收稿日期：2022-02-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51776115）；山東省研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力提升項(xiàng)目（SDYY17037）；山東科技大學(xué)研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力

提升計(jì)劃（KDYC17009）

通信作者：孔祥強(qiáng)（1976—），男，博士、教授、" 博士生導(dǎo)師，主要從事熱泵技術(shù)和新能源利用等方面的研究。kxqiangly@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0139 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0323-07

摘 要：為分析直膨式太陽能熱泵耦合地板輻射供暖系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)并搭建以丙烷（R290）為工質(zhì)的直膨式太陽能熱泵供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析冬季不同運(yùn)行工況下環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)供暖的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間平均室溫保持在16.1～20.8 ℃之間，熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）保持在2.57～4.30之間，供暖系統(tǒng)COP保持在2.24～3.98之間。太陽輻照度每增加50 W/m2，熱泵系統(tǒng)COP提升4.9%；環(huán)境溫度每升高1 ℃，熱泵系統(tǒng)COP提升2.4%。太陽輻照度對(duì)熱泵系統(tǒng)的電子膨脹閥開度和工質(zhì)質(zhì)量流量影響較為顯著。當(dāng)終止水溫從45 ℃提升至55 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COP降低12.2%；而在終止水溫為50 ℃時(shí)，供暖系統(tǒng)COP達(dá)到最大值3.37。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱泵系統(tǒng)；丙烷；性能系數(shù)；地板輻射供暖；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK519"""""""""" """"""" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在碳達(dá)峰、碳中和行業(yè)轉(zhuǎn)型背景下，直膨式太陽能熱泵（direct-expansion solar-assisted heat pump，DX-SAHP）技術(shù)可高效規(guī)模化利用太陽能，實(shí)現(xiàn)供熱能效提升［1-2］，緊密契合中國可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃提出的大力發(fā)展可再生能源供熱等非電方向利用，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。蔣綠林等［3］設(shè)計(jì)一種DX-SAHP單元供暖系統(tǒng)，相比常規(guī)能源，該系統(tǒng)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用73%以上。魏毅立等［4］進(jìn)行獨(dú)立式DX-SAHP熱風(fēng)供暖實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)制熱性能系數(shù)高，節(jié)能減排效果顯著。季杰等［5］、黃文竹等［6］在焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)DX-SAHP空間供暖性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)集熱/蒸發(fā)器結(jié)霜速率小，結(jié)霜工況下工作較為穩(wěn)定，且整個(gè)系統(tǒng)制熱功率高。Elamin等［7］在實(shí)驗(yàn)室搭建了用于熱水供應(yīng)和空間采暖的DX-SAHP系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)DX-SAHP系統(tǒng)提高了集熱/蒸發(fā)器效率，降低了系統(tǒng)損耗。

近年來，碳?xì)浠衔镒匀还べ|(zhì)的應(yīng)用研究與推廣一直是熱泵工質(zhì)替代技術(shù)的重要研究方向之一。其中，丙烷（R290）的臭氧消耗潛能（ODP）值為0，全球變暖潛能（GWP）值也極低，且具有優(yōu)良的熱力性能。但R290的可燃性是其作為熱泵工質(zhì)面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，而降低充注量是解決其可燃性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的有效途徑［8］。葛方根等［9］研究發(fā)現(xiàn)在相同容量下，微通道并聯(lián)冷凝器系統(tǒng)與翅片管冷凝器系統(tǒng)相比，系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）提高2.45%，工質(zhì)充注量降低50%，成本下降38.5%。周文杰等［10］將微尺度裸管式冷凝器和蒸發(fā)器應(yīng)用于R290空調(diào)熱泵裝置，其管道內(nèi)外徑分別為0.38和0.58 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)制冷量3645 W對(duì)應(yīng)的COP為3.4，R290充注量僅為（248±5）g，符合EN378-1：2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。Makhnatch等［11］對(duì)采用R290、R410A、R1270、R152a和R1234yf為工質(zhì)的熱泵供熱系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在COP和生命周期氣候性能方面，R290都是最合適的選擇。

在前期研究中，本課題組提出以R290為工質(zhì)的DX-SAHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將微通道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于集熱/蒸發(fā)器和冷凝器，實(shí)驗(yàn)研究獲得良好效果［12-15］；并與以R134a為工質(zhì)的DX-SAHP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果表明在同樣工況下，相比R134a系統(tǒng)，R290系統(tǒng)的COP提升32%且壓縮機(jī)壓比降低58.7%，具有良好的熱力性能［15］?；诖耍疚膶290微通道DX-SAHP耦合地板輻射供暖末端，設(shè)計(jì)并搭建供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，進(jìn)而獲得系統(tǒng)在供暖季的實(shí)際運(yùn)行特性。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

在青島氣候條件下，搭建采用微通道換熱技術(shù)的DX-SAHP地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由熱泵系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)3部分組成。熱泵系統(tǒng)主要包括微通道集熱/蒸發(fā)器、R290定頻壓縮機(jī)，微通道冷凝蓄熱水箱和電子膨脹閥。負(fù)載系統(tǒng)主要包括微通道冷凝蓄熱水箱、循環(huán)水泵、地板輻射供暖加熱盤管（簡稱地暖盤管）和供暖測(cè)試小室。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要包括傳感器、PLC、變送器、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備及計(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

在熱泵系統(tǒng)中，熱泵工質(zhì)R290吸收太陽輻射和周圍空氣中的熱量完全蒸發(fā)后（1點(diǎn)），經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓過熱蒸氣（2點(diǎn)），然后進(jìn)入微通道冷凝蓄熱水箱中冷凝放熱，在此過程中水箱內(nèi)部水被加熱。而后R290以過冷液態(tài)（3點(diǎn)）離開冷凝器，經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓后（4點(diǎn)）重新進(jìn)入微通道集熱/蒸發(fā)器繼續(xù)吸收熱量。實(shí)際運(yùn)行中，周而復(fù)始，直到水箱水溫達(dá)到終止水溫設(shè)定值，壓縮機(jī)停機(jī)，熱泵系統(tǒng)停止制熱。負(fù)載系統(tǒng)中，微通道冷凝蓄熱水箱中的熱水作為地板輻射供暖的驅(qū)動(dòng)熱源，循環(huán)至室內(nèi)地暖盤管，將熱量傳遞給室內(nèi)，完成供暖循環(huán)。實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)通過控制循環(huán)水泵的啟停將室溫控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

微通道集熱/蒸發(fā)器由表面涂有選擇性吸收涂層的33根微通道鋁扁管組成，單側(cè)總有效集熱面積2.98 m2。采用全封閉滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，額定功率為734 W。微通道冷凝蓄熱水箱容積為200 L，水箱不銹鋼內(nèi)膽外壁緊貼由28根微通道鋁扁管構(gòu)成的冷凝器，總有效換熱面積0.85 m2；節(jié)流元件為GJY1801型電子膨脹閥。供暖測(cè)試小室采用預(yù)制溝槽式聚苯乙烯擠塑板層（厚30 mm）地板輻射供暖。地暖盤管為內(nèi)徑12 mm的鋁塑復(fù)合管，回折型敷設(shè)，管間距15 cm。測(cè)試小室供暖面積12.96 m2，高0.6 m。循環(huán)水泵額定功率46 W，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程4 m。

實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)各處狀態(tài)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)均由編寫的組態(tài)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集上傳至PC端數(shù)據(jù)庫，編寫的系統(tǒng)控制程序也由組態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。相應(yīng)的測(cè)試傳感器類型及規(guī)格如表1所示。

1.3 系統(tǒng)熱力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，微通道冷凝蓄熱水箱的蓄熱量[Qh1]可表示為：

[Qh1=cp，wMw（tw，f-tw，o）] （1）

式中：[cp，w]——水的定壓比熱容，J/（kg·K）；[Mw]——水箱內(nèi)部水的質(zhì)量，kg；[tw，f]、[tw，o]——水箱內(nèi)部水的終止、初始水溫，℃。

終止水溫即水箱水溫到達(dá)此設(shè)定溫度時(shí)，熱泵系統(tǒng)停機(jī)的溫度。初始水溫即熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)水箱內(nèi)水溫。同時(shí)，在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間輸送給供暖測(cè)試小室的供熱量[Qh2]可表示為：

[Qh2=0τhpcp，wmw（tw，g-tw，h）?Δτ]""" （2）

式中：[τhp]——熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，s；mw——地暖盤管內(nèi)部水的質(zhì)量流量，kg/s；[tw，g]、[tw，h]——地暖盤管供、回水溫度，℃；[Δτ]——時(shí)間步長，s。

熱泵系統(tǒng)平均制熱功率[Qhp]可表示為：

[Qhp=Qhτhp=Qh1+Qh2τhp]""" （3）

式中：[Qh]——熱泵制熱量，J。

熱泵系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)[COPhp，i]可表示為：

[εhp，i=Qh，iQcom，i] （4）

式中：[εhp，i]——熱泵系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)[（COPhp，i）;][Qh，i]——第[i]個(gè)時(shí)間步長內(nèi)熱泵制熱量，J；[Qcom，i]——第[i]個(gè)時(shí)間步長內(nèi)壓縮機(jī)功耗，J。

供暖系統(tǒng)平均供熱系數(shù)COPs可表示為：

[εs=QhQe=Qh1+Qh2Qcom+Qwp=Qh1+Qh20τhpWcom?Δτ+0τwpWwp?Δτ]"" （5）

式中：[εs]——供暖系統(tǒng)平均供熱系數(shù)[（COPs）;][Qe]——供暖系統(tǒng)輸入電能，J；[Qcom]——壓縮機(jī)能耗，J；[Qwp]——水泵能耗，J；[Wcom]——壓縮機(jī)功率，W；[τwp]——循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間，s；[Wwp]——水泵功率，W。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

R290微通道DX-SAHP地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50019—2016《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求展開，保持測(cè)試室溫度在合格供暖溫度區(qū)間內(nèi)，分析系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況下的供暖性能。熱泵系統(tǒng)在08：00—09：00之間開機(jī)，蓄熱水箱內(nèi)部水溫（簡稱水箱水溫）達(dá)到設(shè)定的終止水溫時(shí)停機(jī)，后續(xù)不再開機(jī)。為增大供暖空間蓄熱量，提高熱泵系統(tǒng)在高太陽輻照度下太陽能熱利用率。在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，控制策略設(shè)定負(fù)載系統(tǒng)室溫維持在20～26 ℃之間；在熱泵系統(tǒng)停機(jī)期間，室溫維持在18～22 ℃之間。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過程中，將測(cè)試小室的室內(nèi)溫度加熱至16 ℃并持續(xù)供暖10 h作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期。

2.2 結(jié)果分析

在2021年1—3月份期間進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，選取典型工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。環(huán)境溫度[ta]、太陽輻照度[I]、風(fēng)速[u]和壓縮機(jī)功耗[Wcom]均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均值，室內(nèi)平均溫度[tr]為一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)室內(nèi)干球溫度均值，地板均溫[tf]為地板9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度均值?？傻贸?，在相同工況下，環(huán)境溫度每升高1 ℃，熱泵系統(tǒng)COP提升2.4%；太陽輻射強(qiáng)度每升高50 W/m2，熱泵系統(tǒng)COP提升4.9%；終止水溫每升高1 ℃，熱泵系統(tǒng)COP降低1.2%。將200 L蓄熱水從（25±4）℃分別加熱至終止水溫為45、50、55 ℃時(shí)，DX-SAHP供暖系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)COP在2.57～4.30之間，供暖系數(shù)COP在2.24～3.98之間，室內(nèi)溫度[tr]在16.1～21.6 ℃之間。以3月25日為例，在平均太陽輻照度[Im]為599 W/m2，平均環(huán)境溫度[ta，m]為18.8 ℃，平均風(fēng)速[um]為0.2 m/s的條件下，水箱水溫[tw]溫升28.7 ℃，熱泵系統(tǒng)COP達(dá)4.30，供暖系數(shù)COP達(dá)3.98。

2.2.1 典型冬季工況系統(tǒng)各參數(shù)瞬時(shí)變化

圖2所示為2021年3月3日典型晴天工況下環(huán)境參數(shù)及供暖系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。測(cè)試時(shí)間段（08：30—21：00），[I]先升高后降低，在74～704 W/m2之間變化，平均值為295 W/m2。[I]在11：00—13：00處于較高水平。[ta]的變化趨勢(shì)與I相似，在3.9～8.8 ℃之間變化，平均值為6.0 ℃。[u]在0.48～1.85 m/s之間變化，平均值為1.31 m/s。圖3所示為不同終止水溫時(shí)，負(fù)載系統(tǒng)（地板輻射供暖系統(tǒng)）的參數(shù)變化情況，其中圖3a為終止水溫為45 ℃時(shí)負(fù)載系統(tǒng)參數(shù)變化情況。

如圖2和圖3a所示，熱泵系統(tǒng)于08：40開機(jī)，水箱初始水溫為21 ℃，熱泵系統(tǒng)持續(xù)加熱，12：05將水箱水溫加熱至45 ℃，熱泵系統(tǒng)停機(jī)。制熱歷時(shí)3.3 h，水箱水溫溫升24 ℃，平均溫升速度7.3 ℃/h。熱泵系統(tǒng)工作期間環(huán)境溫度為4.0～7.8 ℃。負(fù)載系統(tǒng)于08：40同步運(yùn)行，70 min后將室溫加熱至合格供暖溫度，12：14加熱至室溫設(shè)定值26 ℃后停止運(yùn)行。其后隨室溫變化，循環(huán)水泵先后啟動(dòng)3次，以蓄熱水箱熱水為驅(qū)動(dòng)熱源維持室溫在16～22 ℃之間，直至21：00，水箱水溫降至30 ℃，負(fù)載系統(tǒng)停機(jī)。供暖系統(tǒng)運(yùn)行階段，滿足合格供暖溫度時(shí)長10.75 h，占供暖系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)長88%。

圖4所示為2021年3月3日熱泵系統(tǒng)的主要參數(shù)（壓縮機(jī)功率、COP、制熱功率）隨水箱水溫的變化情況?？煽闯?，隨著水箱水溫的升高，壓縮機(jī)功率線性增長，水箱水溫升至45 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功率達(dá)到最大值690 W。制熱功率Qhp隨壓縮機(jī)功率的增大快速升高，水箱水溫升至37.8 ℃時(shí)達(dá)到峰值，隨后急劇下降。同時(shí)，瞬時(shí)COPhp在壓縮機(jī)啟動(dòng)階段小幅上升，其后隨水箱水溫的升高呈微弱下降的趨勢(shì)；水箱水溫升至40 ℃后，瞬時(shí)COPhp快速下降，直至壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，瞬時(shí)COPhp降至最小值2.0。瞬時(shí)COPhp出現(xiàn)小幅波動(dòng)，一方面是環(huán)境工況不穩(wěn)定，另一方面是水箱水溫溫升小，存在測(cè)量誤差等因素。

2.2.2 太陽輻照度及環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響

選取4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析太陽輻照度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如圖5所示。測(cè)試工況為：平均太陽輻照度I分別為0、224、381、701 W/m2，平均環(huán)境溫度為5.2±0.6 ℃，將水箱水溫從23±1 ℃加熱至45 ℃，室內(nèi)溫度維持在18～22 ℃之間。可看出，I由0增至701 W/m2時(shí)，COPhp由2.4增至4.06，相對(duì)提升69.2%。同時(shí)I的增大使制熱功率顯著升高。可得出，[I]每增加50 W/m2，COPhp將提升4.9%，即平均太陽輻照度越大，COPhp越高。這是因?yàn)樘栞椪斩仍酱螅療?蒸發(fā)器吸熱量越多，致使蒸發(fā)壓力升高，壓比減小，壓縮機(jī)功耗降低，從而使COPhp增加。COPs的變化趨勢(shì)與COPhp一致，循環(huán)水泵運(yùn)行，使系統(tǒng)輸入能耗增加，循環(huán)水泵耗功使COPs相比COPhp降幅在14%±1%之內(nèi)。

system performance

選取4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析環(huán)境溫度[ta]對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如圖6所示。測(cè)試工況為：平均環(huán)境溫度為[-2.0]、2.8、7.8、12.5 ℃，平均太陽輻照度為（590±50）W/m2，將水箱水溫從（25±1）℃加熱至55 ℃，室內(nèi)溫度維持在18～22 ℃之間?？煽闯?，[ta]從[-2.4 ℃]增至12.5 ℃時(shí)，COPhp從2.66增至3.68，相對(duì)提升38.3%。同時(shí)ta的增加使制熱功率顯著提升?？傻贸?，ta每升高1 ℃，COPhp將提升2.4%，即較高的環(huán)境溫度能帶來較高的系統(tǒng)收益。這是因?yàn)檩^高的環(huán)境溫度使熱泵工質(zhì)吸收更多環(huán)境中的熱量，進(jìn)而產(chǎn)生較高的蒸發(fā)溫度，最終提高了系統(tǒng)收益。COPs相比COPhp降幅在7%±1%，與終止水溫為45 ℃的實(shí)驗(yàn)工況相比降幅減小，主要原因在下節(jié)分析。

system performance

圖7所示為蒸發(fā)壓力隨太陽輻照度及冷凝壓力隨水箱水溫變化的散點(diǎn)圖，其中蒸發(fā)壓力和冷凝壓力均為集熱/蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口壓力均值。日間工況下，太陽輻照度的增大和環(huán)境溫度的升高，蒸發(fā)壓力緩慢上升；夜間工況下，零輻射且環(huán)境溫度穩(wěn)定，蒸發(fā)壓力變化微弱。冷凝壓力則隨水箱水溫的升高顯著升高，使壓縮機(jī)壓比增大，產(chǎn)生如圖4所示，瞬時(shí)COPhp隨水箱水溫的升高而逐漸下降的趨勢(shì)。同時(shí)，較高太陽輻照度導(dǎo)致較高蒸發(fā)壓力，為維持穩(wěn)定過熱度[tsup]（7～12 ℃），如圖8所示，電子膨脹閥開度[K]隨太陽輻照度的增大

而增大，使系統(tǒng)中熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量[mr]增大，提升系統(tǒng)制熱能力?？煽闯?，電子膨脹閥開度對(duì)太陽輻照度的變化更加敏感。

由圖7還可發(fā)現(xiàn)，在2021年1月16日運(yùn)行過程中，冷凝壓力在水箱水溫加熱至50 ℃時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)。這是因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)運(yùn)行期間，室溫低于供暖設(shè)定溫度值，循環(huán)水泵啟動(dòng)，地暖盤管低溫回水使水箱水溫降低，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)冷凝壓力下降；并且供暖系統(tǒng)前期運(yùn)行時(shí)，負(fù)載系統(tǒng)持續(xù)耗熱，延長熱泵系統(tǒng)在低溫段（35～40 ℃）的制熱時(shí)間。與本課題組前期研究的DX-SAHP制取生活熱水系統(tǒng)［16］相比，由于負(fù)載系統(tǒng)循環(huán)，降低了蓄熱水箱溫升速率，系統(tǒng)長時(shí)間在較低冷凝壓力下運(yùn)行，使得DX-SAHP友好工作溫度（冷凝溫度）范圍與低溫地板輻射供暖相匹配。低輻照度（100～450 W/m2）制取低溫?zé)崴?5～40 ℃），高輻照度（450～800 W/m2）制取高溫?zé)崴?5～55 ℃），增大太陽能熱利用率，降低壓縮機(jī)功耗，提升COPhp，進(jìn)而提高COPs。并且可看到，冷凝壓力對(duì)地暖盤管回水溫度的變化響應(yīng)特別迅速。

對(duì)圖7做相關(guān)性分析，蒸發(fā)壓力與太陽輻照度及冷凝壓力與水箱水溫的R2（擬合優(yōu)度：回歸平方和與總離差平方和的比值）分別為0.84和0.96，水箱水溫對(duì)冷凝壓力有顯著性影響，蒸發(fā)壓力與太陽輻照度有顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.2.3 終止水溫對(duì)系統(tǒng)熱性能影響

選取3組不同終止水溫研究其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。測(cè)試工況為：平均太陽輻照度為650±50 W/m2、環(huán)境溫度為（10±1）℃，初始水溫為26±1.5 ℃，終止水溫[tw，f]分別為45、50、55 ℃。如圖9所示，[tw，f]升高，COPhp顯著降低，[tw，f]升高1 ℃，COPhp降低1.2%。[tw，f]從45 ℃提升至55 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗Wcom增加21.3%，但制熱功率降低4.7%，導(dǎo)致COPhp急劇下降。圖3所示為[tw，f]分別在45 ℃和55 ℃下，室內(nèi)溫度tr、地板均溫[tf]、水箱水溫[tw]和環(huán)境溫度[ta]的變化情況?？煽闯?，[tw，f]為55 ℃工況下，室內(nèi)溫度隨運(yùn)行時(shí)間[ts]呈周期性變化，循環(huán)水泵頻繁啟停使水泵能耗相比[tw，f]為45 ℃的工況下減少52%。由圖9可看出，[tw，f]越低，水泵能耗在系統(tǒng)輸入電能中所占比重越大，導(dǎo)致COPs出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。因此，系統(tǒng)在滿足供暖側(cè)熱負(fù)荷需求29.4 MJ的前提下，設(shè)置[tw，f]為50 ℃是合理且有益的。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并安裝了一套采用丙烷（R290）為工質(zhì)的直膨式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在典型的冬季工況下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了太陽輻照度、環(huán)境溫度和終止水溫等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

1）較高的太陽輻照度和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能有積極影響。太陽輻照度每增加50 W/m2，熱泵系統(tǒng)COP提升4.9%；環(huán)境溫度每升高1 ℃，熱泵系統(tǒng)COP提升2.4%。

2）終止水溫越高，熱泵系統(tǒng)COP越低。當(dāng)終止水溫從45 ℃提升至55 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COP降低12.2%；而在終止水溫為50 ℃時(shí)，供暖系統(tǒng)COP達(dá)到最大值3.37。

3）冷凝壓力與水箱水溫呈線性相關(guān)，地暖盤管回水溫度對(duì)冷凝壓力影響較明顯；蒸發(fā)壓力與太陽輻照度有顯著正相關(guān)關(guān)系。

4）環(huán)境參數(shù)對(duì)熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量的影響較明顯。相較于環(huán)境溫度和風(fēng)速，太陽輻照度對(duì)電子膨脹閥開度和系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量影響更顯著。

5）平均環(huán)境溫度在[-2.4 ℃]以上時(shí)，系統(tǒng)可保證室內(nèi)供暖的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)期間平均室內(nèi)溫度保持在16.1～20.8 ℃，滿足辦公場所供暖要求。

未來的研究將進(jìn)一步考慮相變儲(chǔ)能等蓄能技術(shù)的融合，增大日間儲(chǔ)熱量，實(shí)現(xiàn)全天候供暖，助力直膨式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

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EXPERIMENTAL STUDY ON R290 DIRECT-EXPANSION SOLAR-ASSISTED

HEAT PUMP HEATING SYSTEM

Kong Xiangqiang，Zhang Peng，Xu Xian，Yan Xunzheng， Yue Zhenwei

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Keywords：solar energy； heat pump system； propane； coefficient of performance； radiant floor heating； experiment