基于相變蓄能的輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)研究

李帥帥，李剛，張俊永，張春奕，崔婧華，李欣原

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110168）

0 引言

為積極響應(yīng)國(guó)家《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)〔2018〕22號(hào)）[1]，穩(wěn)步推進(jìn)南北方清潔供暖計(jì)劃，需要對(duì)傳統(tǒng)的供暖和制冷方式不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，尋求更加節(jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)形式。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱泵技術(shù)研究如火如荼，力求尋找運(yùn)行效果最好、最適合當(dāng)?shù)氐母咝岜孟到y(tǒng)。范存養(yǎng)等[2]在上海地區(qū)進(jìn)行研究，分析了空氣源熱泵的應(yīng)用，介紹了在該地區(qū)應(yīng)用時(shí)面臨的除霜問(wèn)題以及輔助熱源的應(yīng)用和保養(yǎng)方式。張建忠等[3]以南京地區(qū)為條件，研究了空氣源熱泵機(jī)組在當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行特性，對(duì)多個(gè)工程進(jìn)行了分析，得出空氣源熱泵機(jī)組在南京地區(qū)使用的可能性。為了提高空氣源熱泵的運(yùn)行效率，眾多學(xué)者開始對(duì)太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行研究。郭琪等[4]對(duì)北方獨(dú)立民居太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供熱系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)模擬與優(yōu)化研究，結(jié)果表明，太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合供熱系統(tǒng)比燃?xì)忮仩t供熱節(jié)省38.1%的費(fèi)用，且比電鍋爐供熱節(jié)省12.6%的費(fèi)用。輻射毛細(xì)管網(wǎng)末端是一種新型采暖方式，由于其輻射加熱面積大、供水溫度低、無(wú)噪音等特點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛討論。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50736—2012》[5]規(guī)定要求，毛細(xì)管型頂棚輻射供暖系統(tǒng)供水溫度取25~35 ℃。為保證太陽(yáng)能的持續(xù)穩(wěn)定性取熱，引入相變材料進(jìn)行蓄能，最大限度地提高太陽(yáng)能在采暖系統(tǒng)中的利用效率。馮國(guó)會(huì)等[6]通過(guò)建立相變蓄能-太陽(yáng)能-毛細(xì)管網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)結(jié)合模擬的研究方式，進(jìn)行了毛細(xì)管網(wǎng)作為地板散熱末端的研究以及相關(guān)的基礎(chǔ)工作，得到了一些新型供暖模式的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

空氣源熱泵是通過(guò)利用較少的電能，將吸收的室外空氣低品位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移的節(jié)能裝置。但在嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度較低，運(yùn)行期間室外側(cè)換熱器結(jié)霜嚴(yán)重已成為制約空氣源熱泵高效運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前，眾多學(xué)者從多個(gè)角度研究如何對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行快速高效的除霜。王曉洪等[7]對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明制冷工況下，室外溫度越高其制冷量越大；在制熱工況下，室外溫度越低其制熱量越大。張曉林等[8]通過(guò)TRNSYS對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)的變水流量與定水流量進(jìn)行了仿真模型對(duì)比分析：變水流量系統(tǒng)室溫波動(dòng)較小，相比能夠節(jié)能10.3%。胡斌等[9]為滿足空氣源熱泵系統(tǒng)不同使用環(huán)境條件下的除霜需求，通過(guò)對(duì)多種除霜方法的分析，從控制方面得出了更智能的選擇和控制優(yōu)化方案。ZHENG等[10]對(duì)相變材料空氣源熱泵復(fù)合制冷劑直接冷凝地板輻射供暖系統(tǒng)除霜性能進(jìn)行研究，在除霜條件下，采用復(fù)合相變材料模塊的終端的地板表面溫度、室內(nèi)空氣溫度和供熱能力均高于未采用復(fù)合相變材料模塊的終端。CHEN等[11]對(duì)太陽(yáng)能熱泵集成相變儲(chǔ)能除霜制熱性能與傳統(tǒng)除霜方式進(jìn)行了研究分析，表明相變儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更好的性能。除霜時(shí)間是傳統(tǒng)反向循環(huán)除霜法系統(tǒng)的75%，熱氣體旁路除霜系統(tǒng)的53%。采暖性能實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明白天性能系數(shù)可達(dá)3.6，室內(nèi)溫度可一整天穩(wěn)定維持在18 ℃。由此可見(jiàn)，蓄能除霜方式在除霜效率、熱舒適性和經(jīng)濟(jì)性等方面均存在顯著優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)夏季工況熱泵系統(tǒng)無(wú)法保證新風(fēng)供應(yīng)、存在室內(nèi)結(jié)露問(wèn)題。陳思豪等[12]對(duì)多種轉(zhuǎn)輪除濕復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)能耗計(jì)算對(duì)比分析，研究表明在典型實(shí)例條件下，室內(nèi)排風(fēng)回收與預(yù)冷處理分別能降低系統(tǒng)再生溫度22 ℃和12 ℃，兩者結(jié)合則能將系統(tǒng)再生溫度降至 66 ℃。任奎[13]通過(guò)MATLAB編程求解除濕轉(zhuǎn)輪的數(shù)學(xué)模型，得出了不同因素對(duì)轉(zhuǎn)輪性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，夏季和冬季供熱工況相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)能效比分別提高13.6%和20%。

本文設(shè)計(jì)一種新型的基于相變蓄能輻射式高效空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，不僅能夠有效降低空調(diào)能耗、提升系統(tǒng)能效比，而且利用相變蓄能技術(shù)為空氣源熱泵逆循環(huán)除霜提供熱量，有效保證人體舒適性，同時(shí)改善傳統(tǒng)熱泵停機(jī)除霜的一系列弊端。系統(tǒng)采用相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能空氣集熱器作為熱泵系統(tǒng)的輔助熱源，提高對(duì)能源的利用率及電網(wǎng)負(fù)荷“移峰填谷”的經(jīng)濟(jì)效益，有效改善了冬季空氣源熱泵結(jié)霜及提高熱泵機(jī)組的能效比問(wèn)題。

1 相變蓄能輻射式高效熱泵系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)勢(shì)

本文中熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)側(cè)金屬毛細(xì)管網(wǎng)換熱器、膨脹閥和室外側(cè)換熱器組成。選用新型的環(huán)保制冷劑R410A作為該系統(tǒng)的制冷劑，以十二酸-十四醇-十六醇混合物和膨脹石墨為基礎(chǔ)的復(fù)合相變材料[14]，該系統(tǒng)包括基于太陽(yáng)能的金屬毛細(xì)管網(wǎng)輻射式空氣源熱泵系統(tǒng)和相變蓄能型太陽(yáng)能空氣集熱器轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的相變蓄能的輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)屬于溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（Temperature and Humidity Independent Control，THIC）[15]。在該系統(tǒng)中，通過(guò)室內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)工質(zhì)參數(shù)變化進(jìn)行對(duì)室內(nèi)溫度精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，相對(duì)濕度通過(guò)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度分開處理，避免傳統(tǒng)空調(diào)形式中因溫濕度耦合處理帶來(lái)的損失。新型輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有溫濕度獨(dú)立調(diào)控，滿足個(gè)性化需求；利用低品位熱源能效比高，綠色環(huán)保；舒適度高、安全衛(wèi)生；安裝靈活、布置美觀和使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)的新型高效空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)改變室外換熱器運(yùn)行工況及室內(nèi)側(cè)換熱器散熱形式來(lái)提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。其基本的工作原理是利用高品位電能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源，壓縮機(jī)提高制冷劑的溫度和壓力，將低溫低壓的干飽和制冷劑蒸氣壓縮為高溫高壓的過(guò)熱蒸氣；在冷凝器中進(jìn)行冷卻冷凝轉(zhuǎn)化為常溫高壓的飽和液體，同時(shí)放出大量熱量；在節(jié)流裝置中，經(jīng)過(guò)絕熱節(jié)流，制冷劑轉(zhuǎn)化為低溫低壓的濕蒸氣；最后，在蒸發(fā)器中將低溫低壓的濕蒸氣汽化為干飽和蒸氣，吸收大量熱量。本系統(tǒng)運(yùn)行主要分為冬夏兩種工況，具體熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。后續(xù)圖中1為壓縮機(jī)，2為四通換向閥，3為一號(hào)換熱器，4為一號(hào)節(jié)流閥，5為金屬毛細(xì)管網(wǎng)，6為二號(hào)節(jié)流閥，7為二號(hào)換熱器，8為相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能空氣集熱器，9為電動(dòng)機(jī)，10為過(guò)濾器，11為除濕轉(zhuǎn)輪，12為一號(hào)三通調(diào)節(jié)閥，13為二號(hào)三通調(diào)節(jié)閥，14為電動(dòng)二通閥，15為風(fēng)機(jī)，16為房間送風(fēng)口。

1.3 冬季工況

當(dāng)冬季供暖時(shí)，系統(tǒng)將相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合工作，通過(guò)鋪設(shè)在房間頂棚或壁面上的金屬毛細(xì)管網(wǎng)和相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行向室內(nèi)散熱，末端主要通過(guò)輻射和對(duì)流的形式向室內(nèi)房間供暖。冬季運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)二通閥14處于關(guān)閉狀態(tài)，制冷劑由壓縮機(jī)1流出，經(jīng)過(guò)四通換向閥2流入室內(nèi)頂棚毛細(xì)管網(wǎng)5進(jìn)行散熱，滿足室內(nèi)供暖需求；冷凝后的制冷劑由節(jié)流閥4節(jié)流降壓后流向換熱器3，吸熱汽化后最終回到壓縮機(jī)1，如此往復(fù)循環(huán)。

晴朗白天，室外較低的空氣被太陽(yáng)能空氣集熱器預(yù)熱，由風(fēng)機(jī)送入換熱器3中，與熱泵機(jī)組蒸發(fā)端進(jìn)行換熱后直接排出。同時(shí)，將室外多余的太陽(yáng)能熱量通過(guò)相變儲(chǔ)能型集熱器存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)室外環(huán)境條件差時(shí)，用于預(yù)熱空氣源熱泵蒸發(fā)段空氣溫度，降低機(jī)組結(jié)霜功耗。白天熱泵機(jī)組高效運(yùn)行，通過(guò)室內(nèi)頂棚金屬毛細(xì)管網(wǎng)采暖的同時(shí)，相變材料將部分多余的熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，用來(lái)改善夜間空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行低時(shí)的房間采暖需求；在本系統(tǒng)中，利用空氣集熱器收集太陽(yáng)能作為冬季熱泵的輔助熱源，有效改善了白天熱泵運(yùn)行蒸發(fā)溫度，大大提高冬季空氣源熱泵的能效比。

眾所周知，當(dāng)冬季室外條件惡劣時(shí)，空氣源熱泵結(jié)霜問(wèn)題嚴(yán)重影響了熱泵機(jī)組的冬季運(yùn)行，降低了熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究表明，蒸發(fā)段空氣阻力及壓縮機(jī)功耗隨著結(jié)霜量的增大而增大[16]。為了保證空氣源熱泵機(jī)組在高效狀態(tài)下運(yùn)行，需要周期性的除霜[17]。系統(tǒng)中采用逆循環(huán)除霜與相變蓄能除霜的具體流程如圖2所示。

圖2 金屬毛細(xì)管網(wǎng)輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)除霜原理

由圖2可知，轉(zhuǎn)換四通換向閥2，使熱泵系統(tǒng)處于夏季運(yùn)行工況。室內(nèi)金屬毛細(xì)管網(wǎng)5吸收白天頂棚相變材料儲(chǔ)存的能量，通過(guò)逆循環(huán)將熱量輸送到室外側(cè)換熱器，從而產(chǎn)生大量熱進(jìn)行除霜。經(jīng)試驗(yàn)證明：采用蓄熱材料制冷劑的散熱器，在除霜期間室內(nèi)空氣溫度保持一致，散熱器表面與室內(nèi)空氣的溫差大于6.1 ℃，證實(shí)了制冷劑加熱式散熱器在除霜過(guò)程中能夠保持室內(nèi)空氣溫度的穩(wěn)定，保證室內(nèi)熱舒適性[14]。采用逆循環(huán)除霜與蓄能除霜相結(jié)合的方法，在保證室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室外側(cè)換熱器最大效率的除霜。

1.4 夏季工況

圖3所示為基于相變蓄能的輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)夏季工況原理。系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)節(jié)四通換向閥，實(shí)現(xiàn)冬季供暖向夏季制冷的轉(zhuǎn)換，其具體運(yùn)行流程為1→2→3→4→5→13→2→1。與冬季工況不同之處在于，為了防止室內(nèi)散熱末端結(jié)露的情況發(fā)生，在毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷的空調(diào)技術(shù)上，復(fù)合了轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，用于承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度獨(dú)立控制，滿足用戶的個(gè)性化需求。轉(zhuǎn)輪除濕處理空氣流程為10→11→7→15→16。其中，轉(zhuǎn)輪除濕再生區(qū)熱量來(lái)源主要由室外太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能型集熱器存儲(chǔ)的熱量與空氣源熱泵冷凝熱共同提供。由文獻(xiàn)[13]可知，隨著再生空氣進(jìn)口溫度的的升高，除濕量有明顯提高。因此，合理的提高轉(zhuǎn)輪除濕再生空氣溫度能夠有效增加除濕量。圖3中系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕過(guò)程的空氣除濕段中，室外熱濕空氣經(jīng)過(guò)濾器10在除濕轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)升溫減濕（近似等焓）后與二號(hào)換熱器7蒸發(fā)段接觸冷卻降溫到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)16，吸收房間內(nèi)的余熱余濕后排出室外。空氣再生段：經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能空氣集熱器8加熱后的空氣被一號(hào)換熱器3再次加熱到滿足除濕轉(zhuǎn)輪再生溫度狀態(tài)點(diǎn)，使轉(zhuǎn)輪再生區(qū)干燥脫水（近似等焓增濕）后，排出室外。

圖3 基于相變蓄能的輻射15式高效空氣源熱泵系統(tǒng)夏季工況原理

圖4所示為常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)原理，其原理是利用空氣加熱器消耗高品位電能為轉(zhuǎn)輪除濕再生提供熱量。

圖4 常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)原理

圖3中，系統(tǒng)將夏季白天的太陽(yáng)能熱量利用相變蓄熱型空氣集熱器有效儲(chǔ)存起來(lái)，耦合熱泵系統(tǒng)冷凝熱共同作為轉(zhuǎn)輪再生熱源，可有效提高轉(zhuǎn)輪再生進(jìn)口空氣溫度，增大除濕量。相較于常規(guī)的轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，新型的高效空氣源熱泵系統(tǒng)（圖3）降低轉(zhuǎn)輪除濕的再生能耗、提高了除濕?效率。

館藏202件作品中，油畫55件（56幅），水彩57件，書法50件，其它國(guó)畫、手稿、漫畫等40件（43幅）。各類作品介紹及問(wèn)題說(shuō)明如下：

2 系統(tǒng)的性能分析

2.1 熱泵系統(tǒng)的理論分析

逆卡諾循環(huán)是一種理想的制冷循環(huán)，由兩個(gè)絕熱過(guò)程和兩個(gè)等溫過(guò)程組成[18]。雖然它不可能實(shí)現(xiàn)，但我們可以通過(guò)分析逆卡諾循環(huán)研究傳熱溫差對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能的影響。其循環(huán)T-S圖如圖5所示。

圖5 不同室外溫度下的熱泵循環(huán)

為了使吸熱和放熱能以一定傳熱速率進(jìn)行，制冷設(shè)備的冷凝器和蒸發(fā)器都設(shè)計(jì)有一定傳熱溫差。理論上逆卡諾循環(huán)熱泵性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）定義為[18-19]：

式中，tc為冷凝溫度，℃；te為蒸發(fā)溫度，℃；th為供應(yīng)的熱媒溫度，℃；ta為室外空氣溫度，℃；Δtc為冷凝器與熱源傳熱溫差，℃；Δte為蒸發(fā)器與室外空氣傳熱溫差，℃。

當(dāng)Δtc=Δte=5 ℃時(shí)，根據(jù)式(1)可預(yù)測(cè)的不同室外溫度下的理論性能系數(shù)。由圖6可知，當(dāng)ta=5 ℃，th=40 ℃時(shí)，理想逆卡諾循環(huán)COP約為7.97。當(dāng)室外空氣溫度一定時(shí)，熱泵機(jī)組COP隨著供應(yīng)熱媒溫度的降低而逐漸增大；當(dāng)供應(yīng)的熱媒溫度一定時(shí)，熱泵機(jī)組的COP隨著室外空氣溫度的降低而降低。故本文主要從以下幾種措施（如圖7），實(shí)現(xiàn)對(duì)高效空氣源熱泵能效提升的研究。

圖6 不同室外溫度下熱泵的理論性能系數(shù)

圖7 提高空氣源熱泵系統(tǒng)能效原理

2.2 轉(zhuǎn)輪除濕的能耗分析

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的能耗由加熱再生空氣的再熱能耗、處理空氣降溫的冷卻設(shè)備能耗（制冷能耗）、風(fēng)機(jī)等控制設(shè)備的能耗組成[19]。故轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的總能耗E的表達(dá)式為：

式中，Eh為再熱能耗，kW；Ec為冷卻設(shè)備能耗，kW；Ep/f為泵與風(fēng)機(jī)等所消耗的電能，kW。

式中，Qr為再生空氣加熱量，kW；mr為再生空氣質(zhì)量流量，kg/s；cr為再生空氣的比熱容量，kJ/(kg·K)；tout為空氣加熱器出口溫度，℃；tin為空氣加熱器進(jìn)口溫度，℃；ξ為熱能與電能之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)[20]。

冷卻設(shè)備能耗[15]：

式中，Qc為冷卻設(shè)備制冷量，kW；mp為處理空氣的質(zhì)量流量，kg/s；hin為冷卻器進(jìn)口制冷劑焓值，kJ/kg；hout為冷卻器出口制冷劑焓值，kJ/kg；COPc為冷卻設(shè)備性能系數(shù)。

為對(duì)比分析基于太陽(yáng)能集熱器轉(zhuǎn)輪除濕熱泵系統(tǒng)與常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的能耗，本文以沈陽(yáng)市夏季工況為例：室外計(jì)算干球溫度為31.5 ℃，通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度為65%；室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度為26 ℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算相對(duì)濕度為55%。取沈陽(yáng)地區(qū)7月15日為夏季工況代表日，空氣集熱器面積為2 m2，計(jì)算模擬得出空氣集熱器出口溫度與室外空氣溫度的變化曲線如圖8所示（時(shí)間在00:00—24:00）。由圖8可知，0~7 h，兩者溫度均出現(xiàn)降低趨勢(shì)；隨后空氣集熱器出口溫度呈現(xiàn)大幅提升趨勢(shì)。約14 h時(shí)室外空氣溫度為25.0 ℃，空氣集熱器出口溫度達(dá)到峰值溫度為48.1 ℃；15~24 h，兩者溫度變化趨勢(shì)相似、均呈現(xiàn)逐漸降低。在此過(guò)程中，空氣集熱器將收集的太陽(yáng)能輸送到換熱器中，為轉(zhuǎn)輪除濕的空氣加熱提供再生能量。

圖8 夏季代表日室外環(huán)境溫度與空氣集熱器出口溫度對(duì)比

通過(guò)熱力學(xué)濕空氣焓濕圖可查得轉(zhuǎn)輪除濕處理后各空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，如表1所示。已知表中各空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)帶入上述轉(zhuǎn)輪除濕能耗計(jì)算模型，可得空調(diào)系統(tǒng)的具體能耗占比問(wèn)題。

表1 轉(zhuǎn)輪除濕各空氣狀態(tài)參數(shù)匯總表

表2所示為常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)與高效熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能耗對(duì)比。常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生溫度相較于高效空氣源熱泵系統(tǒng)再生溫度降低22 ℃。因?yàn)楦咝岜每照{(diào)系統(tǒng)采用室內(nèi)含濕量較低的排風(fēng)進(jìn)行再處理，有效降低了轉(zhuǎn)輪除濕的再生溫度。由于常規(guī)的轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)電輔助加熱，提供再生熱量。高效空氣源熱泵除濕系統(tǒng)相較于常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)再生能耗降低47.2%，總能耗降低28.6%，泵與風(fēng)機(jī)的電耗增加了1.9 kW，原因是風(fēng)機(jī)為空氣集熱器循環(huán)提供動(dòng)力時(shí)，消耗了部分電能。

表2 常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)與高效熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能耗對(duì)比

綜上所述，系統(tǒng)中再熱空氣的再熱能耗Eh主要由相變儲(chǔ)能太陽(yáng)能空氣集熱器及熱泵機(jī)組的冷凝熱提供，有效降低了對(duì)傳統(tǒng)高位電能的利用。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥14的開度為處理的空氣降溫直至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。由熱泵系統(tǒng)的理論分析可知，供應(yīng)熱媒溫度越低，機(jī)組COP越大，冷卻設(shè)備能耗也就越低。故相較于常規(guī)的轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，基于本文設(shè)計(jì)的新型輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)的總能耗顯著降低。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用前景

由于我國(guó)農(nóng)村地區(qū)城鎮(zhèn)居住分散、人口密度低且建筑分散，對(duì)實(shí)施城市集中型供暖方式帶來(lái)不便。此外，不同地區(qū)居民的生活習(xí)慣、供暖方式差異明顯，基于以上提出的農(nóng)村供熱需求存在的問(wèn)題，新型高效空氣源熱泵系統(tǒng)研究模塊主要優(yōu)點(diǎn)有：1）有溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，可以根據(jù)人體的實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化調(diào)節(jié)；2）室內(nèi)溫度分布均勻，采用金屬毛細(xì)管網(wǎng)的輻射式空氣源泵系統(tǒng)，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的巨大輻射換熱面，有效降低制冷/供暖溫差，房間垂直方向上溫度分布均勻、溫差梯度較小以及舒適性高；3）環(huán)保節(jié)能，采用可再生清潔能源（太陽(yáng)能及冷凝熱）作為轉(zhuǎn)輪除濕的再生熱源，不僅保證室內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)，避免夏季室內(nèi)結(jié)露，而且提高了能源利用效率；4）運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益高，可有效地利用低品位的太陽(yáng)能熱量作為空調(diào)系統(tǒng)熱量來(lái)源，減少對(duì)化石能源的需求；利用相變材料蓄冷蓄熱特性，分時(shí)段間歇運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“移峰填谷”。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于相變蓄能的輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)模塊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)北方冬季供暖需求，而且滿足南方地區(qū)夏季制冷除濕的要求。可廣泛應(yīng)用于農(nóng)村城鎮(zhèn)住宅、別墅、醫(yī)院病房、商業(yè)建筑及溫濕度要求較高的數(shù)據(jù)中心和廠房車間等。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種舒適更高、能耗更低、更為環(huán)保的新型相變蓄能輻射式高效空氣源熱泵系統(tǒng)研究模塊，通過(guò)分析該系統(tǒng)理想的逆卡諾制冷循環(huán)和轉(zhuǎn)輪除濕能耗問(wèn)題，得出如下結(jié)論：

1）從逆卡諾理想的制冷循環(huán)理論分析可知，當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃，冷凝溫度為40 ℃時(shí)，理想逆卡諾循環(huán)COP約為7.97；熱泵機(jī)組COP隨著供應(yīng)熱媒溫度的降低逐漸增大，隨著室外側(cè)蒸發(fā)溫度的升高而顯著提高；

2）從熱泵性能及轉(zhuǎn)輪除濕建立數(shù)學(xué)模型的能耗理論分析可知，采用太陽(yáng)能空氣集熱器時(shí)，出口溫度相對(duì)于室外空氣溫度最高提升了23.1 ℃，高效空氣源熱泵除濕系統(tǒng)相較于常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)再生能耗降低了47.2%，系統(tǒng)總能耗降低了28.6%；

3）從運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)保效益角度分析，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)“移峰填谷”，降低了高品位電能的消耗，對(duì)可再生清潔能源利用具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。