武瀟 吳榮華 吳昊

摘要：為解決水源熱泵系統(tǒng)因水源水溫較低和水資源匱乏而無法實施應(yīng)用的難題，本文主要對冷水相變能熱泵系統(tǒng)性能進行實驗研究。提出了一種利用間歇式熱融冰和機械刮冰相結(jié)合的除冰方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)的取熱結(jié)冰、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)，保證冷水相變能熱泵系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定供熱。同時，給出了冷水相變能系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)的設(shè)計運行工況和運行原理，并以青島科創(chuàng)藍公司的辦公樓和職工宿舍樓提供冬季供暖服務(wù)為實驗對象，通過構(gòu)建實驗臺，測試并追蹤系統(tǒng)的運行工況和末端供熱用戶溫度。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的運行效果良好，實際運行工況與設(shè)計工況相符，且可以保持室內(nèi)供熱溫度穩(wěn)定于18℃左右，此外，實驗得出系統(tǒng)的能效比COP在3.38左右，具有顯著的節(jié)能效益。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：冷水相變能; 熱泵系統(tǒng); 制冰; 除冰; 含冰率

中圖分類號： TU831.6文獻標(biāo)識碼： A

文章編號： 10069798（2019）01010506; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.019

冷水相變能相當(dāng)于水溫降低80℃釋放出的能量，提取冷水中的相變能為建筑物供暖具有重要的節(jié)能和環(huán)保效益。如何實現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)冰、除冰、排冰和再結(jié)冰不間斷循環(huán)是冷水相變能熱泵系統(tǒng)實施的關(guān)鍵問題[1]。目前，已有的除冰方式有機械刮冰[2]，拉環(huán)刮冰[3]及液固流化床[4]等方式，螺旋刮削式凝固換熱器屬于機械刮冰，依靠單一的機械力刮削除冰。電機通過轉(zhuǎn)軸與刮刀絞龍相連接[5]，刮刀絞龍布置在換熱管內(nèi)，其工作原理是電機帶動刮刀絞龍在換熱管內(nèi)轉(zhuǎn)動，刮刀刮削換熱壁面，將換熱管內(nèi)壁上的冰層除去，使碎冰與水混合隨著冷水流出[6]。拉環(huán)式清冰換熱器[7]屬于管外單一機械力除冰，左右封頭處設(shè)置滑輪，滑輪通過拉鎖與電機相接，刮環(huán)設(shè)置在拉鎖上，套在換熱管外部[8]，其工作原理是電機通過拉鎖帶動刮環(huán)沿著換熱管運動，刮削附著在換熱管壁上的冰層，刮削下的碎冰隨著冷水流出。液固流化床除冰方法，依靠砂石的沖擊力對換熱管壁冰層的撞擊，破壞剝離附著在換熱管壁面的冰層，以達到除冰的目的。該裝置的關(guān)鍵在于如何讓砂石循環(huán)使用，該裝置由旋流除砂器、調(diào)節(jié)閥和引射器組成[9]，旋流除砂器與引射器之間由調(diào)節(jié)閥連接。從換熱器流出的砂石與冰水混合物進入旋流除砂器，在離心力的作用下，砂石與冰水混合物分離，砂石經(jīng)引射器再次隨水流進入換熱器。但上述方法無法及時有效的除冰[10]，冰層附著于換熱壁面上，導(dǎo)致?lián)Q熱效率急劇下降，直至堵塞，系統(tǒng)無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行[11]。因此，本文提出一種冷水相變能熱泵系統(tǒng)，可實現(xiàn)及時有效除冰，保證系統(tǒng)對外連續(xù)穩(wěn)定供熱。該研究應(yīng)用前景廣闊。

1冷水相變能熱泵系統(tǒng)

對相變?nèi)嵫b置，當(dāng)與冷水換熱的流體溫度低于-2 ℃時，換熱管壁上很快結(jié)冰，且冰層厚度增長迅速[12]。對管內(nèi)機械刮冰和管外拉環(huán)式清冰，其依靠刮刀的強制機械力刮削冰層，對刮刀的磨損程度很大，另外其除冰效果不佳，仍然有冰層附著在換熱管壁面上，且隨著系統(tǒng)的運行，除冰效果越來越差，最后只能停機實施人工除冰。對于液固流化床方法，依靠沙子的沖擊力去粉碎冰層，由于冰層較硬，很難達到設(shè)想的破壞與粉碎冰層的目的。

1.1相變能換熱器結(jié)構(gòu)

若想實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的不停機運行，關(guān)鍵是換熱壁面徹底除冰，但若僅依靠機械力刮削冰層，則無法實現(xiàn)徹底除冰，必須從冰層內(nèi)部給予一種能量，減小冰層中水分子之間的分子作用力，再外部附以機械力除冰。因此，本研究提出了一種冷水相變能熱泵系統(tǒng)，利用間歇式熱融冰和機械刮冰方式[13]，保證系統(tǒng)的結(jié)冰、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)。

冷水相變機結(jié)構(gòu)如圖1所示，多根換熱管在垂直方向上組成換熱管排，刮刀固定在主軸上，主軸的一端與電機相連接，刮刀陣列的設(shè)置在換熱管排之間。

其工作原理是冷水從冷水進口進入冷水儲水箱，冷水經(jīng)多個冷水進水口進入冷水流道中，冷水充滿冷水流道，并與換熱管內(nèi)低于0 ℃的中介水換熱，冷水釋放出冷水相變能后結(jié)成冰附著在換熱管壁面上，當(dāng)冰層結(jié)到一定厚度，系統(tǒng)中的電磁閥開啟，中介水與末端水換熱升溫后進入換熱管管程，換熱管壁上的冰層吸收熱量松動，電機啟動，刮刀繞主軸轉(zhuǎn)動，刮削已經(jīng)松動的冰層，達到徹底清除換熱壁面冰層的效果。冰漿隨著水流從冷水出口流出。

1.2冷水相變能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)與常規(guī)水源熱泵相似，不同的是多了冷水相變機[14]和融冰換熱器。冷水相變能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)由熱泵機組、冷水相變機、融冰換熱器、水箱、電磁閥和水泵組成。水箱與冷水相變機通過管路連接構(gòu)成冰水循環(huán)，相變能換熱器與熱泵機組通過管路連接構(gòu)成中介水循環(huán)，熱泵機組和末端用戶之間構(gòu)成末端水循環(huán)。此外，板式換熱器的一端與中介水出水管相連通，另一端與末端出水管相連通[15]。

1.3系統(tǒng)運行原理

系統(tǒng)由4個循環(huán)組成，冷水相變循環(huán)，中介水循環(huán)、末端循環(huán)和間歇性融冰循環(huán)。系統(tǒng)運行原理為水箱中0 ℃的冷水經(jīng)管路進入相變能換熱器，在相變能換熱器中與中介水換熱，釋放出相變能后，結(jié)成冰附著在換熱管壁上，當(dāng)冰層達到一定厚度，開啟除冰循環(huán)，此時電磁閥開啟，板式換熱器引末端高溫?zé)崴訜嶂薪樗?，因為末端回水溫?0 ℃以上，中介水很快回溫，附在換熱管壁上的冰吸收中介水熱量，從換熱管壁上脫落至冷水流道中，相變能換熱器的刮刀將冰塊撈起破碎，以冰水混合物的形式流回水箱，完成冷水循環(huán)。-1 ℃的中介水進入機組的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中釋放出熱能后降為-4 ℃，-4 ℃的中介水進入冷水相變機與0 ℃左右的冷水換熱，吸收相變能升為-2 ℃流出冷水相變機，由此完成中介水循環(huán)。43 ℃的末端回水經(jīng)熱泵的作用，升溫至50 ℃用以供給用戶，用戶利用熱能后，以43 ℃返回?zé)岜脵C組，完成末端循環(huán)。

2系統(tǒng)實驗分析

2.1實驗概況

本實驗為青島科創(chuàng)藍公司的辦公樓和職工宿舍樓提供冬季供暖服務(wù)，項目總建筑面積6 000 m2，面積熱指標(biāo)為65 W/m2，總熱負荷390 kW。青島科創(chuàng)藍位于位于山東省膠州市膠北工業(yè)園，地處山東半島，四季分明，冬季最低溫度一般在-10 ℃左右[16]，所處溫度區(qū)間很適于熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)。

該公司內(nèi)有一人工湖，但該人工湖的水容量極小，水量僅可持續(xù)運行1個月（平均每天運行10 h）。根據(jù)對當(dāng)?shù)厮档膶嵉販y量，在最冷的一月份，水體溫度僅為2 ℃，湖水溫度較低，已經(jīng)無法提取顯熱來為末端建筑提供供暖服務(wù)。本實驗采用冷水相變能熱泵系統(tǒng)用以冬季供暖，從湖水中提取相變能為末端供暖。

2.2實驗過程

根據(jù)冷水相變能系統(tǒng)運行原理，繪制實驗系統(tǒng)工藝流程圖，冷水相變系統(tǒng)工藝流程圖如圖3所示。實驗選用制熱量為450 kW的熱泵機組，冷水相變機為自行研發(fā)的換熱面積為300 m2的設(shè)備。融冰換熱器選用的是額定換熱量為75 kW的高效板式換熱器。冷水相變機和水箱之間選用兩臺水泵，一用一備。冷水相變機和機組之間選用3臺水泵，兩用一備。有兩套補水系統(tǒng)，一個為中介定壓補水，另一個為末端定壓補水，補水點均位于水泵吸入點之前，按照此工藝流程圖搭建實驗平臺。

2.3實驗性能分析

2.3.1冷水相變熱泵機組的COP

冷水相變系統(tǒng)的運行特點是結(jié)冰取熱、除冰和再結(jié)冰的不間斷循環(huán)，一個循環(huán)由開閥融冰和關(guān)閥結(jié)冰構(gòu)成。機組在開閥融冰時處于停機狀態(tài)，在關(guān)閥結(jié)冰時處于開機狀態(tài)。實驗測試并記錄一個循環(huán)中蒸發(fā)器進出口溫度和冷凝進出口溫度的變化，蒸發(fā)器和冷凝器的進出口溫度曲線如圖4所示，分析系統(tǒng)的運行特點，并利用熱泵廠家提供的機組軟件，計算制熱能效比（coefficient of performance，COP）的實時變化，機組變化曲線如圖5所示。

者排放出大量冷水，造成水源水量的浪費。由于是固液兩相流，冰的流動性很差，水泵的抽吸作用并不好，會出現(xiàn)堆積[19]或者擁積現(xiàn)象[20]。冰的堆積現(xiàn)象如圖10所示，冰的擁積現(xiàn)象如圖11所示，由于水流動性好，只留下堆積的冰。若是采取加大水量的措施，可能會出現(xiàn)沖出一個流道，而剩下的冰造成擁積的現(xiàn)象，不僅造成水量的大量浪費，而且排冰效果不佳?？紤]冰的密度小而浮在水面這一優(yōu)點，擬采取負壓排冰措施。

4結(jié)束語

熱泵作為高效、節(jié)能的熱能利用設(shè)備，其熱源種類豐富。從熱能利用角度來看，各種形式的熱源都存在一定的局限性。冷水相變能熱泵系統(tǒng)利用水的相變能供暖，解決了熱源受限的問題。通過實驗，冷水相變能熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以保證末端用戶室內(nèi)溫度的要求。此外，在最冷月的實驗顯示，熱泵機組的運行COP可達3.38，效率較高，冷水相變機的傳熱系數(shù)為0.588 W/（m2·k），低于常規(guī)管殼式換熱器。由于冰的流動性差，在冰水混合物的運輸過程中，易出現(xiàn)堵塞問題。因此，如何做到快速有效排冰，還需要進一步深入研究。

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