帶相變蓄熱器的空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)研究

帶相變蓄熱器的空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)研究

0低溫濕度空氣源熱泵系統(tǒng)的提出空氣源熱泵是將空氣中的低次能量傳遞給熱用戶的有效工作效率。它具有能耗高、使用方便、投資少、安裝維修簡單、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。一次性?？諝庠礋岜每照{(diào)機(jī)組在我國長江中下游地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)以及華南地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用,這些地區(qū)冬季室外溫度一般不低于-5℃,室內(nèi)需熱量也不大,故在無需輔助熱源的條件下熱泵機(jī)組能夠較好地滿足該地區(qū)的供暖需求。而我國廣大的北方寒冷地區(qū),長期一直依靠傳統(tǒng)的燃煤、燃油供暖,給環(huán)境帶來了巨大的壓力,因此開發(fā)和探索一種潔凈、節(jié)能的供暖裝備具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值［２］。理論和實(shí)踐均表明:空氣源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用受到氣候條件的約束［３］,當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),空氣源熱泵運(yùn)行會(huì)存在一系列的問題,主要包括以下幾個(gè)方面［４］:1)熱泵系統(tǒng)安全問題。熱泵長期在低溫環(huán)境下工作,壓縮機(jī)的運(yùn)行工況惡化,排氣溫度升高,嚴(yán)重影響壓縮機(jī)壽命。當(dāng)環(huán)境溫度低于-25℃時(shí),甚至?xí)霈F(xiàn)壓縮機(jī)燒毀［５］。2)空氣源熱泵供熱過程中存在能量供需矛盾［６］。環(huán)境溫度較高時(shí),系統(tǒng)制熱量增加,而熱用戶需熱量減少;環(huán)境溫度較低時(shí),系統(tǒng)制熱量減少,而熱用戶的需熱量增加,尤其是環(huán)境溫度低于-10℃時(shí),這個(gè)供需矛盾異常尖銳。3)熱泵的性能系數(shù)降低。隨著環(huán)境溫度的降低,壓縮機(jī)的壓比不斷增加,系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)急劇下降［７］。4)室外蒸發(fā)器除霜?？諝庠礋岜迷诙具\(yùn)行時(shí),蒸發(fā)器表面溫度較低,空氣流經(jīng)蒸發(fā)器盤管時(shí)水分析出形成霜層,如果這些霜層不能及時(shí)除去,將嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的換熱效果［８］?；谏鲜鰡栴},本文探索開發(fā)出了一種新型低環(huán)境溫度空氣源熱泵系統(tǒng),與現(xiàn)有的空氣源熱泵系統(tǒng)相比,增加了一個(gè)充有相變材料的相變蓄熱器,實(shí)現(xiàn)了熱泵技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)的結(jié)合。通過實(shí)驗(yàn)研究,分析相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機(jī)組低溫運(yùn)行的可行性與安全性、低溫運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和除霜問題。1壓力和速度控制相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、四通換向閥、室外蒸發(fā)器、套管式冷凝器、熱力膨脹閥、相變蓄熱器及電磁閥組成,其工藝流程如圖1所示。1.2增稠劑、成核劑、懸浮劑的加入選用的相變蓄熱材料為Na２SO４·10H２O［９］,其相變潛熱為254kJ/kg,相變溫度為32℃,比較適合應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)。但由于Na２SO４·10H２O在使用過程中存在過冷和相分離現(xiàn)象,為增加材料的穩(wěn)定性,在Na２SO４·10H２O中加入了增稠劑、成核劑、懸浮劑。相變蓄熱材料的質(zhì)量配比為:4%的硼砂,7%的木屑,2%的聚酯纖維素(CMC),0.2%的淀粉纖維素(HMP),86.8%的Na２SO４·10H２O［１０］。相變蓄熱器結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。蓄熱器為高度1000mm、半徑250mm的圓柱體,內(nèi)桶為304不銹鋼,外桶為202不銹鋼,中間采用聚氨酯發(fā)泡保溫,保溫層厚度為50mm。同時(shí)蓄熱器內(nèi)布置雙螺旋紫銅盤管,內(nèi)、外圈盤管分別采用ue54e10mm×0.5mm和ue54e8mm×0.5mm的紫銅管繞制而成,外圈螺旋盤管的半徑為210mm,內(nèi)圈螺旋盤管的半徑為160mm,節(jié)距均為25mm。其中外盤管為蓄熱管路,內(nèi)盤管為蒸發(fā)管路。1.3根據(jù)熱泵的相確定度通過跟蹤、監(jiān)測太原1年的環(huán)境溫度并查閱大量的氣象資料,確定本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)熱泵的平衡點(diǎn)溫度為-5℃。如圖1所示,相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)通過控制電磁閥F1,F2,F3,F4的啟閉,可以實(shí)現(xiàn)以下3種模式轉(zhuǎn)換運(yùn)行:蓄熱模式、放熱模式和相變蓄熱除霜模式。1.3.1熱泵蓄熱模式環(huán)境溫度高于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蓄熱模式運(yùn)行。此時(shí)熱泵實(shí)際制熱量大于熱用戶所需的供熱量,系統(tǒng)制冷劑在冷凝器中放出熱用戶所需熱量,另外一部分過余熱量則通過相變蓄熱器蓄存起來。當(dāng)熱泵在蓄熱模式下運(yùn)行時(shí),電磁閥F3,F4關(guān)閉,F1,F2開啟。蓄熱模式下系統(tǒng)制冷劑流程為:10→2→8→1→2→F1→3→F2→11→5→10。1.3.2蒸發(fā)蓄熱器環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)放熱模式運(yùn)行。此時(shí)熱泵系統(tǒng)中的一部分制冷劑在室外蒸發(fā)器中吸熱而蒸發(fā),另外一部分在相變蓄熱器中吸收蓄熱而蒸發(fā),從而保證制冷劑在冷凝器中放出熱用戶所需熱量。當(dāng)熱泵在放熱模式下運(yùn)行時(shí),電磁閥F4關(guān)閉,F1,F2,F3開啟。放熱模式下制冷劑流程分兩路完成循環(huán):3→F2→11→5→10→2→8→1→2→F1→3和3→F3→6→11→9→1→2→F1→3。1.3.3相變蓄熱除霜環(huán)境溫度較低,且室外蒸發(fā)器結(jié)霜時(shí),熱泵系統(tǒng)按相變蓄熱除霜模式運(yùn)行。此時(shí)相變蓄熱器作為系統(tǒng)除霜時(shí)的低位熱源向室外蒸發(fā)器放熱進(jìn)行除霜［１１－１２］。當(dāng)熱泵在相變蓄熱除霜模式下運(yùn)行時(shí),電磁閥F1,F2,F3關(guān)閉,F4開啟。相變蓄熱除霜模式下系統(tǒng)制冷劑流程為:11→F4→2→8→1→2→10→4→11。2實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)系統(tǒng)2.1實(shí)驗(yàn)所需資源和設(shè)備圖3為相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分組成:相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)樣機(jī)、可控溫控濕室外環(huán)境模擬室以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的室外蒸發(fā)器放置在室外環(huán)境模擬室內(nèi),采用R22制冷劑,壓縮機(jī)是某廠生產(chǎn)的型號為ZW34KS的帶補(bǔ)氣口的2.205kW(3匹)的渦旋壓縮機(jī)。室外環(huán)境模擬室由1臺額定功率為5.88kW(8匹)的制冷機(jī)組、1個(gè)額定功率為6kW的空氣加熱器、1臺超聲波加濕器和1臺轉(zhuǎn)輪式除濕機(jī)組成,制冷機(jī)組具有可控溫調(diào)節(jié)功能,空氣加熱器同時(shí)具有可變功率和可控溫調(diào)節(jié)功能。2.2空氣和溫度檢測相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)中所有測點(diǎn)所測的溫度、壓力、流量、濕度、風(fēng)速和功率均都通過48路數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)自動(dòng)采集記錄。各溫度測點(diǎn)由SWD-F鉑電阻檢測,精度為±0.2℃;各壓力測點(diǎn)由濺射薄膜壓力變送器檢測,精度為0.25%;空氣相對濕度由TES-1360溫濕度計(jì)檢測,控制精度為±3%;室外蒸發(fā)器迎風(fēng)面風(fēng)速由風(fēng)速傳感器測量,精度為±0.1m/s。套管式冷凝器進(jìn)出口水溫由熱電偶檢測,精度為A級;水流量則由液體渦輪流量計(jì)檢測,精度為±0.5%;制冷劑工質(zhì)流量由氟利昂流量計(jì)測量,精度為±0.2%;壓縮機(jī)功率由有功功率變送器測量,精度為±0.01kW。2.3種工況下進(jìn)行相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)性能測試分別在環(huán)境溫度為15,10,5,0,-5,-10,-15,-20,-25和-30℃10種工況下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí),嚴(yán)格控制套管式冷凝器的進(jìn)口水溫恒定在45℃(波動(dòng)±0.3℃),嚴(yán)格控制水流量恒定在0.84m３/h(波動(dòng)±0.005m３/h),控制空氣相對濕度穩(wěn)定在55%~65%。3結(jié)果分析3.1高溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性圖4顯示了熱泵系統(tǒng)排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化。由圖4可見,隨著環(huán)境溫度從15℃降低到-5℃,壓縮機(jī)排氣溫度逐漸升高到130℃,這是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境運(yùn)行時(shí)熱泵系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量減少所致;當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為放熱模式運(yùn)行,機(jī)組的排氣溫度迅速降到75.6℃,隨著環(huán)境溫度的進(jìn)一步降低,機(jī)組的排氣溫度有一定的升高,但升溫不顯著,即使熱泵在超低環(huán)境溫度-30℃下運(yùn)行時(shí),壓縮機(jī)的排氣溫度也僅僅在105℃左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到壓縮機(jī)的安全排氣溫度極限。圖5顯示了熱泵系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化。由圖5可見,當(dāng)環(huán)境溫度高于-5℃時(shí),隨著環(huán)境溫度的升高,熱泵系統(tǒng)的排氣壓力逐漸升高,當(dāng)環(huán)境溫度為15℃時(shí)系統(tǒng)的排氣壓力最高為2.3MPa;當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),排氣壓力迅速升高到2.28MPa,隨著環(huán)境溫度的進(jìn)一步降低,熱泵系統(tǒng)的排氣壓力逐漸下降,當(dāng)熱泵在-30℃運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的排氣壓力僅為1.98MPa。相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)中的渦旋壓縮機(jī)允許最高排氣壓力為3MPa,而熱泵系統(tǒng)在全工況運(yùn)行時(shí)的最高排氣壓力僅為2.3MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全值。圖6顯示了熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度的變化。由圖6可見,當(dāng)環(huán)境溫度高于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱模式運(yùn)行,隨著環(huán)境溫度的降低,蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力逐漸降低;環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行放熱模式運(yùn)行,蒸發(fā)壓力隨著環(huán)境溫度的降低也逐漸降低,由于相變蓄熱器和蒸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)行,故系統(tǒng)從蓄熱模式轉(zhuǎn)換為放熱模式運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力基本保持不變。當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時(shí)系統(tǒng)蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力僅為0.148MPa,而此時(shí)制冷劑的吸氣比體積極大,導(dǎo)致通過蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)質(zhì)量循環(huán)流量非常小。圖7顯示了熱泵系統(tǒng)相變蓄熱器蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度的變化。由圖7可見,當(dāng)環(huán)境溫度高于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱模式運(yùn)行,此時(shí)相變蓄熱器蒸發(fā)管路關(guān)閉,處于不工作狀態(tài),故相變蓄熱器中的蒸發(fā)壓力為0MPa;當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)以放熱模式運(yùn)行,此時(shí)相變蓄熱器蒸發(fā)管路開啟,制冷劑在相變蓄熱器中吸收熱量而蒸發(fā),隨著環(huán)境溫度的降低,相變蓄熱器的蒸發(fā)壓力始終保持在0.8MPa基本不變,這是因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)在放熱模式運(yùn)行時(shí)相變蓄熱器一直保持在相變溫度32℃穩(wěn)定放熱,制冷劑在蓄熱器中的蒸發(fā)溫度基本恒定,故蒸發(fā)壓力基本維持不變。3.2熱風(fēng)系統(tǒng)制熱量的變化圖8顯示了熱泵系統(tǒng)制熱量隨環(huán)境溫度的變化。由圖8可見,隨著環(huán)境溫度的升高,熱泵系統(tǒng)的制熱量顯著提升,環(huán)境溫度從-5℃升高到15℃時(shí),熱泵系統(tǒng)的制熱量由4.71kW增加到7.94kW,系統(tǒng)制熱量除滿足熱用戶的供熱量外,過余的熱量通過相變蓄熱器蓄存。當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)在放熱模式下運(yùn)行,相變蓄熱器作為輔助蒸發(fā)熱源向系統(tǒng)提供熱量,隨著環(huán)境溫度的降低,系統(tǒng)的制熱量逐漸減少,但是仍能滿足供熱需求,環(huán)境溫度從-5℃降低到-30℃時(shí),熱泵系統(tǒng)的制熱量從5.94kW降低到4.71kW,下降趨勢不顯著,即使在-30℃的極限環(huán)境溫度下,系統(tǒng)的制熱量仍能達(dá)到4.71kW,能夠保證熱用戶的供熱需求。相變蓄熱蒸發(fā)空氣源熱泵在低于-5℃運(yùn)行時(shí),由于系統(tǒng)制熱量高于供熱量,相變蓄熱器在向系統(tǒng)放熱的同時(shí)仍能蓄存熱量。3.3蓄熱過程中熱泵系統(tǒng)cop的變化圖9顯示了相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。由圖9可見,在全工況范圍內(nèi),熱泵COP都較高,這是由于蓄熱器的蒸發(fā)放熱所致。熱泵系統(tǒng)在蓄熱模式下運(yùn)行時(shí),隨著環(huán)境溫度的降低,熱泵的COP呈直線大幅度下降,由15℃時(shí)的3.2降到-5℃時(shí)的2.2。環(huán)境溫度低于-5℃時(shí),熱泵系統(tǒng)在放熱模式下運(yùn)行,熱泵制熱COP下降趨勢不明顯,即使在超低環(huán)境溫度-30℃下,相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱COP仍可以達(dá)到1.94。4種蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)的性能4.1相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)具有較低的排氣溫度。在超低環(huán)境溫度-30℃運(yùn)行時(shí),排氣溫度僅為105℃。4.2相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵在全工況范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)具有穩(wěn)定的排氣壓力,最高排氣壓力僅為2.3MPa。同時(shí)在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí),相變蓄熱器蒸發(fā)壓力穩(wěn)定,始終保持在0.8MPa不變。4.3相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)具有較大制熱量