熱管式空氣源熱泵采暖系統實驗研究

梁杰，陳炳泉，黃娟，管祥華

（青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司，山東青島 266000）

0 引言

隨著社會的不斷發展，能源危機愈發嚴重，尋求清潔能源的開發與利用成為各國都在追尋的目標，我國作為能源消耗大國，建筑能耗約占社會總能耗的30%，燃煤則占總能源消耗的70%左右[1]。同時，燃煤排放出的多種污染物質是造成冬季霧霾、PM2.5的主要來源。因此大力推廣熱泵技術，加快郊區及城市上風口的農村地區采暖“煤改電”工程建設，是實現空氣治理行動計劃目標的重要措施[2-4]。近幾年，熱泵作為一種能夠有效提升熱能品位的技術得到了廣泛關注，其中由于空氣源熱泵良好的適應性而被大量使用[5]。隨著國際節能減排政策的大力推進，空氣源熱泵在我國的應用日益廣泛[6]。我國熱泵產品在國家環保政策的支持下取得了長足的發展。在國家鼓勵發展清潔能源的大背景下，空氣源熱泵作為國家重點扶持對象具有廣闊的發展前景[7]。空氣源熱泵加熱方法是解決空氣污染，取代燃煤和電加熱的有效能源利用方法[8]。空氣源熱泵作為“煤改電”工程中的主要設備而備受關注，與其他各種供熱設備相比空氣源熱泵具有清潔節能的優勢[9]。

目前“煤改電”工程中最常見是水循環空氣源熱泵采暖系統，常用暖氣片或者地暖作為散熱末端，以水為載體，通過水泵將機組中產生的熱量輸送至散熱末端。由于載體“水”的特性，導致初次采暖升溫較慢，且低溫時存在凍結的風險，因此需要保持機組長時間的運行以保證房間采暖的舒適性，同時需要對水路進行防凍處理。另一種常見的是空氣源熱泵熱風系統，通過室內機直接加熱室內空氣進行采暖，長時間運行后換熱器內積累塵土和有害細菌并產生異味，對人體健康造成損害[10]。水循環空氣源熱泵采暖系統出現的較晚，它在一定程度上克服了空氣源熱泵熱風系統的缺點[11]。

熱管作為一種高效的兩相傳熱裝置，較常規散熱器傳熱性能更好。將熱泵與高效率傳熱熱管結合起來國外也有相關研究。CHOTIVISARUT等[12]采用熱管散熱器將水箱里的熱量抽出冷卻熱水。ZHANG等[13]將熱管應用在太陽能換熱裝置上，其性能系數比傳統換熱器提高1.5～4倍。LIM等[14]將熱管應用在地源熱泵的蒸發器端，蒸發器置于熱管散熱器內，與普通的直接膨脹式相比性能系數提高10.3%；與復合回路換熱型式相比性能系數提高21.1%。SEBARCHIEVICI等[15]將熱管應用在地源熱泵上，通過熱管復合的地板將熱量供給辦公室。王愛輝等[16]將熱管用于制冷量為4,000 W的空調機組。文獻[17-19]將熱管用于干燥和烘干用熱泵的熱回收應用。姜坪等[20]將熱管用于熱回收裝置相結合的復合熱回收直流式空調機組，有效回收了排風中的低品位能量，提高了機組的運行效率。

本文主要將室外機相同、室內換熱器換熱面積相當的水循環空氣源熱泵采暖系統和熱管式空氣源熱泵采暖系統安裝在某農村的實際運行數據進行分析。

1 實驗條件

1.1 實驗方案及實驗場地

將室外機相同、室內換熱末端面積相當的水循環空氣源熱泵采暖系統和熱管式空氣源熱泵采暖系統安裝在同一民房中，布置相關實驗儀器，主要采集數據包括：室外環境溫度、室內環境溫度、室內換熱末端溫度和制熱運行耗電量等。冬季采暖期間，分別運行水循環空氣源熱泵采暖系統或熱管式空氣源熱泵采暖系統使得室內環境溫度達18～24 ℃，采暖結束后，進行數據分析：對比相同室外環境溫度，相同室內溫度時耗電量差異；相同室外環境溫度、相同室內初始溫度，不同采暖系統升溫速率差異；以及除霜運行熱性等。

實驗場地為某農村民房，單排4個面積相同的房間，各房間面積約為15 m2，合計面積約為60 m2。其中在房間2中總共布置10個熱電偶，記錄房間2中的室內溫度變化。實驗場地及安裝布局見圖1，房間溫度熱電偶布置見圖2和圖3。

圖1 實驗場地及安裝布局

圖2 房間2干球溫度熱電偶點布置（立面圖）

圖3 房間2干球溫度熱電偶點布置（平面圖）

1.2 主要實驗儀器及誤差

為了評價系統性能，本實驗對其主要部位的溫度傳感器以及功率計等儀表進行了標定，主要實驗儀器參數如表1所示。

表1 主要實驗儀器及誤差

2 實驗結果與分析

2.1 耗電量數據分析

取室外環境溫度-4～4 ℃，室內溫度18～24 ℃數據進行耗電量數據分析，在室外溫度相當，室內溫度相當時，熱管式空氣源熱泵采暖系統耗電量較水循環空氣源熱泵采暖系統節省4%，數據分析見表2。

表2 耗電量數據分析

2.2 升溫速率數據分析

取室外溫度10 ℃左右，房間初始溫度15 ℃，室內換熱器初始溫度13.5 ℃進行室內溫度以及換熱器表面溫度升溫速率比對測試，溫升曲線見圖4。

圖4 升溫速率數據分析

由圖4可知，熱管＆水循環兩套加熱系統開始加熱前，室內1.6 m處溫度均為15 ℃，從主機開始運行至室內1.6 m處溫度溫度達20 ℃，熱管系統耗時40 min，此時水循環系統耗時100 min。

開始加熱前，熱管＆水循環加熱系統中的室內換熱器表面溫度均為13.5 ℃，從主機開始運行至室內換熱器表面溫度達30 ℃，熱管系統耗時13 min，水循環系統耗時53 min。

2.3 室內溫度穩定性數據分析

在設置熱管機回氟溫度和水循環回水溫度相同的情況下，取室內連續采暖18h的運行數據進行分析，室內換熱器溫度與室內溫度波動曲線如圖5和圖6所示。

圖5 熱管＆水循環采暖系統室內換熱器溫度曲線

圖6 熱管＆水循環采暖系統室內溫度曲線

由此可見，水的蓄熱性能導致水循環室內溫度呈逐漸升高趨勢，熱管機則相對穩定。由圖5可知，停機期間熱管采暖系統室內散熱器溫度波動大于水循環采暖系統室內散熱器溫度波動，18 h采暖期間，熱管采暖系統室內散熱器最大溫度降低達11.4 ℃，水循環采暖系統室內散熱器最大溫度降低僅4.4 ℃。

由圖6可知，停機期間熱管采暖系統室內溫度波動大于水循環采暖系統室內溫度波動，兩者差異不大，18 h采暖期間，熱管采暖系統室內溫度的最高溫度降低1.1 ℃，水循環采暖系統室內溫度的最高溫度降低0.8 ℃。

2.5 熱管采暖系統除霜數據分析

取室外機出現結霜動作的數據進行分析，室外環境干球溫度-1.6 ℃，濕度97%，中雪天氣，除霜過程中，熱管采暖系統室內換熱器上、中、下部溫度變化曲線見圖7。

圖7 熱管采暖系統室內換熱器除霜運行時溫度曲線

由圖7可知，在除霜運行期間，熱管采暖系統室內換熱器溫度迅速降低，其中上部和中部溫度下降相當，下部溫度降幅較大，除霜期間熱管采暖系統室內換熱器下部溫度最低將至5 ℃。

3 結論

本文研究了熱管式換熱器在空氣源熱泵采暖系統上的實際應用，分析了熱管式空氣源熱泵熱水器與水循環空氣源熱泵熱水器在用戶現場實際運行的數據，得到如下結論：

1）由于整個采暖系統熱阻主要存在于空氣側，熱管式空氣源熱泵采暖系統耗電量較水循環空氣源熱泵采暖系統略有降低，降幅為4%；

2）熱管式空氣源熱泵采暖系統升溫速度大大提升，室溫由15 ℃升高至20 ℃，熱管式空氣源熱泵采暖系統所需時間僅為水循環空氣源熱泵采暖系統的37.5%；室內換熱器溫度由13.5 ℃升高至30 ℃，熱管式空氣源熱泵采暖系統所需時間僅為水循環空氣源熱泵采暖系統的24.5%；

3）除霜運行時，熱管式空氣源熱泵熱水器室內換熱器下部溫度最低降至5 ℃。