能罐的開發研究[D].北京：北京建筑工程學院，2010.

[4] 方貴銀.蓄能空調技術[M].北京：機械工業出版社，2006:123-125.

[5] 王 浩.賓館冷水機組熱回收技術應用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

Design and analysis on phase change thermal storage applied in heat recovery of air source heat pump condensing system

Li Wanze Liu Shuguang

(SchoolofCivilEngineering,NorthEastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This paper designs an air source heat pump runs the cooling conditions in the summer. The system uses Phase Change Materials (PCM) to recover the condensing heat of the engine-set, and makes the part of heat use for domestic hot water system. Using the Differential Scanning Calorimetry(DSC) conducted a series of experiments which includes phase transition temperature, latent heat etc for the preliminary selection of five kinds of organic phase change material. By comparing and analyzing the experiment datum, and deciding to use lauric acid as the main heat storage material of the energy storage system. Confirming the feasibility of this system by an engineering example.

air source heat pump， condensing heat recovery, phase change material, system

2014-12-14

李宛澤(1990- )，女，在讀碩士； 劉曙光(1962- )，男，副教授

1009-6825(2015)06-0116-02

TU822.2

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