屈 巖, 王 芳, 劉振東, 王宏杰, 張振亞

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

熱泵型蓄能空調(diào)蓄熱性能測試及經(jīng)濟(jì)性分析

屈 巖, 王 芳, 劉振東, 王宏杰, 張振亞

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

根據(jù)蓄能空調(diào)系統(tǒng)自身的特點(diǎn),建立了蓄能空調(diào)的蓄熱裝置(雙盤管蓄熱水槽)蓄熱過程的物理模型,并結(jié)合蓄能槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組性能測試及能耗分析.結(jié)果表明,采用將釋熱盤管安裝在蓄熱槽上部并適當(dāng)減小釋熱盤管直徑的方法,可以使雙盤管有效釋熱,并能改善傳統(tǒng)單盤管分層嚴(yán)重的現(xiàn)象.在測試冬季3種運(yùn)行工況性能系數(shù)均值的基礎(chǔ)上,通過建立投資回收期模型的數(shù)據(jù)分析,得出其具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

蓄能空調(diào);蓄熱裝置;雙盤管;性能測試;經(jīng)濟(jì)分析

蓄能空調(diào)作為電力“移峰填谷”的有效手段,將電網(wǎng)負(fù)荷低谷期(晚間休息時段)的電力用蓄能機(jī)組,利用蓄能介質(zhì)(如水、共晶鹽)的潛熱或顯熱效應(yīng)將能量“儲存”起來;在電網(wǎng)負(fù)荷的高峰期(白天工作時段),再將熱量或冷量釋放出來供給建筑物空調(diào)使用,從而承擔(dān)了高峰期空調(diào)所需的全部或部分負(fù)荷.目前國內(nèi)外對大型蓄能空調(diào)技術(shù)的研究開發(fā)較深入,設(shè)備齊全,但是,對于小型蓄能空調(diào)機(jī)組的理論研究、設(shè)備研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新有待提高,以適應(yīng)社會各個層面的節(jié)能需要.

曾文良等[1-3]對熱泵型蓄能空調(diào)器進(jìn)行了研究,用熱泵型蓄能空調(diào)器的制冷方法對熱泵型蓄能空調(diào)低溫制熱、除霜等性能進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究,并作了對比分析.齊琦等[4]研究相變蓄熱材料的穩(wěn)定性、腐蝕性、相分離、過冷以及封裝特性對蓄熱的影響.

蓄能槽作為小型熱泵型蓄能空調(diào)系統(tǒng)的重要設(shè)備,能夠很好地協(xié)調(diào)制冷、制熱、蓄冷、蓄熱、釋冷和釋熱多種工作模式在供應(yīng)時間上的矛盾.蓄能槽設(shè)計方案的合理與否將會影響整個系統(tǒng)性能的好壞,設(shè)計合理的蓄熱裝置可以充分利用時間、空間,達(dá)到較好的系統(tǒng)效果,并且可以提高系統(tǒng)的性能系數(shù)COP[5].

傳統(tǒng)單盤管采用多種水蓄熱方式,蓄熱時,制冷劑在金屬管內(nèi)直接冷凝并放出熱量;釋熱時,制冷劑吸收蓄能槽中的熱量,然后通過空調(diào)系統(tǒng)將熱量送到空調(diào)負(fù)荷端.但是,傳統(tǒng)單盤管結(jié)構(gòu)使得制冷劑沿螺旋管彎曲的方向呈一維流動狀態(tài),這易導(dǎo)致蓄能槽中的水發(fā)生分層現(xiàn)象,嚴(yán)重影響換熱效果,降低系統(tǒng)效率.為此,本文設(shè)計了一種蓄熱盤管和釋熱盤管相互獨(dú)立的雙盤管蓄能槽,以提高蓄能空調(diào)在釋熱工況下的運(yùn)行效率.

1 蓄能槽雙盤管結(jié)構(gòu)設(shè)計模型

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在整個加熱過程中,加熱時間越長,蓄能槽中熱水溫度的分層厚度越大.蓄能槽內(nèi)的熱水溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,蓄能槽上部的水溫在整個熱水加熱的過程中始終較高,而下部水溫較低.

放熱過程中,由于熱水借助水泵的動力進(jìn)行循環(huán)流動,使得換熱過程更加有效,換熱更加充分[6-7].由于溫度較高的熱水大都位于蓄能槽的上部,所以,可以把釋熱盤管安裝在蓄能槽上部,并將釋熱盤管的直徑設(shè)計為小于蓄熱盤管的直徑,采用這種設(shè)計方式可以使雙盤管有效釋熱,如圖1所示.內(nèi)部蓄熱盤管和釋熱盤管分別為φ12 mm和φ6.5 mm.

2 實(shí)驗(yàn)原理及理論分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

熱泵裝置在環(huán)境溫度較低的情況下,室外機(jī)組的換熱器會經(jīng)常結(jié)霜,嚴(yán)重影響其制熱效果.熱泵在化霜時會停止向室內(nèi)供熱,因此,造成了室內(nèi)溫度的波動,同時使熱泵運(yùn)行效率下降.蓄熱型熱泵可以較好地改善熱泵在低溫下的運(yùn)行性能,它利用低谷電力以及蓄熱介質(zhì)的顯熱或潛熱特性,用一定的方式將熱量儲存起來;而在電力負(fù)荷的高峰期將熱量釋放出來,以滿足空調(diào)或生產(chǎn)工藝的需要.

本文所選用的蓄能型熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組和蓄能槽組成,考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性,將四通換向閥替換為手動閥.通過閥門開關(guān)實(shí)現(xiàn)3種運(yùn)行工況:常規(guī)熱泵運(yùn)行;蓄熱運(yùn)行;釋熱運(yùn)行,如圖2所示(見下頁).其中,以常規(guī)單盤管熱泵運(yùn)行時,閥門2,5,9,15打開,其余閥門關(guān)閉,節(jié)流裝置14處于節(jié)流狀態(tài);以蓄熱工況運(yùn)行時,閥門2,5,7,12打開,其余閥門關(guān)閉,節(jié)流裝置10處于節(jié)流狀態(tài);以釋熱工況運(yùn)行時,閥門2,5,8,13,15打開,其余閥門關(guān)閉,節(jié)流裝置14處于節(jié)流狀態(tài).

2.2 理論分析

圖2 小型熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管路圖Fig.2 Piping diagram of small heat pump air conditioning system

在冬季,隨著室外環(huán)境溫度的降低,熱泵運(yùn)行過程中,蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力有明顯的降低,因此,壓縮機(jī)的吸氣壓力也會下降,吸入制冷劑蒸汽的密度減小,壓縮機(jī)單位時間的實(shí)際排氣量減小,其制熱能力自然會有所降低.另外,當(dāng)室外溫度和吸氣壓力同時下降時,為了確保室內(nèi)供暖的效果,冷凝溫度和冷凝壓力必須要保持相應(yīng)的水平,這樣就導(dǎo)致了壓縮機(jī)壓縮比的增大.隨著壓縮比的增大,壓縮機(jī)電機(jī)內(nèi)部線圈的發(fā)熱量增加,使得壓縮機(jī)的工況條件變得更加惡劣.而設(shè)計蓄能熱泵空調(diào)系統(tǒng),在電力低谷時蓄熱,在電力高峰時釋熱,采用低耗能的循環(huán)系統(tǒng),使得制冷劑流經(jīng)蓄能槽后,一部分制冷劑溫度有所提高,增加吸氣的溫度,從而緩解冬季制熱量的不足、除霜頻率過大等問題.普通熱泵運(yùn)行與釋熱運(yùn)行的lg p-h圖(p為壓強(qiáng),h為焓)對比如圖3所示,圖中a-b-d-e-f-i-a為釋熱運(yùn)行循環(huán), h-e-f-g-h為常規(guī)單盤管熱泵運(yùn)行循環(huán).

圖3 釋熱運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行l(wèi)g p-h對比圖Fig.3 Comparison of lg p-h charts between heat release operation and routine operation

根據(jù)圖3可知,常規(guī)單盤管熱泵的制熱量q k為圖中e點(diǎn)與f點(diǎn)的焓差.

系統(tǒng)進(jìn)行釋熱運(yùn)行時,其制熱量q*k為d點(diǎn)與f點(diǎn)的焓差.

由于q*k＞qk,所以,蓄能型熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于吸入的制冷劑蒸汽過熱使得其制熱量增大,同時,由于制冷劑進(jìn)入室外換熱器蒸發(fā)以前,并非過冷,將使得蒸發(fā)溫度有所提高,這就避免了室外側(cè)換熱器嚴(yán)重結(jié)霜的可能.可以改善機(jī)組運(yùn)行性能,減少除霜次數(shù),在一定程度上可以提高COP.

3 蓄能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程實(shí)驗(yàn)測試與常規(guī)熱泵的對比分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

上海市屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候[8-10],極端最高氣溫40.2℃,極端最低氣溫-12.1℃,夏季平均氣溫29℃,冬季平均氣溫9℃,濕度一般在60%～75%左右.考慮到實(shí)驗(yàn)的對比與分析過程,在模擬室外工況時,選取濕度為70%左右,干球溫度范圍為0～10℃,實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)表Tab.1 Table of test condition parameters

3.2 蓄熱分析

在蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中,隨著系統(tǒng)加熱過程的進(jìn)行,徑向上溫度梯度的變化越來越小.蓄能槽內(nèi)的熱水在水箱徑向方向上的溫度梯度變化不大,只是在系統(tǒng)運(yùn)行的最初時刻沿徑向方向有少許變化,而熱水沿軸向方向上的溫度梯度變化十分顯著,在運(yùn)行過程的最后階段,處于蓄能槽底部的水溫變化非常明顯,而處于上部的水溫卻基本無明顯變化,隨著加熱的持續(xù)進(jìn)行,蓄熱槽內(nèi)溫度呈均勻分布的區(qū)域越來越大.

3種工況下蓄能槽內(nèi)部平均溫度對比如圖4所示.在蓄熱過程的前一階段(0～24 min),工況1環(huán)境溫度雖然較高,但蓄熱槽溫度上升的速率并不高,在這一階段,工況2時溫度升高速率反而較快,工況3居中;在后一階段(24～116 min)明顯可以看出,環(huán)境溫度較高的工況,其蓄能槽內(nèi)部水溫也上升較快.同時,兩個階段中,前一階段溫度升高速率都比較慢,而后一階段溫度升高速率都相對較快.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析可知,由于室外環(huán)境溫度低于水箱內(nèi)部水溫,運(yùn)行的初期時刻,壓縮機(jī)的排氣溫度相對較低,導(dǎo)致其水溫上升速度較慢.而隨著壓縮機(jī)工作的運(yùn)行,慢慢達(dá)到穩(wěn)定工況,此時系統(tǒng)可以穩(wěn)定地向水箱內(nèi)部輸入熱量.

3.3 釋熱分析

本文主要研究在釋熱狀態(tài)下空調(diào)熱泵的工作狀況.采用環(huán)境空調(diào)熱泵熱水器標(biāo)準(zhǔn)即在工況2(室外環(huán)境干、濕球溫度分別為7℃和6℃)時作為研究重點(diǎn).圖5和圖6為在該工況下前一個小時內(nèi)的壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度.

圖4 3種工況下蓄能桶內(nèi)部平均溫度Fig.4 Average temperature inside the accumulator tank under three kinds of conditions

在釋熱運(yùn)行下的壓縮機(jī)吸氣溫度比常規(guī)熱泵運(yùn)行時的溫度高出4.5℃左右,到穩(wěn)定運(yùn)行以后高出3℃左右;而釋熱運(yùn)行時的排氣溫度比常規(guī)熱泵運(yùn)行時的排氣溫度有較大的提高,在初始階段高出15～17℃,運(yùn)行穩(wěn)定后高出了10℃左右.由此說明,與常規(guī)熱泵運(yùn)行相比,在工況2的情況下,加入了蓄能槽以后,壓縮機(jī)的進(jìn)口溫度和出口溫度都有了相應(yīng)的提升,其中,排氣溫度上升的幅度較大,這有利于提高空調(diào)系統(tǒng)的制熱效果.后期系統(tǒng)整體運(yùn)行比較穩(wěn)定,這說明蓄能槽對系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)作用.

圖5 工況2下壓縮機(jī)吸氣溫度Fig.5 Compressor suction temperature in case 2

圖6 工況2下壓縮機(jī)排氣溫度Fig.6 Compressor discharge temperature in case 2

隨著釋熱時間的增加,蓄能槽內(nèi)各處的水溫逐漸下降,且溫度下降的速率隨著蓄能槽深度的增加而增大.蓄能槽上部高溫水的溫度由于自然對流的影響相對比較均勻.因此,在釋熱過程中,大部分都是溫度較高的熱水參與釋熱,這恰恰可以使蓄能空調(diào)運(yùn)行的需要得以滿足.從下部流入的水溫隨著蓄能槽內(nèi)熱水溫度逐漸下降而越來越低,此時蓄能槽內(nèi)的冷熱水得到比較充分的混合,槽內(nèi)水溫下降的速度加快.因此,與常規(guī)單盤管熱泵運(yùn)行相比,在工況2的情況下,釋熱運(yùn)行中COP的絕對值高于常規(guī)熱泵運(yùn)行時的COP,如圖7所示.

圖7 工況2下COP對比Fig.7 Comparison of COP in case 2

圖8 系統(tǒng)COP上升值對比Fig.8 Comparison of the system COP value added

ΔCOP為釋熱運(yùn)行和普通熱泵運(yùn)行COP的差值.由圖8可知,在3種工況下分別進(jìn)行釋熱運(yùn)行和普通熱泵運(yùn)行,系統(tǒng)COP均比常規(guī)熱泵空調(diào)運(yùn)行COP有明顯的提高.其中,在工況1、工況2和工況3中,系統(tǒng)的COP平均增幅分別為0.228,0.335和0.421.易見,在工況3條件下進(jìn)行釋熱運(yùn)行時,系統(tǒng)的COP提升較為明顯,即室外環(huán)境溫度越低,蓄能槽在系統(tǒng)運(yùn)行中所起到的作用越明顯.從圖8還可以看出,隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的持續(xù),COP的增幅下降,這是因?yàn)樾钅懿蹆?nèi)蓄熱介質(zhì)的溫度在下降,與釋熱盤管之間的熱交換量在減少,因而制冷劑吸收的熱量也在下降.

本系統(tǒng)所采用的蓄熱裝置與傳統(tǒng)單盤管蓄熱水槽相比較,具有蓄能過程中出現(xiàn)的蓄能槽內(nèi)上部溫差小、下部溫差大的特點(diǎn),這對于整個系統(tǒng)在釋熱狀態(tài)下的運(yùn)行是非常有利的.

4 經(jīng)濟(jì)性分析

蓄能空調(diào)投資回收期

式中,In為常規(guī)空調(diào)器的初期投資費(fèi)用;Pl,Ph為低谷電價和高峰電價;Δα為每年節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用; x為空調(diào)供熱量與蓄熱水槽蓄熱量之比;K為一年中使用空調(diào)天數(shù);α為低谷電價與高峰電價之比, α=Pl/Pn;Wi,Wn為蓄能空調(diào)蓄熱時耗電功率和常規(guī)空調(diào)工作狀態(tài)下的耗電功率;COPi和COPn分別表示蓄能空調(diào)蓄熱時和常規(guī)空調(diào)工作狀態(tài)下的COP;n′i為蓄能空調(diào)的蓄熱小時數(shù).

影響蓄能空調(diào)投資回收期的因素主要包括:峰谷電價的價格差額、初期投資的增加額、每年使用空調(diào)的總天數(shù)以及當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r等.以上海市為例計算其經(jīng)濟(jì)性.查詢上海市2013年1～3月和2012年11和12月的天氣氣溫、濕度情況,一月份上海市平均溫度最低,其次分別是12月、2月、3月和11月[11].其中,日平均最低溫度點(diǎn)出現(xiàn)在6:00～7:00,此時平均溫度為3.6℃.平均溫度下,11月和12月平均溫度較高,其它依次為3月、1月和12月.其中,5個月的平均濕度約為70%.同時,上海市低谷電價時段中22:00～24:00的環(huán)境溫度相對較高,可以選取這一時段作為蓄熱時段.

表2為上海市居民用電電價,根據(jù)上海市的實(shí)際天氣情況,選取熱泵機(jī)組在22:00至第二天6:00的低谷電價時段工作,可以避開較低的溫度時段,有利于系統(tǒng)運(yùn)行,采取這2 h作為夜間完全蓄熱時間.計算結(jié)果如表3所示.

表2 上海居民用電價(第一檔)Tab.2 Shanghai civil electricity prices

表3 蓄能熱泵空調(diào)經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果Tab.3 Economic analysis results of storage heat pump

從表3可知,小型蓄能型熱泵空調(diào)對電網(wǎng)“移峰填谷”的作用明顯,經(jīng)濟(jì)性也顯而易見,因而具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.但是,如果減少每天使用空調(diào)的時間或者年使用的天數(shù)時,其回收周期有所延長.如每天使用空調(diào)6 h,每年使用空調(diào)90 d,其回收時間變?yōu)?.3 a.因此,用戶選擇使用小型蓄能空調(diào)系統(tǒng)時,除了要考慮當(dāng)?shù)仉妰r政策與地區(qū)氣候特征外,還要考慮自身使用的具體情況.

5 結(jié) 論

通過建立雙盤管蓄熱水槽的物理模型,實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下蓄熱過程和釋熱過程中壓縮機(jī)功率變化情況,以及在空調(diào)熱泵熱水器標(biāo)準(zhǔn)工況2條件下釋熱運(yùn)行與常規(guī)單盤管熱泵運(yùn)行的比較.結(jié)果表明,將釋熱盤管安裝在蓄能槽上部,并將釋熱盤管的直徑設(shè)計為小于蓄熱盤管直徑,可以使釋熱過程的時間更加持久,并能很好地緩解蓄能槽中的分層現(xiàn)象,釋熱運(yùn)行時系統(tǒng)的COP平均提高10%左右.進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計算得出,此種雙盤管蓄能槽熱泵空調(diào)機(jī)組對電網(wǎng) “移峰填谷”作用明顯,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

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(編輯:石 瑛)

Heat Storage Performance and Economic Analysis on Heat Pump Air Conditioning

QUYan, WANGFang, LIUZhendong, WANGHongjie, ZHANGZhenya
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

According to the characteristics of energy storage air conditioning system,a physical model of regenerative process for the energy-storage air conditioning heat storage device(double coil heat storage water tank)was established.Performance testing and energy consumption analysis were completed in consideration of the structure characteristics of the energy storage tank.The results show that installing the heat coil in the upper part of the heat storage tank and making the heat releasing diameter be half of the heat coil diameter can make the heat release process more effective than the traditional,and the double coil immersion heat storage tank can improve the stratifying phenomenon of the traditional single coil structure.Date analysis based on establishing a payback period model of investment confirms that the proposed design has good economic efficiency.

energy storage air conditioning;heat storage device;double coil;performance test;economic analysis

TB 65

A

1007-6735(2015)01-0030-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.006

2013-10-19

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項目(S30503)

屈 巖(1990-),女,碩士研究生.研究方向:節(jié)能制冷空調(diào)技術(shù).E-mail:quyan0911020105@163.com

王 芳(1966-),女,副教授.研究方向:節(jié)能制冷空調(diào)技術(shù).E-mail:wang1996903@163.com