低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统供热与蓄热特性研究

　　摘 要： 文章基于结冰释热和融冰蓄热运行模式，对低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统特性开展了实验研究。 实验结果表明：结冰释热运行模式下，相变蓄能换热器内结冰率达到 56.03%时，压缩机平均供热性能系数为 4.14，其中，潜热供热阶段的平均供热性能系数为 3.91，这说明以水作为低温相变蓄能材料时，通过合理设计相变蓄能换热器结构与控制其结冰率，可以实现热泵的高效运行;蓄热循环热水的供水温度和流量是影响相变蓄能换热器的蓄热速度的重要参数，当蓄热循环热水的供水温度与流量的乘积低于 0.333 3 kg·℃/s 时，所需蓄热时间较长，不适合冬季日间进行太阳能蓄热;提高蓄热循环热水的流量和供水温度有助于提高相变蓄能换热器的蓄热速率，增加蓄热量;当蓄热循环热水的供水温度较低时，相变蓄能换热器的蓄热速率随蓄热循环热水流量的增加呈线性增加，但当蓄热循环热水的供水温度升高时，相变蓄能换热器蓄热速率的增加速度随蓄热循环热水流量的增加而减小。 因此，应结合蓄热输送能耗与太阳能集热效率对蓄热循环热水的供水温度和流量进行优化。

　　关键词： 太阳能辅助空气源热泵; 低温蓄能; 结冰释热; 融冰蓄热

　　胡文举; 胡鹏程; 邵正日; 常默宁; 杨灵艳， 可再生能源 发表时间：2021-11-16

　　0 引言

　　太阳能与空气源热泵互补供热的方案主要有两种， 分别为太阳能-空气源热泵联合供热和以太阳能为低位热源的空气源热泵供热。 联合供热方案须要太阳能集热温度与建筑用热温度相匹配、太阳能与空气源热泵供热互补。王亮、武晓伟、魏泽辉和祝彩霞对太阳能与空气源热泵联合供热进行研究，研究结果表明，通过优化、匹配系统的运行和控制模式可以有效提高系统能效， 降低系统运行费用[1]~[4]。 与联合供热方案相比，将太阳能作为空气源热泵低位热源的供热方案具有太阳能集热温度低、集热温度范围宽的优点，因而备受学者关注。 陈忠梅和 Liu Y 通过研究太阳能作为空气源热泵辅助低位热源时的供热方式、 性能影响因素、调控方法发现，以太阳能作为空气源热泵低位热源有助于提高空气源热泵的供热能力和性能，在低温工况下的效果尤其显著[5]，[6]。 李蓉提出一种太阳能空气换热器， 并对基于该换热器的空气源热泵性能进行研究， 得到了换热器的最优长宽比[7]。 为克服太阳能不稳定的缺点，曲德虎、倪龙和叶佳雨研究了一种基于 6~9 ℃相变蓄能材料的太阳能辅助空气源热泵系统，研究结果表明，该系统的灵活性、制热性能和稳定性优于常规热泵，其中，系统的核心设备-相变蓄能换热器的结构、工质参数是影响该系统性能和特性的重要因素[8]~[10]。闫泽滨提出了一套太阳能相变蓄热型空气源热泵复合供热系统，通过实验发现，该系统有效提高了空气源热泵的供暖性能和可靠性[11]。 水是一种性能优良的蓄热材料。近年来，以水为低温相变材料的热泵技术受到学者关注， 研究表明以水为热泵低温相变蓄能材料是可行的， 且太阳能集热器集热效率较高[12]~[15]。

　　本文提出一种以水为相变蓄能材料的低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统， 并在结冰释热和融冰蓄热运行模式下， 对该系统的供热与蓄热特性进行了实验研究。

　　1 系统原理和实验台搭建

　　1.1 低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统原理

　　我国北方寒冷与严寒地区，日夜温差较大。因此，一些地区虽然日间气温适宜空气源热泵运行，但夜间气温较低，导致热泵能效低，制热量不能满足供热需求。以北京地区为例，对供暖季各温度段的小时数进行统计，结果如表 1 所示。

　　由表 1 可知：低于 0 ℃的时间共计 1 532 h，其中夜间小时数占比为 79.5%; 低于-5 ℃的时间共计 583 h，其中夜间小时数占比为 86.8%。 这意味着提高空气源热泵夜间运行能效很重要。为解决空气源热泵夜间运行能效低的问题，本文提出低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统，该系统结构如图 1 所示。

　　低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统主要由压缩机、四通阀、室内侧空气换热器、热力膨胀阀、室外侧空气换热器、低温相变蓄能换热器、太阳能集热器组成。本文系统运行原理：太阳能集热器日间集取的太阳能， 通过蓄热循环热水输送至低温相变蓄能换热器来实现相变蓄热; 当夜间室外空气温度较低时， 来自热力膨胀阀的低温制冷剂不再流经室外侧空气换热器， 而是直接经电磁三通阀进入低温相变蓄能换热器， 完成蒸发吸热过程。 低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统的优点： ①可以实现夜间室外空气低温时段热泵的高效运行; ②太阳能集热器可在低温条件下进行集热，太阳能集热器的集热效率较高;③太阳能与空气能互补，提高了供热的可靠性。对于低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统， 合适的相变蓄能材料与合理的相变蓄能换热器结构是保证系统高效、稳定运行的关键。 目前，常用的低温相变蓄能材料及其热物性参数如表 2 所示。

　　由表 2 可知，水的相变温度较低，但其具有相变潜热大、密度高、导热系数大、不失效、容易获取、无毒、无污染、无腐蚀等优点。 因此，本文选定水作为低温相变蓄能材料。此外，为强化相变蓄能材料侧的传热性能，并使之适应多种运行模式，本文设计了一种翅片管式相变蓄能换热器 (以下简称为相变蓄能换热器)。相变蓄能换热器中制冷剂与载冷剂的换热铜管交叉排布， 翅片间隙内充注相变蓄能材料(水)。 相变蓄能换热器结构图与实物图如图 2 所示，结构参数如表 3 所示。

　　1.2 实验台搭建

　　图 3 为结冰释热与融冰蓄热运行模式下，低温蓄能型太阳能辅助空气源热泵系统特性实验原理与测点布置图。

　　实验用压缩机的额定制冷量为 2 480 W，额定功率为 735 W。实验时，选用恒温水浴模拟太阳能集热器。 实验台布置的温度测点共计 18 个，其中，6 个分别置于压缩机吸、排气管口和相变蓄能换热器的制冷剂、载冷剂(2 路)管进出口;另外 12 个分别置于相变蓄能换热器内距底部 5，10 cm 和 15 cm 的平面上 (分别记为 A 平面、B 平面、C 平面)。 用于测温的热电偶的精度为±0.1 ℃;压缩机吸、 排气压力采用 2 个精度为 0.5 级、 量程为 0~2.5 MPa 的压力传感器测量; 相变蓄能换热器蓄热循环热水的流量采用精度为 1.5 级、 量程为 60~600 L/h 的流量计测量; 压缩机功率采用精度为±(0.4%读数+0.1%量程) 的功率计测量。 实验时，相变蓄能换热器内总充水量为 0.18 m3 ，热泵的室内侧空气换热器置于温度为 20 ℃的房间内。结冰释热运行模式实验时，相变蓄能换热器内初始水温约为 10 ℃。 融冰蓄热运行模式实验时，先使热泵在相同室内工况下以结冰释热模式运行，当相变蓄能换热器内水温和压缩机特征参数达到预定值时，再进行融冰蓄热实验。本文开展了蓄热循环热水的供水温度分别为 6，12 ℃和 18 ℃，流量分别为 200，320 L/h 和 430 L/h， 共 9 种工况的融冰蓄热实验。

　　2 实验结果分析

　　2.1 结冰释热运行模式下热泵供热性能与特性

　　2.1.1 相变蓄能换热器内水温随时间的变化

　　由图 4 可知，实验初始 60 min，相变蓄能换热器内测点水温快速降至 0 ℃， 这是因为该时段相变蓄能换热器内的水以释放显热为主。此外，该时段各测点降温速度基本一致， 这表明相变蓄能换热器具有良好的换热性能。60 min 后，相变蓄能换热器各测点温度变化缓慢(约为 0 ℃)，这表明相变蓄能换热器进入潜热释热阶段。 虽然潜热释热过程中各平面上测点降温速度不同， 但变化规律类似。其中，A 平面上的 1，2 测点在第 100 分钟完成相变;3，4 测点在第 180 分钟完成相变。 这是因为 A 平面距制冷剂入口最近，因此，最先完成结冰释热。A 平面上 4 个测点完成相变后(此时相变蓄能换热器内的水凝结为冰)， 冰温逐渐降低，此时各测点进入显热释热阶段。 300 min 左右时，A 平 面 上 的 4 个 测 点 的 温 度 分 别 降 至 -2.454， -2.728，-2.347 ℃和-2.042 ℃，之后 4 个测点温度迅速降低。这是因为冰的比热容较小，导致测点降温快。由图 4 还可以看出：相变蓄能换热器从下至上相变释热时间逐渐变长;B 平面上的 1，2，4 测点在第 180 分钟完成潜热释热， 但测点 3 至实验结束仍未完成潜热释热;C 平面上的 4 个测点从第 60 分钟开始潜热释热，至实验结束仍未完成潜热释热。

　　2.1.2 结冰释热运行模式下热泵动态特性

　　图 5 为结冰释热运行模式下，压缩机吸、排气压力随时间的变化情况。

　　由图 5 可知，在实验初始 60 min 内，压缩机的吸、排气压力整体呈下降趋势，且吸、排气压力波动较大。 这是因为相变蓄能换热器内水温逐渐降低导致压缩机吸、排气压力逐渐降低。 同时，由于相变蓄能换热器内的水存在自然对流， 使得换热器内水温存在波动，导致压缩机吸、排气压力发生波动。60 min 后，相变蓄能换热器进入结冰释热阶段， 压缩机吸、 排气压力分别由0.39，1.38 MPa 缓慢降低至第 300 分钟的 0.377 5，1.36 MPa。 从第 290 分钟开始，压缩机吸、排气压力迅速降低。 这是由于相变蓄能换热器内结冰率升高以及冰温的迅速降低， 使相变蓄能换热器释热速率迅速降低导致的。

　　由图 6 可知， 压缩机功率的变化趋势与压缩机排气压力类似。 在初始 60 min 的显热释热阶段，压缩机功率整体呈下降趋势且具有波动性，平均值约为 545 W。 随后，由于相变蓄能换热器释热速度逐渐变小，导致压缩机功率由 540 W 逐渐降低至第 297 分钟的 530 W。

　　2.1.3 结冰释热运行模式热泵性能分析

　　为分析在结冰释热运行模式下， 相变蓄能换热器和热泵的性能，本文在结冰释热实验结束后，向相变蓄能换热器通入蓄热循环热水， 使水温恢复至实验初始温度。 蓄热循环热水向相变蓄能换热器释放的热量即为相变蓄能换热器结冰释热量，其计算式为 Qc=∑Cw×Mfw×(Tin-Tout)×Δt (1)式中：Qc 为相变蓄能换热器结冰释热量，kJ;Cw 为蓄热循环热水的比热容，kJ/(kg ℃);Mfw 为蓄热循环热水的流量，kg/s;Tin 为相变蓄能换热器进口处蓄热循环热水的温度，℃;Tout 为相变蓄能换热器出口处蓄热循环热水的温度;Δt 为蓄热时间，s。

　　由于显热释热阶段各测点温度变化具有较好的一致性， 假定相变蓄能换热器内的水与换热器具有相同的温度， 可得到相变蓄能换热器和相变蓄能换热器内的水的显热释热量的计算式分别为 QHE=CHE×MHE×ΔTHE (2) QW=Cw×Mfw×ΔTHE (3)式中：QHE 为相变蓄能换热器结冰释放的显热量， kJ;CHE 为相变蓄能换热器比热容，kJ/(kg·℃);MHE 为相变蓄能换热器的质量，kg;Mw 为相变蓄能换热器内水的质量，kg/s;ΔTHE 为相变蓄能换热器显热释热前后温差，℃;QW 为显热释热阶段相变蓄能换热器内的水释放的显热量，kJ。

　　相变蓄能换热器内的水结冰时释放的潜热释热量 QL 的计算式为 QL=QC-QHE-QW (4)压缩机平均制热性能系数 COP 的计算式为 COP= W+QC W (5)式中：W 为压缩机耗功，kJ。释热结束时， 相变蓄能换热器内水的结冰率 φ 的计算式为 φ= QL MWqL (6)式中：qL 为相变蓄能换热器内水的凝结潜热，kJ/kg。

　　表 4 为相变释热过程能量组成与热泵性能。由表可知，实验结束时，相变蓄能换热器内水的结冰率 达 到 56.03%， 压缩机 的平 均 性 能 系 数 为4.14。 其中：潜热供热阶段，压缩机的平均性能系数为 3.91;显热供热阶段，压缩机的平均性能系数为 5.057。 这表明以水作为低温相变蓄能材料时，通过合理设计相变蓄能换热器与控制其内的结冰率可以实现热泵的高效运行。

　　2.2 相变蓄能换热器融冰蓄热特性分析

　　2.2.1 相变蓄能材料的温度随时间的变化

　　融冰蓄热实验前，热泵在相同工况下运行，直至结冰释热实验结束， 相变蓄能换热器温度和压缩机的特征参数基本保持一致。因此，可认为相变蓄能换热器各融冰蓄热实验的初始温度相同，其结冰率均为 56.03%。 图 7 为在融冰蓄热运行模式下，蓄热循环热水的流量为 430 L/h，供水温度为 12 ℃时，相变蓄能换热器内各测点水温随时间的变化情况。

　　由于蓄热循环热水自上而下依次流经 C 平面、B 平面、A 平面。因此，相变先从 C 平面开始。由图 7 可知：C 平面上的 3，4 测点快速完成融冰蓄热后水温逐渐上升，1，2 测点分别在第 15 ，20 分钟完成相变后，温度逐渐升高;位于 B 平面上的 4 个测点分别于第 25，35，42 ，65 分钟完成相变蓄热后水温逐渐升高; 位于平面 A 上的 4 个测点分别于第 65，75，82 ，100 分钟完成相变蓄热后温度迅速上升。 至第 170 分钟，12 个测点的温度约等于蓄热循环热水的供水温度。 与释热过程相比，相变蓄能换热器蓄热耗时较短。 分析其主要原因：①冰的融化使相变蓄能换热器内的水在换热器内发生流动，强化了换热;②融冰过程中，蓄热循环热水和冰间的温差较大，强化了换热。

　　2.2.2 蓄热水温与流量对蓄热速率的影响

　　图 8 为蓄热循环热水的供水温度为 12 ℃，流量分别为 200，320 L/h 和 430 L/h 时， 相变蓄能换热器的蓄热速率随时间的变化情况。

　　由图 8 可知： 蓄热循环热水的流量分别为 200，320 L/h 和 430 L/h 时， 相变蓄能换热器的平均 潜 热 蓄 热 速 率 分 别 为 2.38，3.83 kW 和 4.30 kW，潜热释热结束后，显热蓄热阶段的平均蓄热速率分别为 0.89，1.05 kW 和 1.29 kW; 蓄热速率随时间逐渐降低，蓄热循环热水的流量越大，蓄热时间越短。 这是因为蓄热循环热水流量的增加导致蓄热循环热水的出水温度升高， 蓄热循环热水与相变蓄能换热器间的温差变大。 由图 8 还可以看出，在潜热蓄热阶段，随着蓄热循环热水的流量的增加，蓄热速率的增加量逐渐变小。这是因为相变蓄能换热器出口处的水温受入口水温的限制，相变速率的增加速度随蓄热循环热水流量的增加而变小。

　　由图 9 可知， 蓄热循环热水的供水温度是影响相变蓄热器蓄热速率的重要因素。 蓄热循环热水的供水温度为 6 ℃时， 将蓄热循环热水的流量由 200 L/h 增加至 430 L/h 时，可使相变蓄能换热器的蓄热速率由 1.13 kW 线性增加至 1.925 kW。然而，当蓄热循环热水的供水温度升高时，蓄热量增加的速度随蓄热循环热水流量的增大而减小，呈非线性。例如，将蓄热循环热水的供水温度增加至18 ℃， 当蓄热循环热水的流量由 200 L/h 增加至320 L/h 时， 蓄热速率由 3.86 kW 增加至 4.73 kW; 当蓄热循环热水的流量由 320 L/h 增加至 430 L/h 时，蓄热速率由 4.73 kW 增加至 4.95 kW。蓄热循环热水的供水温度与流量的乘积可表征输入相变蓄能换热器的能量。 当该乘积低于 0.333 3kg·℃/s(蓄热循环热水的流量为 200 L/h、供水温度为 6 ℃)时，蓄热速率低于1.13 kW;当该乘积为 0.533 3 kg·℃/s (蓄热循环热水的流量为 320 L/h、供水温度为 6 ℃)时，蓄热速率为 1.623 kW，高于潜热取热速率(1.514 kW)。

　　由图 9 还可以看出， 蓄热循环热水的流量较低时， 蓄热速率随蓄热循环热水供水温度的升高近似呈线性增加。 但当蓄热循环热水的流量增加时， 蓄热速率升高的速度随蓄热循环热水供水温度的增加而变小。 由于蓄热循环热水的流量会影响输送泵能耗， 蓄热循环热水的供水温度会影响太阳能集热器效率。因此，应结合蓄热输送能耗与太阳能集热效率对蓄热循环热水的供水温度和流量进行优化。

　　2.2.3 蓄热水温与流量对蓄热量及蓄热时间的影响蓄热循环热水的供水温度不同时， 相变蓄能换热器蓄热量如图 10 所示。

　　由图 10 可知，当蓄热循环热水的供水温度从 6 ℃分别升高至 12，18 ℃时，相变蓄能换热器内水的显热蓄热量分别由 4 021.27 kJ 升高至 8 408.1， 12 794.9 kJ，显热量占比由 15.6%分别升高至 27.9%， 37.1%;相变蓄能换热器总蓄热量由26 597.9 kJ 升高至 31 130.2，35 662.6 kJ， 总蓄热量分别提高了 17.1%，34.1%。 因此，增加蓄热循环水供水温度可以提高显热蓄热量，同时提高了总蓄热量。

　　蓄热循环热水的供水温度、流量不同时，相变蓄能换热器所需蓄热时间如图 11 所示。 由图可知， 在蓄热循环热水的供水温度为18 ℃工况下，蓄热循环热水的流量由 430 L/h 分别降低至 320， 200 L/h 时 ， 相 变 蓄 能 换 热 器 的 蓄 热 时 间 分 别由162 min 升高至 192，254 min，分别增加了18.5%。