一種新型空氣源熱泵輻射供暖系統的實驗研究

陳蘇坤 李永財* 付文濤 盧軍 李娟 喬振勇

1 重慶大學土木工程學院

2 重慶大學環境與生態學院

3 四川省建筑科學研究院

針對目前長江流域地區冬季采暖存在的問題，筆者提出了一種末端采用輻射板的新型直膨式空氣源熱泵供暖系統。相較于常規空氣源熱泵供暖系統，該系統可以直接將制冷劑輸送至末端，不僅在結構上簡化，更減少了不必要的能源浪費。目前，國內外對于直膨式熱泵系統的研究，主要集中在直膨式太陽能熱泵系統[1-3]和直膨式土壤源熱泵系統[4-5]，而針對直膨式空氣源熱泵的研究還比較少。因此，筆者著重研究了五個典型工況日下，直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統在重慶地區的運行特性和系統能效，實時測量機組功率、輻射板表面溫度、制冷劑進出口溫度、系統能效比等特性參數隨時間的變化規律。基于實驗數據，為直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統設計、運行提供參考依據。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

如圖1 所示，整個實驗裝置由室外換熱器，壓縮機，四通換向閥，膨脹裝置，氣液分離器和輻射板6 個部分組成。其中室外換熱器、壓縮機、熱力膨脹裝置集成于室外機中置于室外，輻射板置于室內，輻射板通過銅管與系統室外部分相連接構成整個采暖系統。將銅管用貼片固定在鋁板上，作為輻射末端，連接處采用導熱硅膠強化傳熱。根據空氣源熱泵室外機制熱量計算得到輻射板的面積，最后選定輻射板的銅管尺寸為Φ9.52×0.7 mm，銅管支路采用三段回折的形式，并保證各支路回折管總長度為5 m。

圖1 空氣源熱泵輻射板采暖系統流程圖

1.2 測量方法

本實驗主要測量的物理量為溫度和功率。實驗過程中采用量程為-200～+350 ℃的銅-康銅（T 型）標準熱電偶測定輻射板表面溫度和制冷劑進出口溫度，為了研究輻射板表面溫度隨時間變化的特性，在銅管管壁上均勻布置15 個測點。由于銅管是通過貼片固定在鋁板上，鋁板與銅管表面存在溫度差，因此在鋁板上均勻布置10 個測點，具體的測點布置方式如圖2 所示。采用型號為HP-9800 功率測試儀測定機組的功率。實驗數據的自動檢測和儲存采用Agilent 34970A多功能數據采集儀實現。

圖2 測點布置圖

1.3 實驗方案

選擇測試期間晴天日2018 年1 月10 日，陰天日2018 年1 月14 日，雨天日2018 年1 月23 日，低溫雨天2018 年1 月28 日和低溫陰天2018 年1 月30 日這五個典型工況日的實驗數據作為研究對象，分析該系統在不同天氣條件下的冬季供暖特性，各典型天氣的溫濕度測試數據見表1。設定機組每天早上8:00 開機，連續運行至晚上20:00 停機，實驗過程中分別對機組功率，輻射板表面溫度和制冷劑進出口溫度等參數進行逐時記錄，設置數據采集時間間隔為5 min。

表1 典型日氣象參數統計

2 實驗結果與分析

2.1 功率變化情況

從圖3 可以看出，晴天，雨天和低溫雨天三個典型工況日下，機組從穩定運行開始至下午15:00 這段時間內，機組功率持續增大，15:00 以后機組功率開始減小。全天運行期內機組的功率分別在620～690 W，670～730 W 和915～945 W 范圍內波動。在陰天工況條件下，機組從早上9:00 至下午13:00 這段時間功率持續增大，13:00 以后機組功率持續減小。在一天的運行期內，機組功率在710～725 W 之間變化。而在低溫陰天工況條件下，機組從穩定運行到停止運行內，機組功率從905 W 一直增加至950 W，機組的實時功率與額定功率的比值在67.8%～71.2%之間變化。從整體上看，環境溫度和機組功率呈負相關變化，隨著室外環境溫度的降低，機組功率在不斷地增大。

圖3 五個典型工況下功率隨時間變化

2.2 溫度變化情況

圖4，圖5，圖6，圖7 和圖8 分別為系統在晴天，雨天，陰天，低溫雨天和低溫陰天五個典型工況日下冬季供暖運行特性曲線圖。

圖4 晴天供暖運行特性

圖5 雨天供暖運行特性

圖6 陰天供暖運行特性

圖7 低溫雨天供暖運行特性

圖8 低溫陰天供暖運行特性

從圖4～8 可以看出：

1）從機組啟動至穩定運行這段時間內（8:00～9:00），制冷劑進出口溫度以及輻射板表面平均溫度迅速上升。系統運行穩定后，五種天氣條件下的制冷劑進出口溫度和輻射板表面平均溫度波動均較小。

2）隨著室外溫度的降低，機組功率逐漸增大，壓縮機的排氣溫度升高，制冷劑的進口溫差也隨之升高。雨天工況下，制冷劑進出口溫差在2.2 ℃～4.3 ℃之間變化，而在低溫雨天工況下，制冷劑進出口溫差在5 ℃～7.2 ℃之間變化，說明環境溫度對直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統有很大的影響。

3）系統輻射板表面平均溫度變化趨勢與制冷劑進出口溫度變化趨勢相一致，由于接觸傳熱存在熱損耗，所以銅管和鋁板表面平均溫度存在差值，溫度差在4 ℃～6 ℃之間變化。

2.3 系統性能系數

該系統的COP 可定義為輻射板散熱量qc與機組功率w 的比值，即：

輻射板的綜合傳熱量qc包含輻射換熱量qr和自然對流換熱量qn，即：

輻射板的輻射換熱量計算公式為[6]：

式中：tp為輻射板表面平均溫度，℃；AUST為室內非供暖表面的平均輻射溫度，℃；A 為輻射板的面積，m2。

輻射板表面平均溫度可通過多測點取平均值得到，室內非供暖表面平均輻射溫度AUST 為室內非供暖表面溫度的加權平均值[6]。

式中：Ai為室內非供暖表面的面積，m2；ti為室內非供暖表面的溫度，℃；n 為輻射板表面測點個數tpj為輻射板上第j 個測點的溫度，℃。

輻射板自然流對流換熱量計算式[6]：

式中：H 為輻射板的高度，m。

通過對實測數據整理計算得到系統在不同天氣條件下的COP 值，通過對比不同典型工況日下的系統能效，分析其在重慶地區冬季供暖的節能性和適應性。系統能效比隨時間的變化規律如圖9 所示：

圖9 系統能效比隨時間變化曲線圖

通過圖9 中五條曲線的對比可以看出，環境溫度和系統能效比呈正相關變化，環境溫度越高，COP 越大。當機組穩定運行后系統COP 值也保持穩定，但受室外環境溫度的影響會在一定范圍內波動。晴天時，系統COP 值在2.98～3.2 之間變化，其平均COP 為3.1，由于機組功率在下午15:00 后開始減小，系統COP 也隨之變小。雨天時，系統COP 值在2.95～3.03之間變化，其平均COP 為3。陰天時，系統COP 值在2.91～2.99 之間變化，其平均COP 為2.9。低溫雨天時，系統COP 值在2.56～2.63 之間變化，其平均COP 為2.61。而在低溫陰天時，系統COP 值在2.58～2.62 之間變化，其平均COP 為2.62。綜合5 個典型天氣條件下的系統COP，相較于家用分體式空調[7]，直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統可將系統能效比提高26%。

3 結論

本文提出了一種末端采用輻射板的直膨式空氣源熱泵供暖系統，并基于搭建的實驗平臺對該系統進行了實驗研究，實驗結果表明：

1）環境溫度對系統性能有直接的影響。隨著室外溫度的降低，機組功率逐漸增大，制冷劑的進口溫度和輻射板表面溫度也會隨之升高。

2）系統運行期間的平均COP 隨室外環境溫度的上升而變大，晴天工況下的平均COP 為3.1，雨天工況下的平均COP 為3，陰天工況下的平均COP 為2.9，低溫雨天工況下的平均COP 為2.61，低溫陰天工況下的平均COP 為2.62。由此可見，該直膨式空氣源熱泵輻射供暖系統用于重慶地區供暖是可行的，并且具有良好的節能效果。