热泵的供热系数与制冷系数的关系(太阳能空气源复合热泵系统的理论与实验分析)

为了提高热泵的供热性能系数(COPH),美国太阳能热利用先驱Jordan和Threlkeld[1]于20世纪50年代首先提出了直膨式太阳能辅助热泵的概念。此后,美国、日本、瑞典、澳大利亚等发达国家学者研究开发出各种型式的太阳能热泵系统,进行分析和实验测试。1979年,Chaturvedi等[2]对直膨式太阳能辅助热泵在饱和稳定工况下的性能进行了初步的理论研究;并指出,在其他条件一定的情况下,集热器面积与压缩机容量是否匹配直接影响着系统的热力性能。Ito等[3]通过理论分析研究了太阳辐射、热水温度等参数对系统的影响,并对集热板的机构参数进行了优化分析。Kaygusuz等[4-5]对SAHP系统的研究结果表明,串联系统热泵机组的能效比及集热效率更高,但并联系统更省电节能。

图1 太阳能空气源复合多功能热泵系统

Fig.1 Schematic diagram of SAS-HPWH prototype

1—太阳能蒸发器;2—翅片管换热器;3—压缩机;4—板式换热器1;5—板式换热器2;6—保温水箱; 7—水箱;8,9—循环水泵;10—储液器;11—过滤器;12,13,14,15—阀门; 16—空气源温度调节器;17,18—流量计;19—温控加热器

我国的天津大学、厦门大学、上海交通大学、东南大学、中国科学技术大学等也较早地开展了太阳能热泵相关理论及实验研究。上海交通大学、东南大学等学校近十年来对直膨式太阳能热泵热水系统研究,特别是系统热力分析、优化运行控制等方面开展了详实的工作[6-15]。但在样机研究方面,系统部件本身并未实现优化设计,并且对系统各部件之间的匹配关系的深入研究也较为缺乏,从而限制了系统性能的进一步提高。

本实验构建的建筑热能源综合利用系统如图1所示。将直膨式太阳能热泵和空气源热泵一体化结合,系统在制冷模式时对空调机组的冷凝热进行热量回收和高效利用,制取生活热水,实现空调冷水和生活热水联供。系统以直膨式太阳能热泵和空气源热泵模式制取冬季空调用热水进行供暖兼制取全年生活热水;夏季则可通过两个板式水冷换热器实现空调冷水和生活热水的联供模式,系统实现全年不同天气工况下不同模式高效稳定运行。实验采用混合制冷剂R417a,集热板以高吸收涂层铝平板为吸热板,背面滚压成型半圆形凹槽,放置铜管并以铝制桥型件焊接固定,使集热管圆周各方向均与吸热板紧密接触,相比传统太阳能集热蒸发器直接焊接或胶粘方式,减小了接触热阻,提高了传热性能。

1 太阳能空气源复合热泵供热系统理论分析

本文通过对系统构建模拟模型,分析系统的性能及太阳辐射强度对系统的影响。模拟系统中的热泵压缩机额定功率为2.5 k W,太阳能集热蒸发板的尺寸为2000 mm×1000 mm。流入板式换热器中的水温保持在40℃。

单位管长的壁面传热量如式(1)所示[16]

式中,W为集热管间距,F\'为蒸发器的效率因子,Is为太阳辐射强度,τ、α分别为集热器的透射率和集热率,UL为集热器的热损失系数,Tf和Ta分别为集热板温度和环境温度。

式中,Do和Di分别为管子的外、内径,F为翅片的效率因子,Cb为管板间的效率因子,hfi为流体与管内壁间的传热系数。

其中

,λ为翅片热导率,δ为翅片f厚度。

以典型的环状流强制对流蒸发传热公式计算制冷剂在两相区局部传热系数[17]

式中,hl,e表示制冷剂纯液相时的传热系数,以标准Dittus-Boelter公式计算;Xtt为Martinelli数

压缩机耗功计算如式(9)所示[18]

式中,mr为制冷剂制冷流量,ηcomp为压缩机电效率,v1为压缩机吸气比容,Pcond为冷凝压力,Peva为蒸发压力,m为多变指数。

板式换热器模型为

板式冷凝器的传热系数为

式中,αc为凝结传热系数,αw为水侧传热系数,Rp、Rw、Rc分别为板片热阻、水侧污垢热阻和制冷侧油膜热阻。

对所建立的模型进行太阳能辐射强度变化的模拟分析,选择春季的工况参数进行计算,太阳辐射强度变化及计算结果如图2、图3所示。

图2 太阳辐射强度及集热效率随时间变化

Fig.2 Variations of solar radiation intensity and collector efficiency with time

图3 集热量及COP随时间变化

Fig.3 Variations of heat output of condenser and COP with time

2 实验研究结果及分析

在冬冷夏热地区对实验样机开展了不同天气情况下的性能测试,分析系统各外界工况参数对系统运行特性的影响规律,定量上获取了系统性能系数(COP)、热水温度、集热效率等重要性能评价参数和不同天气情况下系统的运行情况。

2.1 夏季冷热水联供工况

在晴天工况下,对系统冷暖联供运行模式的性能进行测试。实验系统中关闭电磁阀12、13、15,打开电磁阀14;开启循环水泵9,关闭水泵8。制冷剂首先在板式换热器2中蒸发,产生冷冻水,运行达到冷水名义工况条件后,再开启循环水泵8,制冷剂冷凝热量在板式换热器1中传递给循环水,加热储水箱中的生活热水,再将多余的冷凝热在翅片管换热器中释放到环境中。系统将12℃的冷冻水进水冷却至7℃的同时将生活热水由18℃加热至55℃。COP随着水温的不断升高而降低。在实验运行期间,系统的COP最高值为9.9,最低值为4.0,平均值为6.0。

2.2 春季制热水工况

在春季晴天,测试系统制热水的运行性能。实验期间的平均环境温度为15.6℃,太阳辐射强度均值为856.6 W·m-2。图4、图5分别表示春季工况下制热量和COP随时间变化以及太阳辐射强度和集热效率随时间的变化。由图可知,实验开始时集热效率快速增加,因为集热板在太阳照射下的初始温度很高,之后集热效率随集热板温度的下降而下降;集热效率与太阳辐射强度呈负相关变化[19-20],这是因为制冷剂的过热度随着太阳辐射的增强而增大,虽然制热量有所提升,但是集热板内制冷剂吸热效率却在降低。由图5可知,太阳辐射强度越高,平板集热器的集热效率也越低。从图4可以看出,COP随着时间逐渐减小,而制热量并未发生明显变化,表明随着水温升高,压缩机功率逐渐增加,而对制热量的影响并不大,整个加热过程平均COP为5.8。

图4 制热量和COP随时间变化

Fig.4 Variations of heat output of condenser and COP with time

图5 太阳辐射强度和集热效率随时间变化

Fig.5 Variations of solar radiation intensity and collector efficiency with time

2.3 冬季供暖工况

在冬季晴天,对系统供暖运行性能进行测试。实验期间的太阳辐射强度如图6所示,根据之前模拟的情况,控制板式换热器2的入口水温为40℃。

从图6、图7可知,实验结果与模拟结果趋势相同,但由于系统中部件的热量散失、管道中的压力损失等因素,导致实验结果的集热效率和COP均小于模拟值。由图7可知,太阳辐射强度稳定的情况下,COP和集热效率均与制热量的变化保持同步,出现微小的振荡;在太阳辐射强度突然减弱时,制热量虽有减少,但幅度较小,这是由于集热板通过空气源补充部分制热量,因此集热效率随之升高至1.53,而COP也略有减小。

图6 太阳辐射强度和制热量随时间变化

Fig.6 Variations of solar radiation intensity and heat output of condenser with time

图7 COP和集热效率随时间变化

Fig.7 Variations of COP and collector efficiency with time

从图8可以看出压缩机功率的变化主要与进水温度有关,压缩机功率随着水温的降低而减小。从图9可以看出,在压比小于3的范围内,压缩机功率与压比呈反相关的变化关系。整个制热过程的平均COP为5.3,表明在冬季晴天,能够达到良好的制热效果。

图8 压缩机功率和进水温度随时间变化

Fig.8 Variations of compressor power consumption and water temperature with time

图9 压缩机功率和压比随时间变化

Fig.9 Variations of compressor power consumption and pressure ratio with time

3 结 论

在夏热冬冷地区,本系统可全年为家庭提供多方面需求。在环境温度较低时可利用太阳能提高系统性能。在冬季晴天,将水从15℃加热到55℃的平均COP在4.0以上;将水从40℃加热至45℃时, COP在5.0以上。在夏季时,生产生活热水的同时提供冷量,系统的平均性能系数达到了6.0。

同时通过理论分析探究太阳能辐射强度、集热效率、COP三者之间的关系,探究压缩机容量与平板集热面积之间关系对系统性能的影响。从理论分析可知,当冷凝温度不变时,压缩机功率变化不大;若此时太阳辐射强度提高,如图3所示,则系统集热量和COP均增加,表明系统制热效果得到提升;但由于随着蒸发温度的提高,铜管内制冷剂的过热度也随之增大,此时平板后半段的换热效果变差,在压缩机功率不变的情况下,提高辐射强度的太阳能并不能被有效吸收,因此出现了集热效率下降的情况。在设计系统时,应根据需求考虑集热效率与COP之间的权衡关系。若太阳辐射强度不变时,如图7所示,COP和集热效率随着集热量同步变化。

实验数据的变化趋势与理论分析相同,但理论中的集热效率与COP均比实际情况好,主要由于在理论分析中未考虑系统特别是集热板内部的压降,导致实际的过热度要大于理论值,理论的换热和吸收好于实际情况。因此应尽量降低集热板内的压降,同时防止出现集热板出口制冷剂过热严重的现象。由于天气原因太阳辐射强度可能发生较大波动,虽然系统通过电子膨胀阀调节制冷剂压力,但会出现调节延迟和波动的现象,由于压缩机无法实时匹配太阳辐射强度的变化,导致压缩机功率难以与固定面积的平板完全匹配。因此在太阳能热泵系统的优化改进中使用变频压缩机、结合相变材料,将是降低太阳辐射强度波动影响的有效方法。