邵麗國，陳熙，賈甲

（1-格力電器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

水源熱泵熱回收特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

邵麗國*1，陳熙2，賈甲2

（1-格力電器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

水源熱泵是利用地表淺層水所儲(chǔ)藏的太陽能作為冷熱源，進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。本文介紹了一種專門檢測(cè)水源熱泵的熱回收性能的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)測(cè)試原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算分析了熱回收的結(jié)果。研究結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)裝置在分析樣機(jī)熱回收性能方面起到非常重要的作用。

熱回收；水源熱泵；試驗(yàn)裝置

0 引言

水源熱泵技術(shù)是一種利用清潔的可再生能源的空調(diào)技術(shù)。其工作原理是：冬季，熱泵機(jī)組從地源（淺層水體或巖土體）中吸收熱量，向建筑物供暖；夏季，熱泵機(jī)組從室內(nèi)吸收熱量轉(zhuǎn)移釋放到地源中，實(shí)現(xiàn)建筑物空調(diào)制冷[1]。目前，在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，對(duì)節(jié)能環(huán)保提出了更高的要求[2]。在夏季制冷常規(guī)中，制冷機(jī)組僅吸收低位熱量，而將剩余熱量通過冷凝器由水、空氣等冷卻介質(zhì)帶走。這不僅造成了能源浪費(fèi)，而且增加了廢熱造成的熱污染[3-4]。利用熱回收技術(shù)的水源熱泵系統(tǒng)，可以將壓縮機(jī)排氣中的余熱通過熱交換的形式，對(duì)系統(tǒng)中的冷水進(jìn)行加熱，儲(chǔ)存在保溫容器中，對(duì)建筑管網(wǎng)進(jìn)行熱水供應(yīng)。

國內(nèi)在這方面的研究多集中于熱回收式水源熱泵在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用，如周子晴等[5]、黃艾星等[6]、胡麗華[7]分別針對(duì)不同的工程項(xiàng)目對(duì)熱回收水源熱泵進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、節(jié)能分析。而針對(duì)水源熱泵的熱回收性能的專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置研究較少。

本文針對(duì)水源熱泵的熱回收系統(tǒng)開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)其熱回收過程進(jìn)行記錄，分析其在熱回收方面的能效。

1 研究背景

水源熱泵是目前空調(diào)系統(tǒng)中能效比（COP值）最高的制冷、制熱方式，理論計(jì)算可達(dá)到7，實(shí)際運(yùn)行為4～6[8]。它利用地表水吸收的太陽能，無燃燒、無CO2排放，不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣。因此，它不會(huì)產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”和“城市熱島效應(yīng)”，是環(huán)保、節(jié)能的一種系統(tǒng)[9]。

機(jī)組利用熱采集器回收制冷過程中冷媒蒸汽與水進(jìn)行熱交換時(shí)所產(chǎn)生的熱量，既為用戶空調(diào)供冷，又獲取了生活熱水，有效地增加了能源的使用效率。這樣不僅可以回收壓縮機(jī)排熱，同時(shí)也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到了預(yù)冷器的作用，能夠增強(qiáng)制冷機(jī)組的冷卻效果[10]。

傳統(tǒng)的水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)水源熱泵的制冷情況進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出制冷效率和功率，但尚無辦法對(duì)樣機(jī)的熱回收性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-12]。

為了更好地支持熱回收型水源熱泵的開發(fā)、有效地評(píng)估熱回收效率，本文針對(duì)熱回收式水源熱泵的熱采集能力進(jìn)行測(cè)試，在原有的水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，增加了實(shí)驗(yàn)裝置的熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠幫助廠家對(duì)熱回收式水源熱泵的研制、評(píng)價(jià)產(chǎn)熱回收效率方面起到積極作用。

2 測(cè)試原理

熱回收式水源熱泵在壓縮機(jī)的排氣管路后增加了一個(gè)熱采集器，銅管內(nèi)的高溫高壓制冷劑先經(jīng)過熱采集器，與其中的熱回收循環(huán)水進(jìn)行換熱，再通往冷凝器。熱采集器中的水通過循環(huán)水泵與實(shí)驗(yàn)水箱中儲(chǔ)水進(jìn)行循環(huán)。

圖1 熱回收裝置示意圖

熱回收測(cè)試系統(tǒng)是熱回收式水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置的一個(gè)重要組成部分，它負(fù)責(zé)對(duì)樣機(jī)熱采集器的熱回收性能進(jìn)行評(píng)估。

在實(shí)驗(yàn)中，熱采集器通過吸收壓縮機(jī)排氣熱量，使熱回收水箱溫度從15 ℃上升到50 ℃。根據(jù)公式(1)計(jì)算熱回收熱水所吸收的熱量[13]。

式中：Q——系統(tǒng)中水所吸收的總熱量，J；

c——水的比熱，記為4,200 J/(kg·℃)；

m——系統(tǒng)中水的質(zhì)量，kg；

Δt——實(shí)驗(yàn)水箱中水的上升的溫度，℃。

在實(shí)驗(yàn)中，熱回收水箱中的水從15 ℃上升至50 ℃，計(jì)錄該升溫過程的時(shí)間t。

因?yàn)闊岵杉鳙@得的能量是來自于冷凝器。這樣，對(duì)測(cè)試樣機(jī)的熱回收效率評(píng)價(jià)：

其中，實(shí)驗(yàn)裝置的功率計(jì)通過采集壓縮機(jī)的輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)，計(jì)算出壓縮機(jī)輸入功率，最后通過計(jì)算機(jī)計(jì)算壓縮機(jī)功率對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間t積分，得到實(shí)驗(yàn)期間壓縮機(jī)所作的總功W壓縮機(jī)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造，增加了熱回收測(cè)試系統(tǒng)，更新了測(cè)試軟件。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)盡可能保持蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)進(jìn)水的溫度和流量穩(wěn)定。

由于熱回收系統(tǒng)會(huì)吸收原有的樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的能量，從而拉低原系統(tǒng)恒溫水箱中的水溫。這樣會(huì)影響蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)進(jìn)水的溫度。為了解決這個(gè)問題，本研究在原實(shí)驗(yàn)裝置的恒溫水箱處根據(jù)熱采集器回收的熱量大小對(duì)應(yīng)增加了一組電加熱，保證水箱中的水溫相對(duì)穩(wěn)定。利用數(shù)字調(diào)節(jié)表，輸入鉑電阻所采集的恒溫水箱溫度，輸出(4～20) mA信號(hào)調(diào)節(jié)電加熱調(diào)功器的輸出，對(duì)電加熱輸出進(jìn)行控制。

實(shí)驗(yàn)水箱采用一個(gè)半徑為0.8 m、高為5 m的圓柱形保溫水箱。水箱上有20個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)接口，共6層，每層間距為75 cm，每一層放置4個(gè)測(cè)點(diǎn)接口均勻分布于圓面。系統(tǒng)提供8個(gè)鉑電阻，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別插入水箱不同部位，估算水體整體溫度。當(dāng)熱回收系統(tǒng)循環(huán)水使用較長時(shí)間后，會(huì)含有各種雜質(zhì)，筆者在水箱循環(huán)管路處增加過濾器過濾雜質(zhì)，以避免損害循環(huán)水泵。出口2位于實(shí)驗(yàn)水箱的最底部，打開蝶閥8、9可以進(jìn)行排水，定期對(duì)過濾器進(jìn)行清潔。

打開蝶閥1、2，通過水泵向水箱中泵入7 ℃冷凍水。由于水源熱泵剛開始運(yùn)行的時(shí)候，冷凝器開始制熱到正常程度需要一個(gè)過程，才能達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的制熱功率。而恒溫水箱中的水從7 ℃上升到15 ℃的過程，正好為樣機(jī)預(yù)熱提供了一個(gè)很好的緩沖期。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先打開蝶閥3、4、5、6、7、8、9，關(guān)閉蝶閥1、2、10、11，將循環(huán)水箱和熱回收循環(huán)系統(tǒng)中的水放完。然后，關(guān)閉蝶閥10、11、4、9，打開蝶閥1、2、3、5、6、7、8。從蝶閥3所在管路外接熱回收補(bǔ)水系統(tǒng)。開啟循環(huán)水泵，通過流量計(jì)測(cè)量循環(huán)水的流量，將流量信號(hào)輸入流量積算控制表，得到輸入循環(huán)系統(tǒng)中總水量。我們?cè)诹髁糠e算器上輸入期望熱回收系統(tǒng)總水量，當(dāng)達(dá)到設(shè)置值時(shí)，累積表發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水電子閥和循環(huán)水泵。

如圖2所示，蝶閥5與電子閥并聯(lián)在流量計(jì)之前的管路上。由于電子閥的流量較小，雖然有利于保證水量累積精度，但是注水速度過慢。為了快速注水又同時(shí)精確累積，可以在開始注水階段打開蝶閥5，增加進(jìn)入水箱中的水流量；當(dāng)接近目標(biāo)值的時(shí)候關(guān)閉蝶閥5，打開電磁閥，只通過電子閥向水箱內(nèi)緩慢注水。

圖2 系統(tǒng)流程圖

關(guān)閉蝶閥3、4，打開蝶閥1、2、10、11，通過兩根金屬軟管將熱回收式水源熱泵接入系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)中打開蝶閥5、6、7、8，使實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)形成閉合水回路。本實(shí)驗(yàn)裝置通過數(shù)字調(diào)節(jié)表控制熱回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的循環(huán)水流量。數(shù)字調(diào)節(jié)表的輸入信號(hào)為流量計(jì)測(cè)量的水流量，輸出(4～20) mA信號(hào)控制變頻器輸出，最終通過變頻水泵的轉(zhuǎn)速快慢實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水流量的閉環(huán)控制。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，功率計(jì)對(duì)壓縮機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過測(cè)試軟件對(duì)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)采集器記錄8根水箱溫度鉑電阻并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。測(cè)試軟件對(duì)水箱溫度進(jìn)行平均計(jì)算，當(dāng)水箱平均溫度到達(dá)50 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用熱回收式水源熱泵，工況為名義制冷與熱回收工況。水箱內(nèi)水體積為2 m3，循環(huán)水流量為12.5 m3/h。實(shí)驗(yàn)從13:03開始，水箱平均溫度為15 ℃，20:07結(jié)束，水箱平均溫度為50 ℃，歷時(shí)424 min。軟件對(duì)壓縮機(jī)功率進(jìn)行積分，再除以實(shí)驗(yàn)時(shí)間，計(jì)算出的壓縮機(jī)平均功率P壓縮機(jī)= 54.68 kW。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，熱回收的總熱量為：

在計(jì)算熱回收效率時(shí)，將分子、分母同時(shí)除以t實(shí)驗(yàn)時(shí)間。熱回收效率計(jì)算結(jié)果如下：

熱回收水箱溫度隨時(shí)間變化如圖4所示。

通過變頻器對(duì)循環(huán)水泵設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，可以使循環(huán)水流量發(fā)生改變。通過不同的流速調(diào)節(jié)，可以得到該熱回收式水源熱泵系統(tǒng)不同的COP值。

圖3 熱回收實(shí)驗(yàn)裝置

通過研究發(fā)現(xiàn)，水源熱泵的熱回收性能與熱回收系統(tǒng)的水流速有關(guān)，系統(tǒng)COP隨水流速變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。因此，在實(shí)際使用中，找出使COP最大的循環(huán)水流速至關(guān)重要。分析原因可知，當(dāng)水流量達(dá)到峰值之前，水流量小，換熱充分，換熱量隨水流量增大而增大；當(dāng)達(dá)到換熱量峰值后，由于水流速過快導(dǎo)致循環(huán)水換熱不充分，換熱量不再隨水流量增大而增加。而循環(huán)水泵的功率卻在不斷增加。所以，整個(gè)系統(tǒng)的COP達(dá)到峰值后隨水流速的增加而下降。

5 結(jié)語

通過對(duì)原有水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，增加了熱回收系統(tǒng)，對(duì)樣機(jī)的熱回收過程進(jìn)行監(jiān)控。通過廠家對(duì)樣機(jī)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)裝置可以較好地滿足廠商在水源熱泵熱回收節(jié)能技術(shù)方面的研發(fā)、檢測(cè)需求。

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System Design and Experimental Data Analysis on Heat Recovery Performance Test of Water Source Heat Pump

SHAO Li-guo*1, CHEN Xi2, JIA Jia2
(1- GREE Electric Appliance (Hefei) Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China; 2- Hefei General Environment Control Technology Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China)

Water source heat pump is air conditioning technology to convert the heat by using solar energy stored in the shallow water as a cold heat source. A test device for investigating the heat recovery performance of water source heat pump was introduced, and the testing principle, system design as well as the testing method were introduced in detail. Through the testing experiments on the prototype, the heat recovery results were calculated and analyzed. The research results show that, this test device has a significant effect for analyzing the heat recovery performance.

Heat recovery; Water source heat pump; Test equipment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.208

*邵麗國（1979-）男，工程師，學(xué)士，研究方向：商用空調(diào)性能測(cè)試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)系地址：安徽省合肥市高新區(qū)銘傳路208號(hào)，郵編：230000。聯(lián)系電話：0551-65739214。E-mail：zkbhf@cn.gree.com。