收稿日期：2022-08-29

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFD1100704-01）

通信作者：張華玲（1967—），女，博士、教授，主要從事建筑節(jié)能理論與技術(shù)方面的研究。hlzhang@cqu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1300 文章編號：0254-0096（2023）12-0420-05

摘 要：設(shè)計提出一種用于空氣源熱泵的可改變蓄能單元數(shù)量的冷熱水蓄存型末端裝置，并設(shè)置風(fēng)機調(diào)節(jié)其冷熱釋放速率。為探究末端裝置在冷熱蓄放工況蓄能介質(zhì)溫度與室溫變化時的傳熱特性，建立末端裝置的傳熱計算模型并編寫計算程序，搭建實驗平臺測試了實驗數(shù)據(jù)驗證計算模型的正確性。結(jié)果顯示：不同數(shù)量蓄能單元的末端裝置對傳熱特性的影響很小，在邊蓄邊放、自然釋冷釋熱工況向房間放能時，末端裝置的傳熱系數(shù)隨其表面溫度與實驗小室室內(nèi)溫度之差增大而增大，而開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率工況的傳熱系數(shù)約為25.2 W/（m2?K）。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；蓄能；傳熱特性；蓄能單元；末端裝置

中圖分類號：TU831.4""""""""""""""""" """" """""文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

近些年，中國逐步推進農(nóng)村地區(qū)清潔供暖供冷，鼓勵農(nóng)村地區(qū)采用空氣源熱泵成為電力峰谷差調(diào)節(jié)裝置［1-2］。許多學(xué)者提出通過蓄能的方式，在夜間低谷時段蓄存冷熱量，用于白天用電高峰期的供暖供冷，以此降低農(nóng)村住宅供暖供冷費用。針對蓄能式空氣源熱泵系統(tǒng)，許多學(xué)者提出的例如冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)［3］、太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的復(fù)合式供暖系統(tǒng)［4］，PCM相變蓄能系統(tǒng)［5］等，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、初投資較高。相比較而言，水蓄能對環(huán)境友好、成本低廉，對有冷熱需求的地區(qū)可同時實現(xiàn)蓄冷蓄熱，更適用于有冷熱需求的農(nóng)村地區(qū)。焦玉洗［6］提出一種蓄能型空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，利用蓄能水箱在白天溫度高時蓄能，提高熱泵運行能效。王汝金等［7］以北京農(nóng)村住宅為例分析蓄能水箱不同蓄水溫度下的供暖經(jīng)濟性。邱珊珊等［8］針對北京農(nóng)村地區(qū)提出一種翅片微熱管式水蓄熱裝置，并與低溫散熱器末端結(jié)合代替農(nóng)村住宅燃煤供暖。

目前，針對空氣源熱泵水蓄能系統(tǒng)的應(yīng)用中兼顧供暖供冷的較少，大都是在系統(tǒng)中增加一個蓄能水箱，不可避免地存在熱損失［9］。由于農(nóng)村住宅室內(nèi)空間較大，本文針對農(nóng)村地區(qū)提出一種使用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖供冷的水蓄能末端裝置，將冷熱量直接蓄存在房間內(nèi)，避免無效熱損失。

1 水蓄能末端裝置及熱工性能測試

1.1 末端裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過實地調(diào)研以及查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)農(nóng)村居民對室內(nèi)溫度需求范圍較大，希望更低的供冷供暖費用，具有部分時間部分空間使用特點［10-11］。據(jù)此，末端裝置采用模塊化設(shè)計的理念，以蓄能單元蓄存冷熱水，根據(jù)房間的大小選配合適數(shù)量的蓄能單元。蓄能單元內(nèi)部冷熱媒管，通過分、集水器將冷熱媒均勻送至每一個蓄能單元，直接將冷熱量蓄存在供冷供暖房間，無蓄能損失，同時設(shè)置風(fēng)機以調(diào)節(jié)其冷暖釋放速率。圖1為實驗用末端裝置的結(jié)構(gòu)圖，該末端裝置選配8個蓄能單元，蓄能介質(zhì)水100 kg，裝置外殼為不銹鋼，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.2 實驗測試

測試末端裝置的實驗小室（2.9 m×2.6 m×2.8 m）設(shè)置在由泡沫夾芯彩鋼板搭建的簡易人工氣候室內(nèi)，實驗系統(tǒng)布置

如圖2所示。冷熱水媒由一臺額定制熱量為3.25 kW與制冷量為2.95 kW的空氣源熱泵機組提供，其中測點1～4為測試簡易人工氣候室與實驗小室溫度，其中實驗小室內(nèi)壁面、小室豎直高度0.1、1.1、1.7 m處，末端裝置內(nèi)部、蓄能單元、百葉風(fēng)口等位置共布置16個溫度測點。測試內(nèi)容與測試儀器如表2所示。實驗包括谷段電價時段的邊蓄邊放、電價峰值時段的自然釋冷釋熱以及開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率等工況條件。氣候室溫度在供暖工況控制在約10 ℃，供冷工況控制在約35 ℃；熱泵機組輸出的冷熱媒溫度分別為50、7 ℃。冷熱媒流量為8 L/min，末端裝置風(fēng)機開啟的出風(fēng)口風(fēng)速為1.3 m/s。

2 理論計算模型

圖3為末端裝置及其蓄能單元的傳熱計算物理模型。圖3中[Qm]為末端裝置表面對流傳熱量；[QR]為末端裝置表面輻射傳熱量；[Qf]為冷熱媒管道傳熱量；[Qb]為蓄能單元對流傳

熱量；[Qr]為蓄能單元輻射傳熱量。為方便計算，對理論計算進行以下假設(shè)：1）忽略金屬冷熱媒管、蓄能單元壁面、末端裝置壁面的導(dǎo)熱熱阻；2）忽略蓄能單元內(nèi)壁側(cè)的對流傳熱熱阻；3）忽略末端裝置內(nèi)空氣的蓄能；4）開啟風(fēng)機時對流傳熱占主要部分，忽略強迫對流放能末端裝置的輻射傳熱部分。

第[i]時刻水蓄能末端裝置的熱平衡關(guān)系式及傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下文詳述。

2.1 熱泵機組開啟時邊蓄邊放過程

[i]時刻末端裝置的熱平衡：

[Qf（i）=Qw（i）+Qm（i）+QR（i）] （1）

[i]時刻蓄能單元的熱平衡：

[Qm（i）+QR（i）=Qb（i）+Qr（i）]" （2）

其中各部分傳熱的計算分別為：

[Qf（i）=11h1（i）+1h2（i）F1tf1（i）+tf2（i）2-tw（i）]"""""" （3）

[Qm（i）=h4（i）×F3×tb（i）-ta（i）]"""" （4）

[QR（i）=9.3×10-8[（tb（i）+273.15）4-（tq（i）+273.15）4]]" （5）

[Qb（i）=h3（i）×F3×tw（i）-tb（i）]"""" （6）

[Qr（i）=3.6×10-8F3（tw（i）+273.15）4-（tb（i）+273.15）4] （7）

[h1（i）=12.641+dclc233.54Prc（i）0.110.648dc]""""" （8）

[h2（i）=0.1Grw（i）×Prw（i）13λw（i）lc]" （9）

[h3（i）=0.197Grk（i）?Prk（i）14δH19λk（i）lb]""" （10）

[h4（i）=0.59Gra（i）?Pra（i）14λa（i）lb]"""""" （11）

式中：[Qw（i）]——單位時間蓄能單元的蓄冷蓄熱量，W；[h1（i）]、[h2（i）]、[h3（i）]、[h4（i）]——冷熱媒管內(nèi)受迫對流傳熱系數(shù)、冷熱媒管外自然對流傳熱系數(shù)、末端裝置內(nèi)有限空間對流傳熱系數(shù)、末端裝置外表面自然對流傳熱系數(shù)，W/（m2?K）；[F1]、[F3]——冷熱媒管/末端裝置的外表面積，m2；[tf1（i）]、[tf2（i）]、[tw（i）]、[tb（i）][ta（i）]、[tq（i）]——冷熱媒進口溫度、冷熱媒出口溫度、蓄能單元水溫、末端裝置外表面溫度、室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)墻體溫度，℃；[dc]、[lc]、[lb]——冷熱媒管管徑和長度，末端裝置高度，m；[Prc（i）]、[Prw（i）]、[Prk（i）]、[Pra（i）]——冷熱媒、蓄能單元水、末端裝置內(nèi)部空氣、室內(nèi)空氣的普朗特數(shù)；[Grw（i）]、[Grk（i）]、[Gra（i）]、[λw（i）]、[λk（i）]、[λa（i）]——蓄能單元水、末端裝置內(nèi)部空氣、室內(nèi)空氣的格拉曉夫數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2?K）；[δ、H]——末端裝置內(nèi)空氣層厚度、蓄能單元高度，m。

2.2 熱泵機組關(guān)閉后放能過程

2.2.1 自然放冷放熱

[i]時刻自然放能的熱平衡：

[Qa（i）=Qm（i）+QR（i）-Qo（i）]" （12）

[Qo（i）=K5×F4×ta（i）-to（i）] （13）

式中：[Qa（i）]——單位時間室內(nèi)空氣得到的冷熱量，W；[Qo（i）]——實驗小室與室外的傳熱量，W；[K5]——實驗小室墻體的傳熱系數(shù)，W/（m2?K）；[F4]——小室與室外的傳熱面積，m2；[to（i）]——室外空氣溫度，℃。

2.2.2 開風(fēng)機強迫對流放冷放熱

[i]時刻強迫對流放能的熱平衡：

[Qa（i）′=Qb（i）′-Qo（i）]""""" （14）

[Qb（i）′=h3（i）′F2tw（i）-ta（i）+tout（i）2]""""" （15）

[h3（i）′=0.24Rea（i）0.63λa（i）db] （16）

式中：[Qa（i）′]——單位時間室內(nèi)空氣得到的冷熱量，W；[Qb（i）′]——末端裝置受迫對流傳熱量，W；[h3（i）′]——蓄能單元外表面受迫對流傳熱系數(shù)，W/（m2?K）；[F2]——蓄能單元的面積，m2；tout（i）——末端裝置出風(fēng)口溫度，℃；[Rea（i）]——蓄能單元外表面空氣雷諾數(shù)；[db]——蓄能單元直徑，m。

3 末端裝置冷熱蓄放特性

應(yīng)用Matlab編制傳熱計算程序，按實驗條件輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，通過程序計算獲得4～8個蓄能單元的末端裝置在邊蓄邊放、自然釋冷釋熱，以及開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率等工況條件蓄能介質(zhì)溫度及實驗小室溫度如圖4所示。從圖4可看出，在邊蓄邊放工況，熱泵機組開啟4 h后，4～8個蓄能單元的末端裝置蓄能介質(zhì)溫度基本能達(dá)到相同溫度，約為11、47 ℃，各蓄能單元的總蓄熱量約892.5 kJ，總蓄冷量約為472.5 kJ。

蓄能介質(zhì)與冷熱媒的溫差為3～4 ℃，其中4個蓄能單元末端裝置的蓄能介質(zhì)溫度變化速率最快。

在自然釋冷釋熱工況，熱泵機組關(guān)閉12 h后，4個蓄能單元的蓄能介質(zhì)溫度降低或升高的幅度最大，分別從47 ℃降至28 ℃以及從11 ℃升至21.6 ℃，8個蓄能單元的蓄能介質(zhì)溫度變化幅度最小，分別從47 ℃降至31 ℃以及從11 ℃升至19.2 ℃，實驗小室室溫基本能維持在熱泵機組關(guān)機時的溫度。在開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率工況，實驗小室室溫與末端裝置蓄能介質(zhì)溫度降低或升高速率比自然釋冷釋熱工況更快，末端裝置冷熱釋放量也更大，熱泵機組關(guān)閉5 h后，4個蓄能單元的蓄能介質(zhì)溫度分別從47 ℃降至28.5 ℃以及從11 ℃升至24.1 ℃，8個蓄能單元的蓄能介質(zhì)溫度分別從47 ℃降至31.6 ℃以及從11 ℃升至21.6 ℃。

將蓄能單元為8個的末端裝置理論計算與實驗數(shù)據(jù)進行比較，計算其平均絕對偏差（mean deviation，MDEV）在4%～6%范圍，可認(rèn)為理論模型計算精度滿足工程要求。整理理論計算與實驗測試數(shù)據(jù)，以末端裝置壁面平均溫度與實驗小室室內(nèi)溫度之差ΔT為橫坐標(biāo)，末端裝置傳熱系數(shù)為縱坐標(biāo)，獲得末端裝置的傳熱特性如圖5所示。

從圖5可看出，末端裝置在邊蓄邊放、自然釋冷釋熱工況向房間放能時的傳熱系數(shù)[K]值隨溫差的增大而增大，蓄能單元數(shù)量對傳熱特性的影響很小，自然釋熱的傳熱系數(shù)[K=0.13×ΔT+6.61（R2=0.996）]，自然釋冷的傳熱系數(shù)[K=0.08×ΔT+7.37（R2=0.996）]，相對誤差小于1.4%。開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率工況的溫差與蓄能單元數(shù)量對傳熱系數(shù)的影響不大，主要與風(fēng)機風(fēng)速有關(guān)，約為25.2 W/（m2?K），相對誤差小于4.6%。

4 結(jié) 論

為了更好地利用谷段電價，本文設(shè)計提出一種用于空氣源熱泵的可改變蓄能單元數(shù)目的冷熱水蓄存型末端裝置，加工制作8個蓄能單元的末端裝置，并搭建實驗平臺，建立傳熱計算模型且編寫了計算程序，應(yīng)用實驗與理論方法研究得到以下主要結(jié)論：

1）在邊蓄邊放工況，熱泵機組開啟4 h后，4～8個蓄能單元的末端裝置的蓄能介質(zhì)溫度基本能達(dá)到相同溫度，與冷熱媒的溫差3～4 ℃，其中4個蓄能單元末端裝置的蓄能介質(zhì)溫度變化速率最快?？梢罁?jù)谷電時段長短與峰值電價時段所需冷熱耗量，通過改變冷熱媒流量與溫度以及蓄能單元數(shù)目，調(diào)節(jié)蓄冷蓄熱速率與蓄冷蓄熱量。

2）在自然釋冷釋熱工況，熱泵機組關(guān)閉12 h后，4個蓄能單元的蓄能介質(zhì)溫度的變化幅度最大，實驗小室室溫基本能維持在熱泵機組關(guān)機時的溫度?？梢罁?jù)峰電時段房間的需冷需熱量，調(diào)節(jié)末端裝置的蓄冷蓄熱量，通過自然釋冷釋熱方式維持峰電時段房間的熱環(huán)境需求。

3）在開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率工況，實驗小室室溫與末端裝置蓄能介質(zhì)溫度降低或升高速率比自然釋冷釋熱工況快。當(dāng)峰電時段某一時刻房間的需冷需熱量增大時，可開風(fēng)機增大末端裝置釋冷釋熱速率，以維持房間對熱環(huán)境的特別需求。

4）蓄能單元數(shù)量對末端裝置傳熱特性的影響可忽略，在邊蓄邊放、自然釋冷釋熱工況向房間放能時，末端裝置的傳熱系數(shù)與ΔT（末端裝置表面溫度與實驗小室室內(nèi)溫度之差）成線性變化關(guān)系，而開風(fēng)機增大釋冷釋熱速率工況的傳熱系數(shù)約為25.2 W/（m2?K）。

［參考文獻］

［1］"""" 郝楊洋. 北京市農(nóng)村地區(qū)煤改清潔能源供熱技術(shù)與政策研究［D］. 北京： 北京建筑大學(xué)， 2018.

HAO Y Y. Research on technology and policy of coal to clean energy heating in Beijing rural areas［D］. Beijing： Beijing University of Civil Engineering and Architecture， 2018.

［2］"""" 樂慧， 李好玥， 江億. 用空氣源熱泵實現(xiàn)農(nóng)村采暖的“煤改電”同時為電力削峰填谷［J］. 中國能源， 2016， 38（11）： 9-15.

LE H，LI H Y，JIANG Y. Realization of substituting coal with electricity and enhancing the efficiency of electricity allocation by using air source heat pump［J］. Energy of China， 2016， 38（11）： 9-15.

［3］"""" 張寅平. 冰蓄冷研究的現(xiàn)狀與展望［J］. 暖通空調(diào)， 1997， 27（6）： 25-30.

ZHANG Y P. Present state and perspectives of ice cool storage research［J］. Hvamp;Ac，1997， 27（6）： 25-30.

［4］"""" DU H， ZHOU X L， HE L X， et al. Performance analysis of solar and air source heat pump hybrid heating systems applied in Shandong rural area［J］. IOP conference series： earth and environmental science， 2019， 238： 012075.

［5］"""" ORó E， DE GRACIA A， CASTELL A， et al. Review on phase change materials（PCMs）for cold thermal energy storage applications［J］. Applied energy， 2012， 99： 513-533.

［6］"""" 焦玉洗. 蓄能型空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)在重慶居住建筑中的應(yīng)用研究［D］. 重慶： 重慶大學(xué)，2017.

JIAO Y X. Study on sensible heat storage air source heat pump for floor radiant heating system in Chongqing living building［D］. Chongqing： Chongqing University， 2017.

［7］"""" 王汝金， 袁旭東， 賈甲， 等. 蓄熱溫度對水蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)供暖經(jīng)濟性的影響［J］. 制冷與空調(diào)， 2021， 21（2）： 33-37.

WANG R J， YUAN X D， JIA J， et al. Influence of heat storage temperature on heating economy of air source heat pump system with water heat storage［J］. Refrigeration and air-conditioning， 2021， 21（2）： 33-37.

［8］"""" 邱珊珊， 樊洪明， 陳浩南. 翅片微熱管式水蓄熱系統(tǒng)在北京農(nóng)村住宅采暖中的應(yīng)用研究［J］. 建筑科學(xué)， 2019， 35（8）： 43-49.

QIU S S， FAN H M， CHEN H N. Application of water heat storage device in Beijing rural residential heating system［J］. Building science， 2019， 35（8）： 43-49.

［9］"""" 陳明彪， 宋文吉， 王瑛瀅， 等. 跨季節(jié)蓄冷特性與系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化［J］. 太陽能學(xué)報， 2022， 43（6）： 1-7.

CHEN M B， SONG W J， WANG Y Y， et al. Characteristics of seasonal cool storage technology and design" optimization" of" system［J］. Acta" energiae" solaris sinica， 2022， 43（6）： 1-7.

［10］""" 王玉來， 李永安， 蘆志凱， 等. 我國北方農(nóng)村地區(qū)“棄煤”供暖方案探討［J］. 建筑節(jié)能， 2021， 49（1）： 134-139.

WANG Y L， LI Y A， LU Z K， et al. Heating schemes without coal-burning in rural areas of northern China［J］. Building energy efficiency， 2021， 49（1）： 134-139.

［11］""" 王瑩瑩， 康文俊， 劉艷峰， 等. 基于居民行為模式的陜西村鎮(zhèn)民居采暖策略［J］. 太陽能學(xué)報， 2018， 39（11）： 3026-3031.

WANG Y Y， KANG W J， LIU Y F， et al. A heating strategy for rural residential buildings based on behavior patterns of residents in Shaanxi province［J］. Acta energiae solaris sinica， 2018， 39（11）： 3026-3031.

［12］""" 章熙民， 朱彤， 安青松， 等. 傳熱學(xué)［M］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2014： 155-237.

ZHANG X M， ZHU T， AN Q S， et al. Heat transfer［M］. Beijing： China Architecture amp; Building Press， 2014： 155-237.

HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF WATER ENERGY STORAGE TERMINAL DEVICE FOR NEW AIR SOURCE HEAT PUMP

Shao Xuze，Zhang Hualing

（College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China）

Abstract：To make full use of the electricity price in rural areas during the low-valley period and reduce the heating and cooling costs of rural buildings for energy saving and emission reduction，in this paper a cold and hot water storage terminal device for air source heat pumps is innovatively designed，which can change the number of energy storage units. Also，a fan is used to adjust its cold and hot release rate. In order to explore the heat transfer characteristics of the terminal device when the temperature of the energy storage medium and the room temperature change under the cold and hot storage and release conditions，the heat transfer calculation model of the terminal device is established and the calculation program is compiled. The experimental platform is built to obtain the experimental data and verify the correctness of the calculation model. The results show that different numbers of energy storage units have little influence on the heat transfer characteristics of the terminal device. The heat transfer coefficient of the terminal device increases with the increase of the difference between the surface temperature and the indoor temperature of the experimental chamber in the case of energy is discharged and stored simultaneously，also heat is stored and released to room naturally. In addition， the heat transfer coefficient of the terminal device is approximately 25.2 W/（m2?K） when the fan is turned on to increase the heat release rate. The research results can provide a basis for the selection and use of the terminal device capacity in practical engineering.

Keywords：air source heat pumps； energy storage； heat transfer performance； energy storage unit； terminal device