王林軍,劉　偉,張　東,高章維,門　靜

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;

2.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州　730050)

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寒冷地區(qū)低溫空氣源熱泵輻射供暖實(shí)驗(yàn)研究

王林軍1,2,劉偉1,2,張東2,高章維1,2,門靜1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;

2.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州730050)

摘要為了解決常規(guī)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)性能低的普遍問題,在蘭州地區(qū)建立了一套噴氣增焓空氣源熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng),開展冬季供暖實(shí)驗(yàn)研究,并且進(jìn)行了供暖性能分析。結(jié)果表明:空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在寒冷條件下能穩(wěn)定輸出熱能,室內(nèi)溫度保持在14～20 ℃,系統(tǒng)能夠滿足冬季供暖的需求;在環(huán)境溫度為-12.9 ℃時(shí),綜合考慮水泵及風(fēng)機(jī)耗功,系統(tǒng)COP大于1.85,但供暖最低溫度未達(dá)到Ⅱ級熱舒適要求,設(shè)定較低供暖溫度下限有利于系統(tǒng)節(jié)能;COP、地暖工作時(shí)間與環(huán)境溫度密切相關(guān);該空氣源熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)在蘭州等寒冷地區(qū)應(yīng)用具有良好的節(jié)能效果,尤其是在未提供集中供暖的農(nóng)村地區(qū)具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞寒冷地區(qū);空氣源熱泵;供暖;系統(tǒng)COP

我國現(xiàn)有供暖方式主要為燃煤集中供暖,存在管網(wǎng)建設(shè)投資大、廢氣廢渣污染嚴(yán)重、能源利用率低、空氣污染加重等問題,急需一種清潔的供暖方式[1]。

熱泵供暖正是一種清潔的供暖方式,且其在我國北方地區(qū)運(yùn)行具有良好的前景[2],但常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)低溫制熱性能并不理想,存在室外蒸發(fā)器結(jié)霜、熱泵性能較低等問題[3]。針對以上問題,Wu等[4]提出雙級耦合空氣源熱泵供暖系統(tǒng),在所有典型城市的節(jié)能率都超過20%;李金平等[5]建立了一套多能互補(bǔ)的熱泵系統(tǒng),初步揭示了系統(tǒng)節(jié)能特性,定量分析雙熱源模式系統(tǒng)制熱量提升機(jī)理;Busato等[6]將多源空氣源熱泵系統(tǒng)利用到學(xué)校建筑中,不同來源的整合不僅增加了系統(tǒng)的制熱性能,正確調(diào)整室內(nèi)溫度可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能;Redón等[7]分析優(yōu)化了兩級蒸汽噴射熱泵系統(tǒng),得到了相關(guān)性能系數(shù)和排氣溫度標(biāo)準(zhǔn)等;Roh等[8]驗(yàn)證熱泵熱水器使用噴氣增焓技術(shù)后加熱和冷卻能力都有所增加而系統(tǒng)COP有所降低;Hakkaki-Fard等[9]利用共沸點(diǎn)的制冷劑混合物來提高空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的性能;Madonna等[10]應(yīng)用氣候補(bǔ)償策略提高年度性能19%以上;Zhu等[11]提出將雙嘴噴射器應(yīng)用到太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)中,使用制冷劑R410理論上的性能系數(shù)可提高4.60%~34.03%;郭寬民等[12]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明蒸發(fā)器為翅片式的空氣源熱泵結(jié)霜時(shí)間短;Han等[13]實(shí)驗(yàn)證明利用相變儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)熱在環(huán)境溫度低時(shí)除霜是可行的且有優(yōu)勢的;Zhang等[14]驗(yàn)證了固體干燥劑涂在的換熱器表面的空氣源熱泵熱水器性能比普通空氣源熱泵熱水器高5%～30%。由此可見,國內(nèi)外許多學(xué)者在空氣源熱泵供暖研究方面取得了大量有價(jià)值的研究成果,但空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在蘭州等寒冷地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用研究尤其是長期應(yīng)用性能研究還不充分,基于此,建立了低溫型空氣源熱泵供暖系統(tǒng),對其在蘭州地區(qū)的實(shí)際供暖性能進(jìn)行實(shí)測分析。

1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)位于蘭州地區(qū),供熱對象為坡頂平房,具體測試房間參數(shù)如表1所列,測試空氣源熱泵供暖系統(tǒng)參數(shù)如表2所列。

表1　供暖房間參數(shù)

表2　熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的原理圖,它主要由空氣源熱泵(蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、膨脹閥、板式換熱器)、水箱(含換熱盤管)、地暖及循環(huán)水泵等組成。蒸發(fā)器吸收空氣中的低位熱能經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后加熱水箱中的水,加熱后的水經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入地暖散熱,達(dá)到供暖的目的。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、電磁流量計(jì)、(溫度、壓力、功率)傳感器組成。傳感器安裝位置如圖1所示,所有溫度采用PT100鉑電阻溫度傳感器測量,A級精度;壓力傳感器精度0.5% FS,壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵耗功由功率傳感器測量,其精度為0.5級;電磁流量計(jì)測量循環(huán)水流量,其精度為±0.5%;數(shù)據(jù)采集周期為30 s。

圖1　空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)原理Fig.1　Schematic diagram of air source heat pump radiation heating system

2性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)熱泵COPh和系統(tǒng)COPs通過如下方法計(jì)算:

熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPh:

(1)

系統(tǒng)性能系數(shù)COPs:

(2)

全天平均系統(tǒng)性能系數(shù)COPe:

(3)

其中:Pc為壓縮機(jī)功率,單位(W);Pp為熱泵側(cè)循環(huán)泵功率和地暖側(cè)循環(huán)泵功率之和,單位(W);Qw,A為全天熱水得熱量,單位(W);Pc,A為全天壓縮機(jī)功率和,單位(W);Pp,A為全天循環(huán)泵功率和,單位(W)。

熱水得熱量Qw計(jì)算式為

Qw=cwρqv(tout-tin),

(4)

其中:cw為水的定壓比熱容,單位(J/(kg· ℃)-1);ρ為熱泵機(jī)組進(jìn)水流量,單位(kg/m3);qv為熱泵機(jī)組循環(huán)水體積流量,單位(m3/s);tout為機(jī)組出水溫度,單位(℃);tin為機(jī)組進(jìn)水溫度,單位(℃)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)定水箱水溫范圍為42~50 ℃,室內(nèi)溫度范圍為14~20 ℃,共得到141天供暖期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究選取幾組典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析低溫型空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的冬季供暖性能。

3.1熱舒適度需求

圖2為2014年1月21日供暖房間24小時(shí)環(huán)境溫度和室內(nèi)溫度變化曲線。從圖2可知,2014年1月21日蘭州最低環(huán)境溫度為-11.17 ℃,最高環(huán)境溫度為7.94 ℃,平均環(huán)境溫度為-2.98 ℃,全天氣溫較低,環(huán)境溫度波動(dòng)范圍大,房間內(nèi)最低溫度為13.94 ℃,最高溫度為18.59 ℃,室內(nèi)溫度仍能保持在14~20 ℃且溫度波動(dòng)小,基本滿足冬季供暖要求,冬季室內(nèi)溫度一般應(yīng)在16～22 ℃[15],達(dá)到Ⅱ級熱舒適,地板輻射供暖,室內(nèi)溫度應(yīng)為17～19 ℃[16],民用建筑供暖最低溫度為16 ℃[17],故本系統(tǒng)供暖最低溫度未達(dá)到冬季室內(nèi)溫度最低標(biāo)準(zhǔn)、Ⅱ級熱舒適和民用建筑供暖最低溫度。在不明顯影響熱舒適度的前提下,設(shè)定較低供暖溫度有益于系統(tǒng)節(jié)能。

圖2　供暖房間24 h室內(nèi)外溫度變化Fig.2　Viaration diagram of 24-hour indoor and outdoor temprature in heating rooms

3.2性能分析

圖3、圖4分別為2014年1月1日和2013年11月11日的環(huán)境溫度及COP的變化曲線。2013年11月11日溫度較高,最低環(huán)境溫度為3.48 ℃,最高環(huán)境溫度9.14 ℃,全天平均環(huán)境溫度5.48 ℃,水箱水溫變化較慢,全天熱泵啟動(dòng)次數(shù)較少,僅3次,運(yùn)行111 min,熱泵運(yùn)行平均環(huán)境溫度4.85 ℃,平均熱泵COP為2.91。2014年1月1日溫度較低,最低環(huán)境溫度為-12.90 ℃,最高環(huán)境溫度為1.77 ℃,全天平均環(huán)境溫度為-6.32 ℃,水箱水溫變化較快,全天熱泵啟動(dòng)頻繁,達(dá)11次,運(yùn)行421 min,熱泵運(yùn)行平均環(huán)境溫度-7.94 ℃,平均熱泵COP為2.23。由圖3、圖4可得,熱泵工作主要時(shí)間段為下午18點(diǎn)到上午10點(diǎn),這是因?yàn)榇藭r(shí)間段溫度低,房間散熱快,房間需要地暖提供的熱量較多。對照圖3中2014年1月1日熱泵啟停時(shí)刻和地暖工作時(shí)刻可得表3。由圖3、表3可知,熱泵需多次制熱才能滿足地暖一次供暖的需求;COP、地暖工作時(shí)間與環(huán)境溫度密切相關(guān),環(huán)境溫度越高,熱泵COP、系統(tǒng)COP越高,地暖工作時(shí)間越短;環(huán)境溫度越低,熱泵COP、系統(tǒng)COP越小,地暖工作時(shí)間越長;環(huán)境溫度高時(shí),機(jī)組運(yùn)行次數(shù)少、時(shí)間短;環(huán)境溫度較低時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)多、時(shí)間長。系統(tǒng)運(yùn)行最理想的狀況是盡可能讓其在較高環(huán)境溫度下工作,并把熱量儲(chǔ)存在水箱中,以備地暖需要時(shí)利用,所以適用于空氣源熱泵的熱存儲(chǔ)技術(shù)研究是十分有必要的,可以從控制策略、水箱體積和儲(chǔ)熱介質(zhì)等方面入手研究熱存儲(chǔ)技術(shù)。

圖3　2014年1月1日全天環(huán)境溫度與COP變化Fig.3　Viaration diagram of whole day ambient temperature and COP on January 1st, 2014

圖4　2013年11月11日全天環(huán)境溫度與COP變化Fig.4　Viaration diagrams of whole day ambient temperature and COP on November 11th, 2013

時(shí)間熱泵工作持續(xù)時(shí)間/min工況平均環(huán)境溫度/℃平均熱泵COP平均系統(tǒng)COP地暖工作時(shí)段地暖工作持續(xù)時(shí)間/min00:00~00:011停機(jī)-9.1600:00~03:4822800:02~00:1312制熱-9.102.021.7900:14~01:0754停機(jī)-9.5201:08~01:4740制熱-9.902.101.8501:48~02:4659停機(jī)-9.3402:47~03:3246制熱-9.482.131.8703:33~05:38126停機(jī)-10.2605:39~06:4163制熱-11.742.031.7805:27~9:5726306:42~07:3655停機(jī)-12.0807:37~08:2952制熱-11.492.061.8108:30~09:2657停機(jī)-9.6009:27~10:0337制熱-8.742.161.9110:04~14:28265停機(jī)-2.8514:20~15:398014:29~14:5123制熱-0.552.632.3014:52~15:2130停機(jī)0.5815:22~15:4928制熱-0.012.642.3215:50~18:3849停機(jī)-1.4018:19~20:5916118:39~19:2244制熱-4.382.382.0919;23~20:1654停機(jī)-4.7320:17~20:5741制熱-6.582.322.0420:58~23:25148停機(jī)-6.4523:24~24:003723:26~24:0035制熱-7.142.312.03

經(jīng)計(jì)算可得:蘭州2013年11月11日全天平均系統(tǒng)COPe1為4.28,蘭州2014年1月1日全天平均系統(tǒng)COPe2為1.85。空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在溫度較高時(shí),系統(tǒng)COP可以達(dá)到4.28;在溫度較低時(shí),系統(tǒng)COP仍可以達(dá)到1.85,由中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集查詢可得蘭州典型年月最低平均環(huán)境溫度為1月的-5.5 ℃,高于2014年1月1日平均氣溫,則本系統(tǒng)在蘭州冬季供暖平均熱泵COP大于1.85,所以空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在蘭州應(yīng)用具有良好的節(jié)能性,適用于蘭州等寒冷地區(qū),尤其是在未提供集中供暖的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用具有一定的可行性。

4結(jié)論

(1)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在蘭州可正常運(yùn)行,室內(nèi)溫度保持在14~20 ℃,基本滿足冬季供暖要求,但最低溫度未達(dá)到冬季室內(nèi)溫度最低標(biāo)準(zhǔn)(16 ℃)、Ⅱ級熱舒適(17~19 ℃)和民用建筑供暖最低溫度(16 ℃)。

(2)水箱水溫下限溫度過高,使系統(tǒng)COP有所減小,本系統(tǒng)具有優(yōu)化潛力,設(shè)定較低的水箱水溫下限使系統(tǒng)COP增大可進(jìn)一步提高系統(tǒng)節(jié)能性。

(3)COP、地暖工作時(shí)間與環(huán)境溫度密切相關(guān)。環(huán)境溫度較低,熱泵啟動(dòng)頻繁,所以從控制策略、水箱體積和儲(chǔ)熱介質(zhì)等方面入手研究熱存儲(chǔ)技術(shù)是十分有必要的。

(4)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在蘭州冬季供暖平均系統(tǒng)COP大于1.85,所以空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在蘭州應(yīng)用具有良好的節(jié)能性,適用于蘭州等寒冷地區(qū),尤其是在未提供集中供暖的農(nóng)村地區(qū)具有一定的可行性。

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Experimental Study on Radiation Heating of Low Temperature Air Source Heat Pump in Cold Areas

Wang Linjun1,2,Liu Wei1,2,Zhang Dong2,Gao Zhangwei1,2,Men Jing1,2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.ChinaWesternEnergyandEnvironmentResearchCenter,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractIn order to solve the common problem that conventional air source heat pump has a low application system performance in cold areas,an enhanced vapor injection air source heat pump low temperature floor radiation heating system was set up in Lanzhou to carry out a winter heating experimental study,and a heating performance analysis was also conducted.The results showed that:air source heat pump heating system can stably output heat energy in cold conditions,with the indoor temperature at 14~20 ℃,that is,the system can meet the heating demand in winter;in case of a -12.9 ℃ ambient temperature,comprehensively considering the pump and fan power consumption,the system COP is greater than 1.85,but the lowest heating temperature does not reach the II level thermal comfort requirements,so to set a lower heating temperature limit is conducive to energy conservation;COP and working time of floor heating are closely related to ambient temperature;the air source heat pump low temperature floor radiation heating system has good energy saving effect in Lanzhou and other cold areas,especially for the rural areas where central heating is not provided,its application has certain feasibility.

Key wordsCold areas;Air source heat pump;Heating;System COP

中圖分類號(hào):TB69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0077-06

作者簡介:王林軍(1963-)，男，陜西寶雞人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD、新能源利用技術(shù)等.E-mail:wanglinjun@lut.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51166008);甘肅省建筑科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2014-48);蘭州理工大學(xué)紅柳青年教師培養(yǎng)計(jì)劃(Q201410).

收稿日期:2014-11-24;修回日期:2014-12-26.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.018.

引用格式:Wang Linjun,Liu Wei,Zhang Dong,etal.Experimental Study on Radiation Heating of Low Temperature Air Source Heat Pump in Cold Areas[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):77-82.[王林軍,劉偉,張東,等.寒冷地區(qū)低溫空氣源熱泵輻射供暖實(shí)驗(yàn)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):77-82.]