一种空气源热泵相变贮能式冷凝热回收系统探讨

李宛泽 刘曙光

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

一种空气源热泵相变贮能式冷凝热回收系统探讨

李宛泽 刘曙光

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

设计了一种空气源热泵机组在夏季制冷工况运行时，利用相变材料回收机组冷凝热用于生活热水制备的系统，对初步选取的5种有机相变材料，采用差式扫描量热法(DSC)进行了相变温度、相变潜热等参数的热物性实验，通过对比分析实验数据，确定选用月桂酸作为贮能系统的主要蓄热材料，并通过工程算例证实了该系统的可行性。

空气源热泵，冷凝热回收，相变材料，系统

当今社会节能减排、合理利用能源的理念贯穿于各行各业。空气源热泵冷热水机组是一种低碳、环保的四季型建筑设备。由于它具有能效比高、适应性强的特点，被广泛应用于建筑物采暖与供冷。有关建筑能耗实践调查表明，在我国家用空调耗电量和家用热水器耗电量分别占家用电器用电量的第一位和第五位[1]。在炎热的夏季将空气源热泵冷凝热量充分回收，这部分能量为人类提供生活热水。冷凝热回收技术既能避免热能浪费、减轻对大气造成的环境热污染，又可以降低冷凝热排放到室外侧换热器的温度，有利于热泵机组稳定运行，因此该技术值得科研人员研究并大力推广。

然而，在日常生活中空调冷凝热的排放与人们对生活用水需求往往存在用能时间与用量上的不同步性。传统的显热式水蓄热方式，存在着蓄热能力有限，保温性能差，散热量大，蓄热水箱体积大，能源利用总效率较低等问题[2]。因此，在冷凝热回收式的空气源热泵系统中引入相变材料，利用其贮能密度大，蓄热、放热性能稳定的特点，可以有效克服传统的显热式蓄热系统的一些缺点。

1 相变贮能式冷凝热回收系统实验装置

本文设计了一种空气源热泵相变贮能式冷凝热回收系统，将相变材料填加到相变蓄热式换热器中。此系统的基本工作原理是：在夏季机组按制冷模式运行时，可以将即时排放的大部分冷凝热回收，储存于换热器的相变材料中，多余冷凝热量可通过风冷冷凝器排放到室外环境中；当需要使用热水时，热水箱内需要加热的水通过循环水泵进入相变换热器中，与已经储热的相变材料换热，获取热量、提高温度后形成供给生活热水。如果热水温度没有达到使用时需要的温度要求，可以通过辅助电加热的形式提高供水温度。图1为空气源热泵相变贮能式冷凝热回收实验系统示意图。从图1可见此系统主要由空气源热泵冷热水机组，相变换热器，热水箱，电辅助加热器，循环水泵，系统各部件连接管路，控制阀门及参数测试装置组成。

在相变蓄热箱中竖向分层填加相变蓄热材料，制冷剂管路和水循环管路分别通过箱内两套盘管连接到本系统中。存储热能时，空气源热泵系统运行，压缩机工作产生高温高压的制冷剂，通过一套盘管在相变蓄热箱中释放热量，相变材料被不断加热直至熔化，储存了冷凝热量。取用热能时，开启热水器系统，自来水流经相变蓄热箱中的另一套盘管吸收热量，热水流入热水箱。热水箱底部接水管，连接至自来水管在相变水箱入口处，管口有温控阀，当热水箱中的水温不足40 ℃时阀门开启，不足温度的热水与自来水混合流入相变蓄热箱内继续换热，直至热水箱内水温达到40 ℃时温控阀关闭，热水即可供给生活热水。

2 传统显热式蓄热与相变材料蓄热工作模式的比较

与传统水蓄热式热水系统相比，在热回收器中填加相变材料蓄存热量，能够解决空调供冷与热水器用热水需求在时间与用量上不同步的问题。如图2所示，从压缩机启动、供冷系统开始运行起，水蓄热式热水箱即从A点开始加热热水，经过一定时间的系统运行，水温达到最高点40 ℃。加热完成后，不再循环加热水箱内的储水。虽然蓄热水箱有保温层，但是若不及时使用，水温仍会逐渐降低，造成能源浪费。将相变材料加入热回收器中后，供冷释放的冷凝热可以蓄存于相变材料内。图2中B点是需要生活用水供应的时间节点，从B点开始加热自来水，通过循环水泵可以持续从相变材料中取热，使生活供水温度维持在40 ℃。这样一方面可以把冷凝热转化为相变材料的贮热，另一方面可不间断加热水箱内水，保证用水温度的恒定。

3 相变材料的选择

近年来相变蓄热技术在国内外蓬勃发展，并被广泛使用。例如，相变蓄热式太阳能热水系统，相变蓄热地板采暖，相变蓄能建筑围护结构，及航天领域的高温固液相变蓄热器等[3,4]。常用的相变形式有四种：固—液相变、液—气相变、固—气相变、固—固相变，本系统选择最为常见的固—液相变形式。常用的相变材料主要包括无机物和有机物两大类。无机相变材料具有腐蚀性，而且在相变过程中易产生过冷析出现象；而有机相变材料腐蚀性小，相变过程几乎没有相分离的缺点，而且化学性能稳定，价格低廉。因此，本设计系统选择有机相变材料。利用差式扫描量热仪，分别对十二醇、正癸酸、月桂酸、十四酸、硬脂酸的熔点、相变潜热及终止温度进行测量。实验初始条件见表1。

表1 DSC实验的初始条件

由差式扫描量热法(DSC)得到的各物质的相关物性参数列于表2中。

表2 几种有机物的相变温度和潜热值

填充该系统的相变材料应选择其相变温度与空调冷凝热排放温度有一定温度梯度的相变材料，这样才能保证充分换热。本系统冷凝热回收工况的冷凝放热温度为50 ℃～55 ℃，生活热水设计出水温度为40 ℃。因此，相变温度43.5 ℃的月桂酸为填充本系统的相变材料。

4 工程算例

近年来，酒店宾馆类建筑使用冷凝热回收式空气源热泵的数量逐渐增加，一方面为房间提供舒适的居住环境，另一方面利用其排放的冷凝热量加热自来水供给客人及员工日常生活热水。尤其在我国长江以南地区，一年内夏季持续时间久，且环境温度较高，十分适合使用空气源热泵。然而，空调负荷与热水负荷存在不同程度的时间和用量上的不匹配，在热回收空气源热泵系统中填加适合的相变蓄热装置可以解决这一问题。

以福建省某三星级酒店为算例[5]。该酒店总建筑面积约为10 000 m2，若将这种空气源热泵相变贮能式冷凝热回收系统应用其中，以7月份平均日空调负荷及日热水负荷为例计算。酒店7月生活需求 热水热负荷与机组冷凝负荷比较见图3。

从图3可以看出酒店的生活热水使用时间集中在7:00～9:00及19:00～22:00，空调使用时间集中在16:00～21:00，的确存在使用时间和用量的不匹配。

在该系统中填加相变材料，相变蓄热装置的蓄热量Qr计算公式见式(1)。

Qr=m(H+CpΔt)

(1)

其中，Qr为冷凝热回收量，kJ；Cp为相变材料比热容，kJ/(kg·℃)；m为相变材料质量，kg；H为相变材料的熔解热，kJ/kg；Δt为相变材料蓄热温差，℃。

以日为周期计算可知，酒店的空调机组冷凝热负荷为1.3×104MJ，日热水负荷为3.3×103MJ，根据式(1)可以算出蓄存这些热量需要在相变蓄热装置中填加约为4.0×104kg的月桂酸。设计综合取热系数为0.3，则可以取出的热量为3.9×103MJ，总量上能够满足日用水负荷需求量。因此，本文讨论的以月桂酸为主的相变材料用于冷凝热回收式空气源热泵系统应用于酒店类建筑的设想是可行的。

5 结语

1)本文设计分析了一个新的系统型式，将相变材料与热回收式空气源热泵热水器相结合的系统。针对夏季工况分析了该系统的运行原理，并与水蓄热式冷凝热回收热泵热水器进行比较。证实该系统既节能环保，又可以在高能效比下稳定运行。

2)通过已有资料及DSC法实验测试，根据本系统对相变材料性能的要求，选定月桂酸填充该系统的相变蓄热箱。并通过计算工程实例，证明该系统可行。

[1] 中国标准化研究院.中国用能产品能效状况白皮书(2010)[M].北京：中国标准出版社,2010:23-24.

[2] 陈 华，黄耀坤，张 瑜，等.住宅空调冷凝热热回收技术的研究现状与展望[J].建筑节能，2012(4):6-10.

[3] 朱 丹.新型毛细管相变蓄能罐的开发研究[D].北京：北京建筑工程学院，2010.

[4] 方贵银.蓄能空调技术[M].北京：机械工业出版社，2006:123-125.

[5] 王 浩.宾馆冷水机组热回收技术应用研究[D].西安：西安建筑科技大学，2005.

Design and analysis on phase change thermal storage applied in heat recovery of air source heat pump condensing system

Li Wanze Liu Shuguang

(SchoolofCivilEngineering,NorthEastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This paper designs an air source heat pump runs the cooling conditions in the summer. The system uses Phase Change Materials (PCM) to recover the condensing heat of the engine-set, and makes the part of heat use for domestic hot water system. Using the Differential Scanning Calorimetry(DSC) conducted a series of experiments which includes phase transition temperature, latent heat etc for the preliminary selection of five kinds of organic phase change material. By comparing and analyzing the experiment datum, and deciding to use lauric acid as the main heat storage material of the energy storage system. Confirming the feasibility of this system by an engineering example.

air source heat pump， condensing heat recovery, phase change material, system

2014-12-14

李宛泽(1990- )，女，在读硕士； 刘曙光(1962- )，男，副教授

1009-6825(2015)06-0116-02

TU822.2

A