直膨式双源热泵运行特性实验系统设计与应用

王 岸，徐荣吉，王雪勍，王瑞祥，许淑惠

（北京建筑大学北京市建筑能源综合高效利用工程技术研究中心，北京 100044）

0 引言

据统计，建筑能耗在我国占社会总能耗的20%左右［1］，而热水能耗占整个建筑能耗比例较高，降低热水能耗对建筑节能具有重要意义。由于热泵热水器节能、高效［2-7］，逐渐成为热水器主流技术方案之一，其中又以空气源热泵为主。Peng等［8］利用仿真模拟软件建立了热泵热水器的准稳态系统模型，对膨胀阀、毛细管和节流短管的节流性能进行了验证，其中膨胀阀节流效果最好。张超［9］以混合制冷剂R22／R142b为工质，研究了不同制冷剂充注量、工质质量比对中高温空气能热水器制热量、COP、压力等性能参数的影响。张丽等［10］通过改变环境温度对热泵热水器的性能进行了分析研究，随着环境温度的升高，系统运行性能明显升高。袁朝阳等［11］将电子膨胀阀用于空气源热泵热水器并测试了其运行性能，研究结果显示，COP提升了8.24%，排气温度降低了7.16%。郭志敏等［12］研究了冷凝器结构对热泵热水器系统性能的影响，板式冷凝器性能最优，系统COP达到4.1。而微尺度平行流换热器具有换热效率高、耗材少等优点，其在热泵系统中的应用越来越广泛，对其特性的研究也成为热点。盛伟等［13］对结霜工况下微通道蒸发器的制冷剂分布特性进行研究后发现，随着霜层厚度的增加，蒸发器过热区长度减小，两相区制冷剂分布更加均匀。刘巍［14］对微通道蒸发器的流量分配特性进行了研究，随着蒸发器开孔面积的增加，蒸发器内部阻力减小，但制冷量先增加后减小。马晓燕等［15］比较了微通道冷凝器与常规管翅式冷凝器的运行特性，发现微通道冷凝器的系统性能较常规冷凝器性能提高了69%，效果较好。因此将微通道换热器与热泵系统进行组合，理论上可以有效增加热泵系统的运行效率。

为探究微尺度平行流换热器作为蒸发器对系统运行特性的影响，本文结合科研项目搭建了一套热泵热水器实验系统，将微尺度平行流换热器替代原有的管翅式换热器作为热泵系统的蒸发器。微尺度平行流换热器可以同时吸收环境热量及太阳热辐射，进而提高了整个系统的运行效率。实验系统可以通过改变环境参数（环境温度、风速、太阳辐射强度等），测定不同工况下系统的动态运行特性。还可以通过改变换热器的结构以及外形尺寸，深入探究不同规格的微尺度平行流蒸发器对系统运行特性的影响。为进一步研究微尺度平行流蒸发器在空气源热泵热水器中的适应性，提供实验平台与理论基础。该实验平台还可用于本科生的实验实践教学，利用真实的热泵系统动态实测数据，激发学生的创新意识，加强独立思考的能力。

1 实 验

微尺度平行流蒸发器热泵热水器实验系统分为两大部分：热泵循环系统和数据采集系统。热泵循环系统主要功能是通过改变参数（环境温度、湿度、蒸发器侧风速、太阳光照强度、水箱初始温度等）使系统在不同的设计工况下运行，通过不同工况下系统运行效率的高低来判断不同条件对系统运行性能的影响，进而得出微尺度平行流蒸发器在热泵热水器中的适应性。而数据采集系统可以在热泵循环系统运行时，实时检测循环的运行状态参数，并通过调用NIST的物性数据库，计算循环性能并实时显示储存，可实时了解热泵循环系统的动态运行特性。

1.1 热泵循环系统

如图1所示为热泵循环系统示意图，系统由压缩机、冷凝盘管一体式储热水箱、毛细管、四通换向阀、微尺度平行流蒸发器及储液罐组成，使用R22作为循环系统制冷剂，能够实现全年生活热水供应。

图1 微尺度平行流蒸发器热泵系统示意图

如图2所示为实验装置图，顶部集成了压缩机、储液罐、毛细管、控制板等部件，中间主体部分为储热水箱，微尺度平行流蒸发器竖直放置在实验台后侧，换热器与实验台接触点均已用隔热保温材料填充，以确保实验参数的准确性。其中微尺度平行流蒸发器由46根微通道扁管平行排列，每根扁管长0.79 m，进出口分别设有分、集液器，横截面如图3所示。微尺度平行流蒸发器无翅片，外展迎风面积大，涂覆选择性吸收涂层后，可以吸收太阳辐射，形成双热源热泵热水器。冷凝盘管一体式储水箱容量为80 L。

1.2 数据采集系统

数据采集系统由数据采集仪、自编写LabVIEW数据采集程序及传感器组成。主要装置为Agilent34972A数据采集仪，4个罗斯蒙特1 151压力传感器，10个Omega T型热电偶。其中，在压缩机与冷凝器之间、冷凝器与电子膨胀阀之间、电子膨胀阀与平行流蒸发器之间、平行流蒸发器与压缩机之间分别布置4个压力传感器及6个测温点，可以测试蒸发温度和压力、冷凝温度和压力，如图1所示。此外，在水箱布置测温点，实时测试水箱温度；在平行流蒸发器不同位置布置2个热电偶，以测试平行流蒸发器的性能；在实验台周围布置测温点，用于测量实验台周围的环境温度。

图2 热泵热水实验装置图

图3 微尺度平行流蒸发器横截面图（mm）

LabVIEW虚拟仪器软件开发了数据采集程序，采集热泵循环实时运行温度及压力参数，调用NIST数据库，实时计算系统的运行性能，并显示循环的运行状态，如图4所示。例如，通过采集平行流蒸发器出口（压缩机吸气口）温度及压力，调用物性数据可以得到平行流蒸发器出口的焓值及蒸发压力对应的饱和温度；通过电子膨胀阀入口（冷凝器出口）温度及压力，调用物性数据可以得到电子膨胀阀出口的焓值及冷凝压力对应饱和温度；通过采集冷凝器入口温度及压力（压缩机排气口），调用物性数据可得到冷凝器入口焓值。通过以上数据可以计算得到热泵循环的过热度和过冷度，并能在压焓图上准确描述出循环的状态点。结合压缩机吸排气压力及压缩机性能曲线，计算出制冷剂质量流量，并根据各个部件的进出口焓值，即可以计算出各个部件的能量交换（冷凝器换热量、蒸发器换热量、压缩机耗功）及COP。数据采集系统主要设备如表1所示。

图4 LABVIEW数据采集处理图

表1 主要实验仪器

1.3 数据处理方式

压力变送器输出4～20 mA的电流信号，为方便测量，在测试电路中串入250 Ω标准电阻，将电流信号转化为1～5 V电压信号，所以，测试的压力与电压信号的关系为

式中：p为绝对压力，kPa；x为系统中所采集的电压信号，V。

换热器换热量的计算公式为

式中：Q 为换热量，W；M 为制冷剂质量流量，kg／s；h2为换热器出口焓值，J／kg；h1为换热器入口焓值，J／kg。

系统某时间段内的平均COP可用下面的计算公式表示

式中：cp为水的定压比热容，J／（kg·K）；m 为水箱中的储水量，kg；t2为该时间段水箱的最终温度，K；t1为该时间段水箱的初始温度，K；Wz为该时间段压缩机所耗电量，J。

2 实验结果及分析

如图5所示，为系统运行过程中各状态点温度随时间的变化曲线图。从图中可以看出，当环境温度为13℃时，系统运行初始阶段由于所用的膨胀机构为毛细管，调节能力有限，初始的蒸发器入口温度迅速降低至－20℃左右，同时，由于定频压缩机不能根据工况调节转速，制冷剂流量较低，致使排气温度逐渐升高。

图5 系统各状态点温度随时间的变化曲线

随着热水温度的升高，冷凝压力与蒸发压力逐渐升高，如图6所示，此时，制冷剂流量逐渐增大，致蒸发器出口过热度越来越低，但是蒸发器满足换热量需求。冷凝侧，由于冷凝器的换热面积不变，制冷剂流量的增大所带来换热量的增加还会导致冷凝侧的换热温差增加，从图5中表示为冷凝器出口温度温升的斜率大于水箱的升温过程的斜率。压缩机排气温度的降低也与制冷剂流量的增加有着直接的关系。

图6 系统各状态点压力随时间的变化曲线

从图7可以看出，在系统运行初始阶段由于压缩机启动，制冷剂流量不稳定，制冷剂会在各部件间迁移，各个测点制冷剂的温度、压力以及各部件进出口焓值波动较大，运行状态不稳定，瞬时COP计算不准确。但是，瞬时COP反映了系统的运行特性，对调整系统运行状态具有重要意义。

图7 系统COP随时间的变化曲线

实验中用氙灯模拟太阳对蒸发器进行光照。在系统运行过程中将氙灯的中心保持在蒸发器的中心且垂直照射蒸发器，目的是保证蒸发器光照接收的均匀性。调整氙灯与蒸发器的垂直距离，并通过照度计测定使光照辐射强度稳定在300 W／（m2·K）左右，接近于冬季工况下的太阳光照强度。图8为有光照与无光照工况的水箱升温曲线对比，由图可看出，在有光照时，相同时间内水箱的温升明显大于无光照工况。增加光照可以显著提高微尺度平行流蒸发器热泵系统的性能，系统COP提高了约16%。

3 结语

图8 太阳辐射对水箱升温的影响

设计并搭建了以微尺度平行流换热器作为太阳能集热器／蒸发器的热泵热水器实验系统，探究在不同设计工况下，微尺度平行流蒸发器热泵热水器系统的运行特性。开发了以LabVIEW虚拟软件为基础的数据采集和运行特性分析软件，该软件实现了对微尺度平行流蒸发器热泵热水器系统的数据采集以及对系统性能的实时分析，能够直观地了解某一时间点系统的运行性能，对热泵系统运行特性的研究以及影响因素的判断有着重要作用。通过该实验平台，可以开发并设计出一系列综合的实验工况，包括但不限于不同的环境温度、湿度、风速、光照强度以及光照角度等，对微尺度平行流蒸发器在不同工况热泵系统中的运行特性做进一步研究。

该实验平台还可以根据实验设计以及实际需求对各部件进行模块化拓展或变更。例如更换不同的冷凝器末端或应用于不同热负荷需求；或者将电磁膨胀阀代替该系统中的毛细管作为膨胀机构，还可以引入变频压缩机，测定微尺度平行流蒸发器在不同部件类型之间的匹配性。

该实验平台将研究项目与实验实践教学相结合，鼓励学生结合所学热泵专业知识对实验平台进行改造，激发学生的创新意识、动手能力、数据分析以及独立思考的能力，具有较强的实用价值。