曹 琳，倪 龍，李炳熙，呂永鵬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，1500001 哈爾濱，caolin1212@126.com;2.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，210094 南京;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，150090 哈爾濱)

蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)

曹 琳1，2，倪 龍3，李炳熙1，呂永鵬3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，1500001 哈爾濱，caolin1212@126.com;2.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，210094 南京;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，150090 哈爾濱)

為了探索蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組的原理及應(yīng)用的可行性，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)機(jī)組在各種模式下的運(yùn)行性能進(jìn)行研究.結(jié)果表明:機(jī)組在蓄熱、蓄熱蓄冷、單供熱水以及供熱水同時(shí)供冷水模式下均能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，尤其是在蓄熱蓄冷和供熱水同時(shí)供冷水模式下機(jī)組運(yùn)行平均能效比更高;在蓄能運(yùn)行時(shí)，蓄冷罐和蓄熱罐內(nèi)水溫分布比較均勻，有利于提高機(jī)組的蓄能能力.增加蓄冷罐的體積以及降低壓縮器啟動(dòng)控制點(diǎn)的位置，有助于改善機(jī)組的節(jié)能效果和提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性.

蓄能;空氣源熱泵熱水機(jī)組;能效比;實(shí)驗(yàn)

將熱泵技術(shù)應(yīng)用到熱水供應(yīng)方面的研究較早，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已經(jīng)做了大量的工作.但從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀來(lái)看，研究的內(nèi)容主要集中在機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性［1-3］，不同換熱器形式［4-5］，蓄熱裝置的設(shè)計(jì)和蓄熱特性［6］以及高溫制冷工質(zhì)特性［7］等方面.此外，常規(guī)的空氣源熱泵機(jī)組相關(guān)產(chǎn)品大致有2種形式:一種是單純以供應(yīng)熱水為目的的空氣源熱泵熱水機(jī)組［8］;另一種是以空調(diào)運(yùn)行為主的帶熱水供應(yīng)的空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組［9-10］.前一種形式在夏季供應(yīng)熱水時(shí)，蒸發(fā)器不斷向環(huán)境釋放冷量，造成冷量大量浪費(fèi);冬季供應(yīng)熱水時(shí)，又存在供熱量不足和室外換熱器結(jié)霜問(wèn)題.而后一種形式是以空調(diào)運(yùn)行為主，在夏季運(yùn)行時(shí)利用空調(diào)冷凝熱來(lái)供應(yīng)熱水，但是，在空調(diào)停止運(yùn)行或在冬季、過(guò)渡季節(jié)不使用空調(diào)時(shí)，熱水的供應(yīng)只能靠輔助電加熱作為主要熱源.

為此，本文提出一種新的蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組形式［11］，以熱水制備為主，夏季回收冷量用于空調(diào)，并通過(guò)夜間蓄能，實(shí)現(xiàn)電力的削峰填谷，特別適合熱水供應(yīng)量大且需要供冷的場(chǎng)合.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，探究蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組在各種模式下運(yùn)行性能.

1 蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組的提出及樣機(jī)試制

1.1 蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)原理

本文提出的蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組，能夠通過(guò)蓄能達(dá)到移峰填谷，并提供系統(tǒng)除霜的外部熱源，改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件，保證了系統(tǒng)全年高效節(jié)能運(yùn)行，而且還能在夏季和過(guò)渡季提供免費(fèi)供冷，很好解決了目前空氣源熱泵熱水供應(yīng)形式的運(yùn)行弊端.

如圖1所示，蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組全年可在夜間蓄熱模式、單供熱水模式、蓄熱蓄冷模式、供熱水同時(shí)供冷水模式等多種運(yùn)行模式下運(yùn)行.夜間蓄熱模式運(yùn)行流程:1→2→3→5→6→7→8→2→9→1，熱水通過(guò)熱水循環(huán)泵14經(jīng)板式冷凝器循環(huán)加熱;單供熱水模式是在蓄熱模式運(yùn)行后，開(kāi)啟閥門10和11，冷水從蓄熱罐底部進(jìn)入，熱水從蓄熱罐上部流出.當(dāng)熱水溫度下降至不能滿足于繼續(xù)供應(yīng)的溫度時(shí)，機(jī)組切換到蓄熱模式，直到熱水溫度達(dá)到供應(yīng)要求;蓄熱蓄冷模式運(yùn)行流程:1→2→3→5→17→16→15→2→9→1，熱水通過(guò)熱水循環(huán)泵14經(jīng)板式冷凝器循環(huán)加熱，冷水通過(guò)冷水循環(huán)泵18經(jīng)板式蒸發(fā)器循環(huán)降溫;供熱水同時(shí)供冷水模式是在蓄熱蓄冷模式運(yùn)行后，通過(guò)蓄熱罐供應(yīng)熱水，通過(guò)蓄冷罐供應(yīng)制冷需要的冷凍水.當(dāng)熱水溫度下降至不能滿足繼續(xù)供應(yīng)的溫度時(shí)，機(jī)組切換到蓄熱蓄冷模式，直到熱水溫度達(dá)到供應(yīng)要求，再繼續(xù)供應(yīng)冷熱水.

圖1 蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)原理以及實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布

1.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的試制

如圖2所示，試制的蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組樣機(jī)，額定制熱量為15 kW.其中，渦旋壓縮機(jī)額定輸入功率 4.43 kW，排氣量 14.3 m3/h.板式冷凝器傳熱面積1.6 m2，板式蒸發(fā)器傳熱面積1.2 m2，翅片蒸發(fā)器外表面?zhèn)鳠崦娣e 25.9 m2，傳熱管每排24根，3排.蓄熱罐和蓄冷罐容積均為467.4 L，直徑600 mm，高度 1.6 m.

蓄能式熱泵熱水機(jī)組樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在某空調(diào)公司柜機(jī)測(cè)試中心進(jìn)行的，該公司柜機(jī)檢測(cè)中心被國(guó)家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心認(rèn)定為委托裝置，可實(shí)現(xiàn)流量、溫度、壓力、濕度等參數(shù)的測(cè)量和復(fù)雜的PLC邏輯控制.各項(xiàng)試驗(yàn)條件均能夠滿足蓄能式熱泵熱水機(jī)組樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求.具體的測(cè)點(diǎn)分布可參照?qǐng)D1，其中，T為溫度，采用熱電偶測(cè)試;p為壓力，采用壓力變送器測(cè)試;L為流量，采用流量計(jì)測(cè)試.

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組在4種模式運(yùn)行，由于熱水溫度是不斷變化的，在1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)系統(tǒng)的各個(gè)性能參數(shù)也是時(shí)刻變化的，機(jī)組的能效比REE(Energy efficiency ratio)是1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的平均值.蓄熱模式的運(yùn)行周期是蓄熱罐內(nèi)的熱水平均溫度加熱至50℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間;蓄熱蓄冷模式的運(yùn)行周期是蓄冷罐內(nèi)的冷水從初始溫度降至4℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間;供熱水模式以及供熱水同時(shí)供冷水模式的運(yùn)行周期是出水溫度為50℃的熱水以一定的流量向用戶供水，當(dāng)溫度降至40℃，停止供熱水，并開(kāi)啟機(jī)組進(jìn)行加熱直到板式換熱器出水溫度達(dá)到55℃時(shí)，總共消耗的時(shí)間.

2.1 蓄熱模式運(yùn)行特性分析

圖3(a)、3(b)分別給出了在室外干球溫度20℃，濕球溫度 15℃，且熱水循環(huán)流量為2.25 m3/h的條件下，機(jī)組蓄熱模式運(yùn)行，蓄熱罐內(nèi)沿高度方向上各層水溫、機(jī)組制熱功率、機(jī)組總耗功率以及機(jī)組REE隨時(shí)間的變化情況.

由圖3(a)蓄熱罐內(nèi)水溫分布可知，在蓄熱過(guò)程中的任一時(shí)刻，位于循環(huán)熱水進(jìn)水口(高度1 005 mm)處的水層溫度較高，并向兩側(cè)逐漸遞減;位于蓄熱罐循環(huán)熱水出水口(高度125 mm)以下部分形成“死區(qū)”，“死區(qū)”內(nèi)水溫偏低，與上層的水溫形成一定的溫度梯度.除去“死區(qū)”部分，在整個(gè)蓄熱過(guò)程中，蓄熱罐內(nèi)各層水溫度相差不大，溫度層間最大溫差不超過(guò)2℃，水溫分布較為均勻，即使位于蓄熱罐內(nèi)熱水進(jìn)水口以上的部分也沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的水溫分層現(xiàn)象.這種比較均勻的水溫分布，有利于提高機(jī)組的蓄熱能力.這是由于在一定的蓄熱罐體積和最高循環(huán)熱水進(jìn)水溫度的條件下，蓄熱罐內(nèi)的熱水溫度分布越均勻，蓄熱罐的蓄熱量越大.此外，由于“死區(qū)”溫度較低，不利于充分利用蓄熱罐的蓄熱體積，因此，在蓄熱罐設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免.

從圖3(b)中顯示的結(jié)果可看出，機(jī)組制熱功率隨蓄熱時(shí)間的增加而逐漸下降，在整個(gè)蓄熱過(guò)程中，機(jī)組制熱功率下降了11.11%.相對(duì)于機(jī)組制熱功率的變化，機(jī)組總耗功率的增加卻相對(duì)較大，在整個(gè)蓄熱過(guò)程中，機(jī)組總耗功率上升近46.1%.制熱功率的下降和機(jī)組耗功的增加，致使機(jī)組REE隨著蓄熱罐內(nèi)水溫的上升而迅速下降，由蓄熱剛開(kāi)始時(shí)的5.45下降到終了時(shí)的2.68.這是由于在蓄熱初始階段，罐內(nèi)水溫偏低，機(jī)組運(yùn)行在比較好的工況環(huán)境下，冷凝壓力和排氣溫度都相對(duì)較低，機(jī)組的制熱能力相對(duì)較高，消耗功率相對(duì)較低，REE也就相對(duì)高;在蓄熱的后期，蓄熱罐內(nèi)水溫較高，造成冷凝壓力偏高，致使壓縮機(jī)的功耗迅速增加，REE迅速下降.盡管如此，在整個(gè)蓄熱過(guò)程中，機(jī)組的平均REE可達(dá)3.78.

圖3 蓄熱模式下蓄熱罐內(nèi)水溫及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2.2 蓄熱蓄冷模式運(yùn)行特性分析

圖4給出了室外干球溫度25℃，濕球溫度20℃，且冷凍水和熱水循環(huán)流量分別1.96 m3/h和2.25 m3/h的條件下，蓄冷蓄熱模式下蓄冷罐內(nèi)水溫分布，機(jī)組的制冷功率、制熱功率、總耗功以及REE隨時(shí)間的變化情況.

從圖4(a)中可以看出，由于機(jī)組制取的冷水從蓄冷罐底部進(jìn)入，致使蓄冷罐下層的水溫下降較為迅速，上層水溫延時(shí)下降，并逐漸在蓄冷罐內(nèi)形成斜溫層.但是，由于冷凍水循環(huán)流量對(duì)于蓄冷罐內(nèi)溫度層的擾動(dòng)較大，以及板式蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差的限制，致使斜溫層相對(duì)較短，溫差也并不大，最高層與最低層溫差僅有2.5℃左右.與蓄熱罐類似，蓄冷罐內(nèi)較均勻的水溫分布，有利于提高機(jī)組的蓄冷能力.

由圖4(b)可知，機(jī)組在蓄熱蓄冷模式下運(yùn)行的時(shí)段為0～31.5 min，機(jī)組運(yùn)行到 31.5 min時(shí)，由于板式蒸發(fā)器出水溫度超過(guò)預(yù)設(shè)定值2℃，蓄冷結(jié)束，但由于蓄熱溫度未超過(guò)設(shè)定值，此時(shí)關(guān)閉板式蒸發(fā)器，開(kāi)啟風(fēng)冷翅片管蒸發(fā)器，機(jī)組處于蓄熱模式運(yùn)行.在蓄熱蓄冷階段，隨著蓄熱罐內(nèi)水溫不斷升高、蓄冷罐內(nèi)水溫不斷降低，機(jī)組制熱功率下降、耗功率上升，REE由 10.57 下降到 6.12.當(dāng)切換至蓄熱模式時(shí)，由于室外溫度相對(duì)較高，翅片管蒸發(fā)器開(kāi)啟后，機(jī)組制熱功率在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，并出現(xiàn)明顯拐點(diǎn).同時(shí)，由于此時(shí)的制冷功率沒(méi)有被回收，故這時(shí)的REE相對(duì)低些.根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在蓄熱蓄冷模式下，機(jī)組平均 REE可達(dá)7.24;整個(gè)運(yùn)行期間，機(jī)組平均 REE為 5.02，蓄熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 72.5 min，而蓄冷時(shí)間僅有 31.5 min.因此，要想充分回收蒸發(fā)冷量，進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，至少應(yīng)將蓄冷罐體積再擴(kuò)大1倍以上.

圖4 蓄熱蓄冷模式下蓄冷罐內(nèi)水溫及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2.3 單供熱水模式運(yùn)行特性

圖5(a)、5(b)分別給出了室外干球溫度20℃，濕球溫度 15℃，熱水出水流量為0.2 m3/h，機(jī)組在供熱水模式運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)控制點(diǎn)溫度、蓄熱罐內(nèi)熱水平均溫度、熱水供水溫度、機(jī)組制熱功率、供熱功率、耗功率和機(jī)組REE隨時(shí)間的變化規(guī)律.

圖5(a)中所示的壓縮機(jī)啟動(dòng)溫度控制點(diǎn)是為了保證機(jī)組具有45℃以上出水溫度而設(shè)置的，在本實(shí)驗(yàn)中，該控制點(diǎn)設(shè)在離蓄熱罐底部距離為700 mm的位置，當(dāng)該點(diǎn)溫度低于40℃時(shí)，啟動(dòng)機(jī)組加熱熱水.從圖中可以看出，在前45 min運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，壓縮機(jī)啟動(dòng)溫度控制點(diǎn)溫度始終維持在51.9℃，但在45 min至52 min時(shí)間段內(nèi)，該點(diǎn)溫度由51.9℃驟減到39.6℃.此時(shí)，需要啟動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)蓄熱罐內(nèi)的熱水進(jìn)行加熱.在壓縮機(jī)啟動(dòng)后，蓄熱罐內(nèi)熱水溫度層受流入冷水的影響而被破壞，熱水溫度逐漸趨向均勻，最終使機(jī)組供水溫度低于45℃，無(wú)法滿足用戶要求，熱水供應(yīng)中斷.在熱水供應(yīng)停止以后，罐內(nèi)熱水溫度迅速被加熱，在停水15 min后，供水溫度重新升至45℃，則繼續(xù)向用戶供應(yīng)熱水，此后，蓄熱罐內(nèi)熱水平均溫度和供水溫度不斷上升，直至熱水進(jìn)水溫度達(dá)到55℃時(shí)，完成1個(gè)熱水供應(yīng)周期.由于熱水供應(yīng)流量對(duì)持續(xù)供熱水影響較大，為避免供水中斷，可適當(dāng)降低壓縮器啟動(dòng)控制點(diǎn)的位置.

由圖5(b)可知，從供水開(kāi)始到供水中斷前1 min，由于供水溫度基本維持在50℃，故機(jī)組供熱功率較穩(wěn)定.壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于板式換熱器進(jìn)水溫度較低，則機(jī)組制熱功率和REE較高.但是，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄熱罐內(nèi)的熱水逐漸趨向均勻，板式換熱器進(jìn)水溫度升高，機(jī)組的REE自然也隨之下降.在供熱水中斷后，由于無(wú)冷水進(jìn)入蓄熱罐，板式換熱器進(jìn)水溫度上升，機(jī)組的制熱功率和REE都隨之下降.恢復(fù)供熱水后，由于板式換熱器的進(jìn)水溫度下降，機(jī)組的制熱功率和REE有所上升，此后又開(kāi)始下降.這是由于供熱水流量相對(duì)循環(huán)熱水流量較小，冷水補(bǔ)水量對(duì)于機(jī)組制熱功率和REE的提升有限.在1個(gè)供水周期內(nèi)，機(jī)組的平均REE為 3.25.

圖5 單供熱水模式下壓縮機(jī)啟動(dòng)控制溫度、供水溫度、蓄熱罐平均水溫及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2.4 供熱水同時(shí)供冷水模式運(yùn)行特性

圖6(a)和圖6(b)分別給出了室外工況為干球溫度25℃、濕球溫度20℃條件下，熱水出水流量為 0.2 m3/h，冷水出水流量為 1.03 m3/h，機(jī)組在供熱水同時(shí)供冷水模式下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律.

圖6 供熱水同時(shí)供冷水模式下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

從圖6(a)、6(b)顯示的結(jié)果可知，在冷熱水同時(shí)供應(yīng)時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)前，蓄熱罐內(nèi)平均水溫逐漸下降，蓄冷罐內(nèi)平均溫度逐漸上升.此時(shí)，冷水供水溫度逐漸由最初的4.5℃上升到14.4℃，此時(shí)，供冷量由6.45 kW逐漸降低到3.82 kW.當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到53 min時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)控制點(diǎn)溫度低于40℃，壓縮機(jī)啟動(dòng)，開(kāi)啟板式蒸發(fā)器進(jìn)行蓄冷，機(jī)組供冷量也隨之上升.在壓縮機(jī)啟動(dòng)后8 min至20 min之間，由于供熱水溫度低于45℃，熱水供應(yīng)中斷.此時(shí)，蓄熱罐內(nèi)水溫逐漸上升，致使蓄冷罐供冷功率隨之下降.當(dāng)熱水供應(yīng)恢復(fù)后，板式冷凝器進(jìn)水溫度降低，蓄冷罐供冷功率隨之上升.當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至121 min，板式冷凝器出水溫度達(dá)到55℃，完成1個(gè)供水運(yùn)行周期.相對(duì)單供熱水模式，機(jī)組能效比有大幅度升高，尤其壓縮機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，REE可以達(dá)到7，在1個(gè)供水周期內(nèi)，機(jī)組平均REE為 4.52.

3 結(jié)論

1)在蓄熱模式和蓄熱蓄冷模式下，蓄能型空氣源熱泵熱水機(jī)組均具有較高的運(yùn)行能效比，尤其是在蓄熱蓄冷模式下，其平均能效比REE可達(dá)7.24.為了進(jìn)一步節(jié)能，可適當(dāng)增大蓄冷罐的體積.

2)在蓄熱運(yùn)行時(shí)，除“死區(qū)”外，蓄熱罐內(nèi)各層水溫度相對(duì)比較均勻，這對(duì)于蓄熱是十分有利;蓄冷運(yùn)行時(shí)，蓄冷罐內(nèi)斜溫層出現(xiàn)在蓄冷罐上部，但斜溫層厚度并不大，其余各層水溫也相對(duì)均勻.

3)在單供熱水模式和供熱水同時(shí)供冷水模式下，機(jī)組運(yùn)行平均 REE分別為 3.25和 4.52，熱水供應(yīng)流量對(duì)持續(xù)供熱水影響較大，為了避免供水中斷，可適當(dāng)降低壓縮器啟動(dòng)控制點(diǎn)的位置，或者減少蓄熱罐熱水?dāng)_動(dòng).

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Performance experiment of air-source heat pump-based hot water unit with energy-storage

CAO Lin1，2，NI Long3，LI Bing-xi1，Lü Yong-peng3

(1.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China，caolin1212@126.com;2.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science＆ Technology，210094 Nanjing，China;3.Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To research the principle of air-source heat pump water unit with energy storage and the application feasibility in this field，the prototype of the hot water unit is developed.Performance of the unit in every mode is studied by experiments.Test results show that the unit can efficiently work in multiple modes，such as heat storage mode，heat and cooling storage mode，hot water supply mode，hot water and chilled water supply mode.Especially，the unit works with higher average energy efficiency ratio in heat and cooling storage mode as well as hot water and chilled water supply mode.In energy storage process，water temperature distribution in hot/chilled water tanks is comparatively uniform，which is favorable for improving the capacity of thermal storage.At the mean time，increasing accumulator volume and debasing location of compressor startup can improve the energy-saving potential and enhance reliability of the unit.

energy storage;air-source heat pump-based water unit;energy efficiency ratio;experiment

TU831.6

A

0367-6234(2011)10-0071-05

2010-06-05.

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(2008B080501013).

曹 琳(1979—)，女，博士后;

李炳熙(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 魏希柱)