087太阳能—空气双热源温差对复合热泵系统性能影响的实验研究

太阳能—空气双热源温差对复合热泵系统性能影响的实验研究中原工学院1周光辉刘寅张岑陈圣洁李寅飞摘要：本文设计了太阳能—空气双热源复合热泵系统，根据双热源复合热泵系统冬季供热运行时双热源复合换热的技术特征，提出了“双热源有效复合温差”和“双热源最大有效复合温差”两个重要概念，并对不同的太阳能热水流量下太阳能—空气双热源有效复合温差范围以及对双热源复合热泵系统性能的影响进行了实验研究和分析。关键词：双热源复合温差复合热泵特性针对空气源热泵低温供热性能差的明显缺陷，一些国内外学者提出可将太阳能和空气相结合进行复合供热这一思路来提高空气源热泵低温供热时的工作效率[1-6]。如马伟斌、龚宇烈针对北京地区冬冷夏热的气候特点设计的太阳能—空气双热源热泵中央热水系统[7]；许国英、张小松等设计的太阳能辅助空气源复合热泵热水器[8]；山东建筑大学的魏林斌，王强等进一步设计了一种壁挂式的太阳能-空气复合热源热泵系统等等[9]。但是这些研究主要集中在覆叠式压缩或双热源切换利用技术方面。本文设计的太阳能—空气双热源复合热泵系统（以下称双热源复合热泵）采用了“翅片－套管复合换热器”作为室外换热器，可实现太阳能热水与空气源两种温度不同的非同态热源在同一蒸发器中同步复合供热，有利于提高热泵的工作效率。但是对该双热源复合热泵系统而言，经研究发现太阳能热水与空气两种热源温差的大小对热泵系统性能有重要影响，所以本文提出了“双热源有效复合温差”和“双热源最大有效复合温差”两个重要概念，并对双热源有效复合温差的主要影响因素、以及双热源有效复合温差对双热源复合热泵系统性能的影响进行了理论分析与实验研究。1双热源有效复合温差定义及理论分析本双热源复合热泵系统所利用的两种低温热源分别为太阳能热水（乙二醇水溶液）和室外空气，这两种热源的温度差值的大小对热泵系统性能有重要影响。本文将“两种低温热源同时向热泵系统提供热量时所对应的温度差值”定义为“双热源有效复合温差”。实验研究发现，当该温差增大到某一值时，制冷剂不但不能从两种热源同时吸热，反而将从温度较高的热源吸取的热量部分地转移到了温度较低热源，此时热泵系统的蒸发温度将介于高、低温两个热源的温度之间，产生两热源之间的间接传热损失。故本文进一步提出“最大有效复合温差”概念：即两种热源同时向热泵系统提供热量时允许存在的最大温度差值。当双热源的温差小于最大有效复合温差值时则处于“双热源有效复合温差范围”，在有效复合换热温差范围内，双热源将同时向热泵系统进行同步复合供热，也称为“双热源复合正效应”；当双热源的温差超过最大有效复合换热温差值时，将产生“双热源复合负效应”。因此，在太阳能－空气双热源复合热泵的设计与运行中，应根据室外低温空气热源的温度和所确定的太阳能热水流量，合理选择太阳能热水进口温度，以保证双热源复合热泵再有效复合温差范围内工作。基金项目：河南省科技攻关项目(072102240013)；河南省科技攻关项目(082300460150)作者简介：周光辉（1957—），男，教授，主要研究方向为空调热泵技术和空调蓄冷技术。Email：[e-mail]2实验装置与实验方法2.1实验装置本实验装置室外换热器采用“翅片—套管式双热源复合换热器”，其余主要部件均采用压缩机为1HP的风冷热泵机组部件，该复合换热器的翅片管外表面积按与1HP的风冷热泵机组室外换热器相同外表面积确定。制冷剂为R22。太阳能集热水箱容积为2m3，以电加热模拟太阳能热水集热量和热水温度。图1所示“翅片－套管双热源复合换热器”结构原理图，通道1图中为太阳能热水，通道2中为制冷剂R22，太阳能热水和制冷剂在换热器中以逆流方式进行热量交换，在翅片管外侧流动的室外空气和制冷剂以叉流方式进行热量交换，在热泵供热工况下，太阳能热水和室外空气两种非同态低温热源在翅片—套管式双热源复合换热器中同步向制冷剂R22进行热量传递,从而构成双热源复合热泵系统工作模式。空气翅片通道2通道1乙二醇水溶液制冷剂图1太阳能-空气双源复合换热器原理图2.2实验方法本实验在恒温恒湿实验室进行，恒温恒湿实验室的两个实验房间分别模拟试验所需室内环境和室外环境，分别安装复合热泵系统的室内机和室外机进行实验测试。温度测量采用经校准的2×0.3mmT型热电偶，符合国家标准GB/T2903-1998。系统各种温度和模拟信号的数据采集均采用Agilent34970A型采集器来完成，数据采集时间间隔为15s，并与计算机连接，实时记录实验数据。在本实验中，复合换热器风机采用的是定速风机,故试验中空气流量为定风量，太阳能热水流量按照经济流速和与空气供热量适度平衡的原则，选择0.2、0.4、0.6m3/h三种实验流量。本实验根据《房间空气调节器》（GB/T7725－2004）规定工况和实验所需的自定义工况，设定了五种单一空气源和双热源复合实验工况（见表1），以便进行双热源复合热泵系统与单一空气源热泵的性能比较。表1双热源复合热泵实验工况实验工况（室外环境温度即空气源温度）℃运行模式单一空气热源模式太阳能－空气复合热源模式额定制热（高温）工况7（6）7（6）额定制热（低温）工况2（1）2（1）最小制热工况-5（-6）-5（-6）-10℃超低温工况(自定义)-10（-11）-10（-11）-15℃超低温工况(自定义)-15（-16）-15（-16）注：括号内为湿球温度,各实验工况对应的室内环境均为干球温度20℃，湿球温度12℃。3实验结果与分析3.1不同太阳能热水流量下双热源有效复合温差图2为室外低温空气热源定流量时，在太阳能热水0.2、0.4、0.6m3/h三种流量下，太阳能-空气“双热源最大有效复合温差”随室外低温空气热源温度的变化情况。从图2可以看出，“双热源最大有效复合温差”随太阳能热水流量的减小而明显增大，主要是太阳能热水流量减小造成水侧换热效果显著减弱所致；尽管空气体积流量为定值，但“双热源最大有效复合温差”随室外空气热源温度的升高而略有减小，主要是空气源温度升高造成空气比容增大，空气质量流量相对有所减小所致，但其影响程度明显小于太阳能热水流量的影响。同时从图2还可以看出，在各太阳能热水流量对应的“双热源最大有效复合温差”下，太阳能热水对应的温度（室外低温空气热源温度+双热源最大有效复合温差）均不超过20℃，这就大大扩大了双热源复合热泵系统对太阳能的使用地域范围和使用时间范围。-15-10-505106789101112131415双热源最大有效温差（℃）空气源温度（℃）太阳能热水流量0.2m3/h太阳能热水流量0.4m3/h太阳能热水流量0.6m3/h图2不同太阳能热水流量下最大有效复合换热温差比较3.2双热源有效复合温差对热泵系统制热量的影响图3和图4分别为单一空气源热泵和双热源复合热泵制热量变化曲线图。由图4可知，在各给定的实验工况下，双热源复合热泵系统制热量随双热源有效复合温差的增大而逐渐增大，主要是太阳能热水的换热量所占比例逐渐增大所致；双热源复合热泵系统制热量提高幅度随室外低温空气热源温度的降低明显增大：当室外低温空气热源温度在7℃的额定高温制热工况，双热源温差达到最大复合温差5.7℃时，双热源复合热泵系统制热量可达单一空气源热泵的1.2倍左右；在室外低温空气热源温度达到-15℃，双热源温差达到最大复合温差8℃时，双热源复合热泵系统制热量可达到单一空气源热泵的1.5倍。因此，双热源复合热泵系统制热量明显高于单一空气源热泵的制热量。-16-14-12-10-8-6-4-202468100012001400160018002000220024002600280030003200制热量(W)空气源温度(℃)单一空气源工况-10123456789100012001400160018002000220024002600280030003200制热量（W）双热源有效复合温差（℃）额定制热（高温）工况额定制热（高温）工况最小制热工况-10℃低温工况-15℃低温工况图3.单一空气源热泵制热量随工况变化图4.双热源复合热泵制热量随工况变化3.3双热源有效复合温差对热泵系统能效比的影响图5和图6分别为单一空气源热泵和双热源复合热泵系统能效比变化曲线图。由图6可知，在各给定的实验工况下，双热源复合热泵系统能效比随双热源有效复合温差的增大而逐渐增大，主要是太阳能热水的换热量所占比例逐渐增大所致；双热源复合热泵系统能效比提高幅度随室外低温空气热源温度的降低明显增大：当室外低温空气热源温度在7℃的额定高温制热工况，双热源温差达到最大复合温差5.7℃时，双热源复合热泵系统能效比可达单一空气源热泵的1.2倍；在室外低温空气热源温度达到-15℃，双热源温差达到最大复合温差8℃时，双热源复合热泵系统制热量可达单一空气源热泵的1.5倍。因此，双热源复合热泵系统能效比明显高于单一空气源热泵的能效比。-16-14-12-10-8-6-4-2024681.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2能效比空气源温度(℃)单一空气源工况-101234567891.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2能效比双热源有效复合温差（℃）额定制热（低温）工况额定制热（低温）工况最小制热工况-10℃低温工况-15℃低温工况图5.单一空气源热泵能效比随工况变化图6.双热源复合热泵能效比随工况变化4结论实验研究表明，在一定的室外低温空气热源流量下，“双热源有效复合温差”随太阳能热水流量的减小而增大，随室外低温空气热源的提高而降低，且太阳能热水流量的影响明显大于室外低温空气热源温度变化的影响；在相同的室外低温空气热源温度工况下，双热源复合热泵系统制热量和能效比明显高于单一空气源热泵，且室外低温空气热源温度越低，制热量和能效比提高的幅度越大。因此，控制双热源温差在最大有效复合温差范围内，是保证双热源复合热泵系统有效工作的前提条件，在不同的室外低温空气热源温度和太阳能热水流量下，选择合理的“双热源有效复合温差”是提高双热源复合热泵系统制热量和能效比的关键。参考文献[1]罗会龙,铁燕等.空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究[J].建筑科学,2009,(02):52-54[2]黄文忠.太阳能及空气源热泵组合热水系统在建筑中的应用[J].福建建筑,2009,(03):118-119[3]林康立.太阳能与空气源热泵结合的热水工程设计及技术经济比较[J].制冷技术,2009,(01):5-11[4]刘业凤,刘道平,伍德虎.太阳能-空气双热源热泵及热水系统的研究[J].北京:太阳能学报.2007,(2):122-126[5]Saad,O.,Salem,N.andBilal,A.2004.PerformanceEvaluationofSolar-assistedDouble-tubeEvaporatorHeatPumpSystem.InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,2004(31):191-201[6]俞乔力,马春青.空气-太阳能-电能复合热源热泵型冷热水机组[J].暖通空调,2004,34(12):99-101[7]马伟斌,龚宇烈.太阳能－空气双热源热泵中央热水系统[J].中国科学院广州能源研究所[8]许国英,张小松,管振水.太阳能-空气复合热源热泵热水器的运行特性[J].北京:太阳能学报.2008[9]魏林滨,王强等.一种新型阳台壁挂太阳能—空气源复合热泵系统[J].山东建筑大学学报,2009,(01):73-77