收稿日期：2021-11-18

基金項目：山東省重大科技創(chuàng)新工程項目（2019JZZY020801）

通信作者：代彥軍（1971—），男，博士、教授，主要從事太陽能熱利用方面的研究。yjdai@sjtu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1411 文章編號：0254-0096（2023）04-0487-05

摘 要：以直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的集熱/蒸發(fā)器為研究對象，設(shè)計一種新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器，通過實驗對比測試其在換熱能力、溫度均勻性、流動壓力損失方面與原型集熱/蒸發(fā)器的差異。研究結(jié)果表明：在環(huán)境溫度為4.7 ℃，平均輻照度為454.8 W/m2的工況條件下，采用新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器的系統(tǒng)COP可達到4.3，得熱因子為1.752，無量綱壓強損失系數(shù)為0.05，均優(yōu)于原型集熱/蒸發(fā)器，為集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計優(yōu)化理論提供了實驗驗證。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱器；熱泵系統(tǒng)；蒸發(fā)器；性能系數(shù)；得熱因子

中圖分類號：TK513.5 文獻標志碼：A

0 引 言

太陽能作為一種清潔、無污染、無限的可再生能源，發(fā)展迅速［1］。直膨式太陽能熱泵作為一種有效的太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用形式，具有傳熱效率高、成本低、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)勢［2］，受到了研究學(xué)者的普遍關(guān)注。

集熱/蒸發(fā)器作為直膨式太陽能熱泵的核心部件，其換熱性能的優(yōu)劣是決定熱泵是否高效、節(jié)能的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者以集熱/蒸發(fā)器為主要研究和優(yōu)化對象展開了相關(guān)研究。Borode等［3］對比納米流體等不同工質(zhì)，研究了工質(zhì)傳熱性能對集熱/蒸發(fā)器效率的影響。Bhowmik 等［4］發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有平板太陽能集熱器系統(tǒng)中添加反射器可將集熱效率提高 10% 以上。孫曉琳等［5］針對集熱/蒸發(fā)器的流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，研究了太陽輻照度對于蛇形管集熱/蒸發(fā)器和管板式集熱/蒸發(fā)器性能的影響。

綜上可看出，集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計與優(yōu)化直接影響了整個直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的運行效果［6］。本文研究一種新型直膨式太陽能集熱/蒸發(fā)器，并搭建實驗平臺，對其進行性能測試，同時與市場上現(xiàn)行流通的一款集熱/蒸發(fā)器（以下簡稱“原型集熱/蒸發(fā)器”）進行性能對比。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

采用噴氣增焓循環(huán)的直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由壓縮機、電子膨脹閥、經(jīng)濟器、太陽能集熱/蒸發(fā)器、冷凝器、水箱組成。其工作原理為：經(jīng)冷凝后的制冷劑一部分作為主回路工質(zhì)，直接進入經(jīng)濟器放熱，經(jīng)2號膨脹閥節(jié)流后，在集熱/蒸發(fā)器中吸熱，而后進入壓縮機進行一次壓縮；另一部分制冷劑作為輔路，先經(jīng)過1號膨脹閥節(jié)流后，進入經(jīng)濟器與主回路工質(zhì)換熱，然后在壓縮機中與進行過一次壓縮的主回路工質(zhì)混合后進行二次壓縮。相較于常規(guī)的直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用噴氣增焓［7］的方式實現(xiàn)了低溫環(huán)境下系統(tǒng)的正常運行。

1.2 系統(tǒng)配置

實驗系統(tǒng)配置如表1所示。該系統(tǒng)采用雙板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的集熱，通過雙電子膨脹閥控制主路和輔路的制冷劑流量與狀態(tài)。

1.3 集熱/蒸發(fā)器

本文以增強換熱能力、減小流動阻力和提升直膨式太陽能熱泵的集熱/蒸發(fā)器均溫性為研究目標［8］，對集熱/蒸發(fā)器展開設(shè)計。該系統(tǒng)選用的集熱/蒸發(fā)器如圖2所示，相較于原型集熱/蒸發(fā)器，新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器同樣采用了冷媒進出口均位于集熱/蒸發(fā)器下端的設(shè)計。不同的是，原型集熱/蒸發(fā)器整體采用直線型流道設(shè)計；新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器在冷媒進出口和兩相發(fā)展區(qū)域采用六邊形結(jié)構(gòu)單元，整體傳熱性能更高，溫度分布均勻性更好，有助于冷媒充分吸熱，迅速由過冷狀態(tài)向兩相狀態(tài)、兩相狀態(tài)向過熱狀態(tài)的過渡轉(zhuǎn)化。在冷媒到達集熱/蒸發(fā)器整版上端后流動方向改變，且此時兩相流體的湍流特征更加明顯，流動阻力進一步增強。故新型優(yōu)化版型在拐角區(qū)域采用直列分布的四邊形結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，并在局部結(jié)構(gòu)上微調(diào)冷媒流動分布，使整體壓降最小。新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器的參數(shù)如表2所示。

2 實驗結(jié)果

2.1 評價指標

本文以集熱/蒸發(fā)器的得熱因子、無量綱壓強損失系數(shù)、均溫性作為評價指標，針對兩種集熱/蒸發(fā)器進行比較分析。其中，得熱因子為：

[ε=PsIt?Ad]""" （1）

式中：[ε]——得熱因子；[Ps]——系統(tǒng)的得熱功率，W；[It]——集熱/蒸發(fā)器安裝面上的太陽輻照度，W/m2；[Ad]——集熱/蒸發(fā)器的面積，m2。

無量綱壓強損失系數(shù)［9］為：

[p′=plosspave=peva，in-peva，out1/2?peva，in+peva，out]""""" （2）

式中：[p′]——無量綱壓強損失系數(shù)；[ploss]——集熱/蒸發(fā)器中的壓強損失，Pa；[pave]——集熱/蒸發(fā)器中的平均壓強，Pa；[peva，in]——集熱/蒸發(fā)器的入口壓強，Pa；[peva，out]——集熱/蒸發(fā)器的出口壓強，Pa。

2.2 原型集熱/蒸發(fā)器測試

原型集熱/蒸發(fā)器的性能指標在以下工作條件下進行測定：進行日間測試時，環(huán)境溫度為1.7 ℃，平均輻照度為576.4 W/m2，環(huán)境風(fēng)速為0～3 m/s；進行夜間測試時，環(huán)境溫度為[-2.3 ℃]，平均輻照度為0 W/m2，環(huán)境風(fēng)速為0～1.5 m/s。

如表3所示，在日間測試工況下，系統(tǒng)性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）為4.1，無量綱壓強損失系數(shù)為0.19，得熱因子為1.504，集熱量較高，系統(tǒng)處于高效運行狀態(tài)，但集熱/蒸發(fā)器壓降較大。

如表4所示，在夜間測試工況下，系統(tǒng)COP為1.26，無量綱壓強損失系數(shù)為0.157，夜間系統(tǒng)性能較差，且在低溫環(huán)境下其集熱量不足，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)下降。

2.3 新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器測試

新型集熱/蒸發(fā)器的性能指標在以下工作條件下進行測定：進行日間測試時，環(huán)境溫度為4.7 ℃，平均輻照度為454.8 W/m2，環(huán)境風(fēng)速為1.5～4 m/s；進行夜間測試時，環(huán)境溫度為0.7 ℃，平均輻照度為0 W/m2，環(huán)境風(fēng)速為0～1.5 m/s。

如表5所示，在日間測試工況下，系統(tǒng)COP為4.3，無量綱壓強損失系數(shù)為0.05，相較于原型集熱/蒸發(fā)器，其在較低的輻照條件下有更高的得熱因子，單位面積集熱量更高，集熱性能更好。

如表6所示，在夜間測試工況下，系統(tǒng)COP為1.81，無量綱壓強損失系數(shù)為0.51。系統(tǒng)性能下降的主要原因在于集熱量不足。

2.4 性能對比分析

將原型與新型集熱/蒸發(fā)器部件進行性能對比，日間和夜間條件下對比結(jié)果如表7、表8所示。

從集熱性能角度來看，新型優(yōu)化部件有更高的得熱因子，得熱能力更強。采用新型優(yōu)化部件可有效提高系統(tǒng)性能，無論是在日間條件還是夜間條件下，系統(tǒng)COP均高于采用原型部件的系統(tǒng)。且系統(tǒng)在日間有輻照條件下運行時，新型優(yōu)化部件測試時輻照度更小，而環(huán)境溫度比原型部件測試高。因此，較低的輻照條件下達到更高的得熱因子和系統(tǒng)COP的新型優(yōu)化部件的優(yōu)勢更為明顯。

從流動損失角度來看，原型部件采用直線型流道設(shè)計，由于其當量流道面積小，導(dǎo)致流動阻力較大，日間條件下其無量綱壓強損失系數(shù)約為0.19，而新型優(yōu)化部件則采用多通道的六邊形耦合棋盤型流道設(shè)計，日間條件下其無量綱壓強損失系數(shù)約為0.05，相較于原型集熱/蒸發(fā)器降低約73.7%的流動阻力。而在夜間條件下，采用新型優(yōu)化部件的系統(tǒng)的無量綱壓強損失系數(shù)較大，這主要是因為夜間干度較低，導(dǎo)致液相流動阻力大，從而造成較大的壓力損失。

從板溫均勻性角度來看，實驗采用熱成像儀測定兩種集熱/蒸發(fā)器的溫度分布情況，由于并未進行標定，因此測點顯示的溫度不是實際值，但測點間的溫度差值和整體溫度分布是相對準確的。如圖3和圖4所示，新型優(yōu)化部件的表面最大溫差均低于原型部件的表面最大溫差，溫度均勻性優(yōu)于原型部件。提高部件溫度的均勻性有利于提高系統(tǒng)性能和延長集熱/蒸發(fā)器壽命。在日間條件下，由于輻照度較大，系統(tǒng)的過熱度較高，可達到9～15 ℃，因此導(dǎo)致日間新型優(yōu)化部件進出口溫差較大，板溫的均勻性降低。但從圖3可看出，集熱/蒸發(fā)器內(nèi)大部分制冷劑存在逐漸蒸發(fā)的過程，理想狀態(tài)為出口剛好過熱，因此新型優(yōu)化部件性能仍符合預(yù)期要求。

因此，綜合多個角度考量，新型優(yōu)化部件的性能優(yōu)于原型部件。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計并優(yōu)化了直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的集熱/蒸發(fā)器部件，通過理論分析并結(jié)合實驗測試驗證，獲得了原型與新型優(yōu)化部件在相應(yīng)工況條件下的系統(tǒng)運行情況。得出如下主要結(jié)論：

1）新型優(yōu)化集熱/蒸發(fā)器的集熱性能更好，有更高的得熱因子，在日間測試工況下達到1.752。

2）采用新型優(yōu)化部件能有效提高系統(tǒng)性能，系統(tǒng)COP在日間工況條件下達到4.3，在夜間工況條件下達到1.81，均高于原型部件。

3）采用新型優(yōu)化部件能有效提高部件的溫度均勻性，但在輻照度較大時，系統(tǒng)過熱度較高，溫度均勻性下降。在日間有輻照工況下，采用新型優(yōu)化部件能有效減小流動壓力損失，但在夜間干度較低時，壓力損失較大。

［參考文獻］

［1］"""" KABIR E， KUMAR P， KUMAR S， et al. Solar energy： potential""" and""" future"" prospects［J］.""" Renewable""" and sustainable energy reviews， 2018， 82： 894-900.

［3］"""" BORODE A， AHMED N， OLUBAMBI P， et al. A review of" solar" collectors" using" carbon-based" nanofluids［J］. Journal of cleaner production， 2019， 241： 118311.

［4］"""" BHOWMIK H， AMIN R. Efficiency improvement of flat plate" solar" collector" using" reflector［J］. Energy" reports， 2017， 3： 119-123.

［5］"""" SUN X L， WU J Y， DAI Y J， et al. Experimental study on roll-bond collector/evaporator with optimized-channel used in direct expansion solar assisted heat pump water heating system［J］. Applied thermal engineering， 2014， 66（1-2）： 571-579.

［6］"""" 李郁武， 王如竹， 王泰華， 等. 直膨式太陽能熱泵熱水器熱力性能分析及優(yōu)化設(shè)計［J］. 太陽能學(xué)報， 2007， 28（5）： 464-471.

LI Y W， WANG R Z， WANG T H， et al. Experimental performance analysis and optimization of a direct expansion solar assisted heat pump water heater［J］. Acta energiae solaris sinica， 2007， 28（5）： 464-471.

［7］"""" 李冠群， 孫曉琳， 陳金峰， 等. 基于光電/光熱一體化的太陽能熱泵性能分析［J］. 化工學(xué)報， 2016， 67（增刊2）： 291-297.

LI G Q， SUN X L， CHEN J F， et al. Performances of PV/T solar-assisted" heat" pump" system［J］. CIESC" journal， 2016， 67（S2）： 291-297.

［8］"""" 李郁武， 王如竹， 王泰華， 等. 直膨式太陽能熱泵熱水器運行特性的實驗研究［J］.工程熱物理學(xué)報， 2006 ， 27（6）： 923-925.

LI Y W， WANG R Z， WANG T H， et al. Experimental study"" on"" the"" operational"" characteristics"" of"" direct expansion" solar" assisted" heat" pump" water" heater［J］. Journal of engineering thermophysics， 2006， 27（6）： 923-925.

［9］"""" YAO J， CHEN E J， DAI Y J， et al. Theoretical analysis on efficiency factor of direct expansion PVT module for heat pump application［J］. Solar energy， 2020， 206： 677-694.

COMPARATIVE EXPERIMENTAL RESEARCH ON PERFORMANCE OF TWO DIRECT EXPANSION SOLAR HEAT PUMP

COLLECTORS/EVAPORATORS

Zheng Sihang，Yao Jian，Zhao Yao，Chen Daochuan，Dai Yanjun

（School of Mechanical Engineering， Engineering Research Center of Solar Energy and Refrigeration， MOE，

Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：Taking the collector evaporator of the direct expansion solar heat pump system as the research object， a new type of optimized collector/evaporator was designed， and the differences in heat transfer capacity， temperature uniformity， and flow pressure loss between the prototype component and the optimized one were tested through experimental comparison. The research results show that under the working conditions of an ambient temperature of 4.7 ℃ and an average radiation intensity of 454.8 W/m2， the COP of the system using the new optimized components can reach 4.3， the heat gain factor is 1.752， and the dimensionless pressure loss is 0.05， which are better than the prototype components. It provides experimental verification for the design optimization theory of the collector/evaporator.

Keywords：solar collector； heat pump system； evaporator； coefficient of performance； heat gain factor