基于相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统研究

2022-08-01李帅帅李刚张俊永张春奕崔婧华李欣原

制冷技术 2022年2期

李帅帅，李刚，张俊永，张春奕，崔婧华，李欣原

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

0 引言

为积极响应国家《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（国发〔2018〕22号）[1]，稳步推进南北方清洁供暖计划，需要对传统的供暖和制冷方式不断改进和创新，寻求更加节能环保的空调系统形式。

近年来，国内外学者对热泵技术研究如火如荼，力求寻找运行效果最好、最适合当地的高效热泵系统。范存养等[2]在上海地区进行研究，分析了空气源热泵的应用，介绍了在该地区应用时面临的除霜问题以及辅助热源的应用和保养方式。张建忠等[3]以南京地区为条件，研究了空气源热泵机组在当地的运行特性，对多个工程进行了分析，得出空气源热泵机组在南京地区使用的可能性。为了提高空气源热泵的运行效率，众多学者开始对太阳能与热泵系统耦合系统进行研究。郭琪等[4]对北方独立民居太阳能-空气源热泵耦合供热系统进行瞬态模拟与优化研究，结果表明，太阳能与空气源热泵耦合供热系统比燃气锅炉供热节省38.1%的费用，且比电锅炉供热节省12.6%的费用。辐射毛细管网末端是一种新型采暖方式，由于其辐射加热面积大、供水温度低、无噪音等特点，近年来受到广泛讨论。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736—2012》[5]规定要求，毛细管型顶棚辐射供暖系统供水温度取25~35 ℃。为保证太阳能的持续稳定性取热，引入相变材料进行蓄能，最大限度地提高太阳能在采暖系统中的利用效率。冯国会等[6]通过建立相变蓄能-太阳能-毛细管网的实验平台，以实验结合模拟的研究方式，进行了毛细管网作为地板散热末端的研究以及相关的基础工作，得到了一些新型供暖模式的理论和实践经验。

空气源热泵是通过利用较少的电能，将吸收的室外空气低品位热源向高位热源转移的节能装置。但在严寒地区冬季室外温度较低，运行期间室外侧换热器结霜严重已成为制约空气源热泵高效运行的关键问题。当前，众多学者从多个角度研究如何对空气源热泵进行快速高效的除霜。王晓洪等[7]对空气源热泵系统进行全年实验研究，结果表明制冷工况下，室外温度越高其制冷量越大；在制热工况下，室外温度越低其制热量越大。张晓林等[8]通过TRNSYS对空气源热泵系统的变水流量与定水流量进行了仿真模型对比分析：变水流量系统室温波动较小，相比能够节能10.3%。胡斌等[9]为满足空气源热泵系统不同使用环境条件下的除霜需求，通过对多种除霜方法的分析，从控制方面得出了更智能的选择和控制优化方案。ZHENG等[10]对相变材料空气源热泵复合制冷剂直接冷凝地板辐射供暖系统除霜性能进行研究，在除霜条件下，采用复合相变材料模块的终端的地板表面温度、室内空气温度和供热能力均高于未采用复合相变材料模块的终端。CHEN等[11]对太阳能热泵集成相变储能除霜制热性能与传统除霜方式进行了研究分析，表明相变储能系统具有更好的性能。除霜时间是传统反向循环除霜法系统的75%，热气体旁路除霜系统的53%。采暖性能实验研究结果表明白天性能系数可达3.6，室内温度可一整天稳定维持在18 ℃。由此可见，蓄能除霜方式在除霜效率、热舒适性和经济性等方面均存在显著优势。

针对夏季工况热泵系统无法保证新风供应、存在室内结露问题。陈思豪等[12]对多种转轮除湿复合式空调系统进行了系统能耗计算对比分析，研究表明在典型实例条件下，室内排风回收与预冷处理分别能降低系统再生温度22 ℃和12 ℃，两者结合则能将系统再生温度降至 66 ℃。任奎[13]通过MATLAB编程求解除湿转轮的数学模型，得出了不同因素对转轮性能的影响，并通过实验对模拟结果进行了验证，夏季和冬季供热工况相较于传统空调系统能效比分别提高13.6%和20%。

本文设计一种新型的基于相变蓄能辐射式高效空气源热泵空调系统，不仅能够有效降低空调能耗、提升系统能效比，而且利用相变蓄能技术为空气源热泵逆循环除霜提供热量，有效保证人体舒适性，同时改善传统热泵停机除霜的一系列弊端。系统采用相变储能型太阳能空气集热器作为热泵系统的辅助热源，提高对能源的利用率及电网负荷“移峰填谷”的经济效益，有效改善了冬季空气源热泵结霜及提高热泵机组的能效比问题。

1 相变蓄能辐射式高效热泵系统研究

1.1 系统构成及优势

本文中热泵空调系统主要由压缩机、室内侧金属毛细管网换热器、膨胀阀和室外侧换热器组成。选用新型的环保制冷剂R410A作为该系统的制冷剂，以十二酸-十四醇-十六醇混合物和膨胀石墨为基础的复合相变材料[14]，该系统包括基于太阳能的金属毛细管网辐射式空气源热泵系统和相变蓄能型太阳能空气集热器转轮除湿新风系统。本文设计的相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统属于温湿度独立控制空调系统（Temperature and Humidity Independent Control，THIC）[15]。在该系统中，通过室内毛细管网内工质参数变化进行对室内温度精准的调节，相对湿度通过转轮除湿系统进行控制调节。系统实现了对室内温度和相对湿度分开处理，避免传统空调形式中因温湿度耦合处理带来的损失。新型辐射式高效空气源热泵系统相较于传统空调系统具有温湿度独立调控，满足个性化需求；利用低品位热源能效比高，绿色环保；舒适度高、安全卫生；安装灵活、布置美观和使用年限长等优点。

1.2 系统原理

本文设计的新型高效空气源热泵空调系统是对传统的空气源热泵系统的优化改进，通过改变室外换热器运行工况及室内侧换热器散热形式来提高系统的整体运行效率。其基本的工作原理是利用高品位电能使热量从低位热源空气流向高位热源，压缩机提高制冷剂的温度和压力，将低温低压的干饱和制冷剂蒸气压缩为高温高压的过热蒸气；在冷凝器中进行冷却冷凝转化为常温高压的饱和液体，同时放出大量热量；在节流装置中，经过绝热节流，制冷剂转化为低温低压的湿蒸气；最后，在蒸发器中将低温低压的湿蒸气汽化为干饱和蒸气，吸收大量热量。本系统运行主要分为冬夏两种工况，具体热泵系统的工作原理如图1所示。后续图中1为压缩机，2为四通换向阀，3为一号换热器，4为一号节流阀，5为金属毛细管网，6为二号节流阀，7为二号换热器，8为相变储能型太阳能空气集热器，9为电动机，10为过滤器，11为除湿转轮，12为一号三通调节阀，13为二号三通调节阀，14为电动二通阀，15为风机，16为房间送风口。

1.3 冬季工况

当冬季供暖时，系统将相变储能型太阳能集热器与空气源热泵系统联合工作，通过铺设在房间顶棚或壁面上的金属毛细管网和相变储能材料进行向室内散热，末端主要通过辐射和对流的形式向室内房间供暖。冬季运行时，电动二通阀14处于关闭状态，制冷剂由压缩机1流出，经过四通换向阀2流入室内顶棚毛细管网5进行散热，满足室内供暖需求；冷凝后的制冷剂由节流阀4节流降压后流向换热器3，吸热汽化后最终回到压缩机1，如此往复循环。

晴朗白天，室外较低的空气被太阳能空气集热器预热，由风机送入换热器3中，与热泵机组蒸发端进行换热后直接排出。同时，将室外多余的太阳能热量通过相变储能型集热器存储起来，当室外环境条件差时，用于预热空气源热泵蒸发段空气温度，降低机组结霜功耗。白天热泵机组高效运行，通过室内顶棚金属毛细管网采暖的同时，相变材料将部分多余的热量进行储存，用来改善夜间空气源热泵机组运行低时的房间采暖需求；在本系统中，利用空气集热器收集太阳能作为冬季热泵的辅助热源，有效改善了白天热泵运行蒸发温度，大大提高冬季空气源热泵的能效比。

众所周知，当冬季室外条件恶劣时，空气源热泵结霜问题严重影响了热泵机组的冬季运行，降低了热泵系统的稳定性。研究表明，蒸发段空气阻力及压缩机功耗随着结霜量的增大而增大[16]。为了保证空气源热泵机组在高效状态下运行，需要周期性的除霜[17]。系统中采用逆循环除霜与相变蓄能除霜的具体流程如图2所示。

图2 金属毛细管网辐射式高效空气源热泵系统除霜原理

由图2可知，转换四通换向阀2，使热泵系统处于夏季运行工况。室内金属毛细管网5吸收白天顶棚相变材料储存的能量，通过逆循环将热量输送到室外侧换热器，从而产生大量热进行除霜。经试验证明：采用蓄热材料制冷剂的散热器，在除霜期间室内空气温度保持一致，散热器表面与室内空气的温差大于6.1 ℃，证实了制冷剂加热式散热器在除霜过程中能够保持室内空气温度的稳定，保证室内热舒适性[14]。采用逆循环除霜与蓄能除霜相结合的方法，在保证室内温度基本稳定的情况下，可实现对室外侧换热器最大效率的除霜。

1.4 夏季工况

图3所示为基于相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统夏季工况原理。系统中通过调节四通换向阀，实现冬季供暖向夏季制冷的转换，其具体运行流程为1→2→3→4→5→13→2→1。与冬季工况不同之处在于，为了防止室内散热末端结露的情况发生，在毛细管网辐射供冷的空调技术上，复合了转轮除湿系统，用于承担室内湿负荷，从而实现室内温湿度独立控制，满足用户的个性化需求。转轮除湿处理空气流程为10→11→7→15→16。其中，转轮除湿再生区热量来源主要由室外太阳能相变储能型集热器存储的热量与空气源热泵冷凝热共同提供。由文献[13]可知，随着再生空气进口温度的的升高，除湿量有明显提高。因此，合理的提高转轮除湿再生空气温度能够有效增加除湿量。图3中系统转轮除湿过程的空气除湿段中，室外热湿空气经过滤器10在除湿转轮除湿区升温减湿（近似等焓）后与二号换热器7蒸发段接触冷却降温到室内送风状态点16，吸收房间内的余热余湿后排出室外。空气再生段：经过太阳能空气集热器8加热后的空气被一号换热器3再次加热到满足除湿转轮再生温度状态点，使转轮再生区干燥脱水（近似等焓增湿）后，排出室外。

图3 基于相变蓄能的辐射15式高效空气源热泵系统夏季工况原理

图4所示为常规转轮除湿空调系统原理，其原理是利用空气加热器消耗高品位电能为转轮除湿再生提供热量。

图4 常规转轮除湿空调系统原理

图3中，系统将夏季白天的太阳能热量利用相变蓄热型空气集热器有效储存起来，耦合热泵系统冷凝热共同作为转轮再生热源，可有效提高转轮再生进口空气温度，增大除湿量。相较于常规的转轮除湿空调系统，新型的高效空气源热泵系统（图3）降低转轮除湿的再生能耗、提高了除湿㶲效率。

馆藏202件作品中，油画55件（56幅），水彩57件，书法50件，其它国画、手稿、漫画等40件（43幅）。各类作品介绍及问题说明如下：

2 系统的性能分析

2.1 热泵系统的理论分析

逆卡诺循环是一种理想的制冷循环，由两个绝热过程和两个等温过程组成[18]。虽然它不可能实现，但我们可以通过分析逆卡诺循环研究传热温差对热泵系统的性能的影响。其循环T-S图如图5所示。

图5 不同室外温度下的热泵循环

为了使吸热和放热能以一定传热速率进行，制冷设备的冷凝器和蒸发器都设计有一定传热温差。理论上逆卡诺循环热泵性能系数（Coefficient of Performance，COP）定义为[18-19]：

式中，tc为冷凝温度，℃；te为蒸发温度，℃；th为供应的热媒温度，℃；ta为室外空气温度，℃；Δtc为冷凝器与热源传热温差，℃；Δte为蒸发器与室外空气传热温差，℃。

当Δtc=Δte=5 ℃时，根据式(1)可预测的不同室外温度下的理论性能系数。由图6可知，当ta=5 ℃，th=40 ℃时，理想逆卡诺循环COP约为7.97。当室外空气温度一定时，热泵机组COP随着供应热媒温度的降低而逐渐增大；当供应的热媒温度一定时，热泵机组的COP随着室外空气温度的降低而降低。故本文主要从以下几种措施（如图7），实现对高效空气源热泵能效提升的研究。

图6 不同室外温度下热泵的理论性能系数

图7 提高空气源热泵系统能效原理

2.2 转轮除湿的能耗分析

转轮除湿空调系统的能耗由加热再生空气的再热能耗、处理空气降温的冷却设备能耗（制冷能耗）、风机等控制设备的能耗组成[19]。故转轮除湿空调系统的总能耗E的表达式为：

式中，Eh为再热能耗，kW；Ec为冷却设备能耗，kW；Ep/f为泵与风机等所消耗的电能，kW。

式中，Qr为再生空气加热量，kW；mr为再生空气质量流量，kg/s；cr为再生空气的比热容量，kJ/(kg·K)；tout为空气加热器出口温度，℃；tin为空气加热器进口温度，℃；ξ为热能与电能之间的转化系数[20]。

冷却设备能耗[15]：

式中，Qc为冷却设备制冷量，kW；mp为处理空气的质量流量，kg/s；hin为冷却器进口制冷剂焓值，kJ/kg；hout为冷却器出口制冷剂焓值，kJ/kg；COPc为冷却设备性能系数。

为对比分析基于太阳能集热器转轮除湿热泵系统与常规转轮除湿空调系统的能耗，本文以沈阳市夏季工况为例：室外计算干球温度为31.5 ℃，通风室外计算相对湿度为65%；室内空调设计干球温度为26 ℃，室内设计计算相对湿度为55%。取沈阳地区7月15日为夏季工况代表日，空气集热器面积为2 m2，计算模拟得出空气集热器出口温度与室外空气温度的变化曲线如图8所示（时间在00:00—24:00）。由图8可知，0~7 h，两者温度均出现降低趋势；随后空气集热器出口温度呈现大幅提升趋势。约14 h时室外空气温度为25.0 ℃，空气集热器出口温度达到峰值温度为48.1 ℃；15~24 h，两者温度变化趋势相似、均呈现逐渐降低。在此过程中，空气集热器将收集的太阳能输送到换热器中，为转轮除湿的空气加热提供再生能量。

图8 夏季代表日室外环境温度与空气集热器出口温度对比

通过热力学湿空气焓湿图可查得转轮除湿处理后各空气状态点参数，如表1所示。已知表中各空气状态点参数带入上述转轮除湿能耗计算模型，可得空调系统的具体能耗占比问题。

表1 转轮除湿各空气状态参数汇总表

表2所示为常规转轮除湿系统与高效热泵转轮除湿系统能耗对比。常规转轮除湿空调系统再生温度相较于高效空气源热泵系统再生温度降低22 ℃。因为高效热泵空调系统采用室内含湿量较低的排风进行再处理，有效降低了转轮除湿的再生温度。由于常规的转轮除湿空调系统通过电辅助加热，提供再生热量。高效空气源热泵除湿系统相较于常规转轮除湿系统再生能耗降低47.2%，总能耗降低28.6%，泵与风机的电耗增加了1.9 kW，原因是风机为空气集热器循环提供动力时，消耗了部分电能。

表2 常规转轮除湿系统与高效热泵转轮除湿系统能耗对比

综上所述，系统中再热空气的再热能耗Eh主要由相变储能太阳能空气集热器及热泵机组的冷凝热提供，有效降低了对传统高位电能的利用。同时，系统通过调节电动二通阀14的开度为处理的空气降温直至送风状态点。由热泵系统的理论分析可知，供应热媒温度越低，机组COP越大，冷却设备能耗也就越低。故相较于常规的转轮除湿空调系统，基于本文设计的新型辐射式高效空气源热泵系统的总能耗显著降低。

3 系统的优点及应用前景

由于我国农村地区城镇居住分散、人口密度低且建筑分散，对实施城市集中型供暖方式带来不便。此外，不同地区居民的生活习惯、供暖方式差异明显，基于以上提出的农村供热需求存在的问题，新型高效空气源热泵系统研究模块主要优点有：1）有温湿度独立控制系统，可以根据人体的实际需求进行个性化调节；2）室内温度分布均匀，采用金属毛细管网的辐射式空气源泵系统，利用围护结构形成的巨大辐射换热面，有效降低制冷/供暖温差，房间垂直方向上温度分布均匀、温差梯度较小以及舒适性高；3）环保节能，采用可再生清洁能源（太阳能及冷凝热）作为转轮除湿的再生热源，不仅保证室内新风供应，避免夏季室内结露，而且提高了能源利用效率；4）运行经济效益高，可有效地利用低品位的太阳能热量作为空调系统热量来源，减少对化石能源的需求；利用相变材料蓄冷蓄热特性，分时段间歇运行，实现电网“移峰填谷”。

本系统设计基于相变蓄能的辐射式高效空气源热泵系统模块，不仅能够实现北方冬季供暖需求，而且满足南方地区夏季制冷除湿的要求。可广泛应用于农村城镇住宅、别墅、医院病房、商业建筑及温湿度要求较高的数据中心和厂房车间等。