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摘 要 針對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下性能衰減問題，本工作提出了一種準二級壓縮耦合儲能裝置的空氣源熱泵系統(tǒng)，其中儲能裝置是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放大量潛熱的相變蓄熱器，它可在相對穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)高效蓄熱。借助實驗方法測試了該系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的制熱能力、性能系數(shù)(COP)、制冷劑質(zhì)量流量、排氣溫度和能效方面的一系列參數(shù)，并對其經(jīng)濟性進行了分析。實驗結果表明：隨著環(huán)境溫度的降低，制冷劑的質(zhì)量流量和制熱量顯著降低。然而與常見帶經(jīng)濟器的系統(tǒng)相比，準二級壓縮與儲能裝置耦合系統(tǒng)COP、制熱量和?效率即使在惡劣環(huán)境溫度下仍表現(xiàn)出強勁優(yōu)勢，在-30°C的環(huán)境溫度下，耦合系統(tǒng)的COP顯著提高了39.9%，制熱量提升了43.46%，?效率改善了41.8%，日運行成本費用降低4.63元，其中嚴寒氣候條件下日運行成本減小11%，運行成本費用合理，具備很強的市場競爭力。此外，在-5～-30 ℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，排氣溫度可降低4.55～12.78 ℃，制冷劑的質(zhì)量流量可增加11.8%～48.7%。
關鍵詞 準二級壓縮；相變儲能裝置；經(jīng)濟器；空氣源熱泵；制熱性能
隨著光電、風力等新型清潔能源的發(fā)展，供熱終端電氣化是大勢所趨?？諝庠礋岜?air source heat pump, ASHP)因其具有高效能量轉化率和良好環(huán)境效益而被廣泛認為是建筑供暖行業(yè)的最佳選擇之一。然而空氣源熱泵在寒冷地區(qū)會面臨壓縮機排氣溫度升高、制冷劑流量降低和蒸發(fā)器表面結霜等多方面的挑戰(zhàn)，為此研究人員在替代制冷劑、開發(fā)新型空氣源熱泵循環(huán)系統(tǒng)和利用蓄熱技術等方面做了大量工作。
在嚴苛低溫環(huán)境下，準二級壓縮空氣源熱泵相較于傳統(tǒng)的單級壓縮空氣源熱泵具有更佳的運行性能。趙曉丹等提出了一種中壓補氣型空氣源熱泵熱水器，通過引入中壓補氣機制，有效降低了壓縮機的排氣溫度。周光輝等對帶有補氣功能的熱泵系統(tǒng)進行了供熱性能試驗，結果顯示系統(tǒng)排氣溫度下降了8~14 ℃，進一步驗證了補氣技術的可行性。Maddah等設計了一種帶有經(jīng)濟器的空氣源熱泵系統(tǒng)，實驗結果表明加入經(jīng)濟器后系統(tǒng)的性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)和?效率分別提升了7.5%和7.4%。Qi等設計了一種將經(jīng)濟器和閃蒸罐耦合的新型空氣源熱泵系統(tǒng)，與單獨采用經(jīng)濟器補氣或閃蒸罐補氣的系統(tǒng)相比，該耦合系統(tǒng)的制熱能力分別提升6.4%~8.8%與3.2%~6.0%，COP分別提升2.8%~3.3%與1.1%~2.0%，均展現(xiàn)出了更大的性能提升潛力。王家正等提出一種配備閃發(fā)器的空氣源熱泵系統(tǒng)，相較于單級壓縮熱泵系統(tǒng)，該熱泵系統(tǒng)在-15 ℃環(huán)境下的制熱量提高了21.3%，排氣溫度降低了11.3 ℃。
此外，儲能技術被認為是應用于寒冷地區(qū)輔助空氣源熱泵供暖的一種極具前景的方法。Wang等開發(fā)了一種無霜型空氣源熱泵系統(tǒng)，與逆循環(huán)除霜相比，該系統(tǒng)COP在-17 ℃時提高了3.4%。Zou等設計了一種將水作為相變蓄熱介質(zhì)的蓄熱器，相較于傳統(tǒng)蓄熱器，從15℃加熱至55 ℃所需的蓄熱時間縮短了13%，系統(tǒng)COP提高了4.47%。劉紅娟等引入相變蓄熱單元，實現(xiàn)了對冷凝熱的回收利用，并驗證該方案能夠滿足供熱需求。Liu等將蓄熱器作為輔助蒸發(fā)器與主蒸發(fā)器并聯(lián)，通過回收壓縮機余熱來提高吸氣溫度，從而有效降低排氣溫度，并使系統(tǒng)COP提高了0.85%～4.72%。
基于上述調(diào)研可發(fā)現(xiàn)準二級壓縮技術(經(jīng)濟器補氣技術)與儲能技術(相變蓄熱技術)均有助于空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的性能提升。為確保更廣泛用戶群體在極端氣候條件下的供暖需求，上述系統(tǒng)的制熱效率及適用性仍需進一步優(yōu)化。在前期研究基礎上，該工作將準二級壓縮技術(經(jīng)濟器補氣技術)與儲能技術(相變蓄熱技術)相結合，借助實驗方法探究新系統(tǒng)在不同外界溫度下的制熱量、COP、排氣溫度等關鍵宏觀參數(shù)的變化規(guī)律。
1 實驗原理及方法
1.1 熱泵系統(tǒng)原理
本工作提出的空氣源熱泵系統(tǒng)存在三種運行模式：蓄熱模式(模式1)、經(jīng)濟器模式(模式2)和經(jīng)濟器耦合蓄熱器模式(模式3)。圖1和圖2分別給出了三種運行模式的原理圖和壓焓圖。經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)(即準二級壓縮耦合儲能裝置的空氣源熱泵系統(tǒng))的工作流程如下。
圖1 經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖
圖2 經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)壓焓圖
模式1：根據(jù)山西省太原市最冷月份的平均氣溫，將系統(tǒng)平衡溫度設置為-5 ℃。當蒸發(fā)器所在位置的環(huán)境溫度超過-5 ℃時，模式1被激活。在此模式下，電磁閥2和4關閉，電磁閥1和3開啟。來自壓縮機(狀態(tài)2)的過熱制冷劑蒸氣進入冷凝器中凝結為狀態(tài)5。接著液態(tài)制冷劑(狀態(tài)5)流入蓄熱器內(nèi)進一步提取余熱(狀態(tài)6)。過冷制冷劑通過節(jié)流閥的減壓膨脹作用轉變?yōu)闅庖簝上嘀评鋭?狀態(tài)7)。該制冷劑進入蒸發(fā)器后轉變?yōu)轱柡突蜻^熱蒸氣(狀態(tài)7)，最終返回壓縮機完成一個循環(huán)。
模式2：當環(huán)境溫度降至-5 ℃以下(蒸發(fā)溫度降低)時該模式將會被開啟，該工況存在制冷劑流速和制熱能力降低的現(xiàn)象。在此模式下，電磁閥1、4關閉，電磁閥2、3開啟。從冷凝器流出的液態(tài)制冷劑分為兩股。一股通過節(jié)流閥進入經(jīng)濟器，與另一股制冷劑進行熱量交換，然后通過管路進入壓縮機的級間入口(7-12-13-14)。同時，另一股制冷劑流經(jīng)經(jīng)濟器后變?yōu)檫^冷工質(zhì)，然后進入蓄熱器進一步放熱(7-8-9)，其次該股制冷劑經(jīng)過節(jié)流進入蒸發(fā)器內(nèi)吸熱(10-11-1)，最后返回壓縮機。該模式可確保系統(tǒng)在低環(huán)境溫度條件下高效運行。
模式3：隨著環(huán)境溫度的不斷降低，模式2的運行效率逐漸降低。為解決此問題，本工作提出了模式3。此模式是在模式2的基礎上開啟電磁閥4，此時從蓄熱器流出的液態(tài)制冷劑也被分成兩股。其中一股經(jīng)過節(jié)流進入蒸發(fā)器吸熱(11-12-1)，另一股經(jīng)過節(jié)流進入蓄熱器吸熱(10-13-2)，隨后兩股流體在氣液分離器中合并(狀態(tài)3)，最后混合制冷劑進入壓縮機吸氣口。該模式可確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境溫度下仍具有較佳性能。
1.2 實驗平臺搭建
搭建了經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時測量溫度、功率和壓力等參數(shù)。其中為滿足實驗所需的蒸發(fā)溫度與濕度條件，配備了人工模擬環(huán)境室，室內(nèi)安裝了風冷式制冷機組、加濕器和除濕器等設備且室內(nèi)所有實驗條件均由控制系統(tǒng)進行精細調(diào)節(jié)(具有自動調(diào)節(jié)功能)。為確保采集數(shù)據(jù)的準確性與可靠性，實驗選用高精度測量儀器，儀器具體參數(shù)詳見表1。測量參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集，數(shù)據(jù)采集模塊每隔10 s定時自動記錄數(shù)據(jù)。圖3展示了300 s內(nèi)冷凝器出口溫度與壓縮機出口壓力的分布，可以看出所收集的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，故將30組采集數(shù)據(jù)的算術平均值作為計算初值。值得注意的是，所提出的熱泵系統(tǒng)需與現(xiàn)有建筑供暖管道系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等具有兼容性。為確保系統(tǒng)的正常運行，熱泵實驗系統(tǒng)與現(xiàn)有供暖管道系統(tǒng)選用同類型閥門。實驗系統(tǒng)若出現(xiàn)供熱壓力不足的情況，可通過增加水泵功率或更換更高壓力的水泵來解決。實驗系統(tǒng)還需與現(xiàn)有電氣系統(tǒng)進行匹配，包括電壓、電流、頻率等方面的匹配，同時需要協(xié)調(diào)控制邏輯，確保熱泵實驗系統(tǒng)能夠順利接入現(xiàn)有電氣系統(tǒng)，并實現(xiàn)穩(wěn)定運行。如圖4所示，實驗臺由多個部件和測量儀器組成。其核心部件包括渦旋式壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、經(jīng)濟器、蓄熱器、膨脹閥、干燥過濾器和氣液分離器等。渦旋壓縮機的型號為ZW34KS-TFP-582、輸入功率為2.2 kW、壓比為7.34。經(jīng)濟器為板式換熱器，型號為B3-22-10，設計壓力為3.0 MPa，換熱面積為0.45 m2。蓄熱器采用去離子水作為相變材料(phase change material, PCM)，借助固液相變過程和銅管鋁翅片換熱器來實現(xiàn)高效的蓄放熱功能，蓄熱材料的相變溫度為0 ℃，相變潛熱為334 kJ/kg，其固態(tài)導熱系數(shù)為2.22 W/(m·K)，液態(tài)導熱系數(shù)為0.59 W/(m·K)。蓄熱器的結構形式如圖4所示，該蓄熱器采用立式長方體設計，外部尺寸為650 mm×550 mm×1050 mm，外殼采用304不銹鋼制造，內(nèi)部填充50 mm厚的聚氨酯保溫材料以確保良好的熱絕緣性。蓄熱器內(nèi)部存在兩條支路，其中蓄熱支路和放熱支路分別配備兩組、三組銅管鋁翅片換熱器。每個換熱器的外形尺寸均為350 mm×290 mm×70 mm，銅管規(guī)格為Φ 9.52×0.5 mm，翅片厚度為0.1 mm，翅片間距為2.0 mm。
表1 測量儀器型號及參數(shù)
圖3 數(shù)據(jù)采集300 s內(nèi)冷凝器出口溫度和壓縮機出口壓力分布圖：(a) 冷凝器出口溫度分布；(b) 壓縮機出口壓力分布
圖4 經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)實驗平臺
本實驗設置外界環(huán)境溫度分別為15 ℃、10 ℃、5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃共10種工況，均通過人工模擬環(huán)境室實現(xiàn)。本系統(tǒng)所制取的熱水主要用于居民供暖或者提供生活熱水，據(jù)此設置系統(tǒng)中冷凝器進水溫度保持在45 ℃(波動范圍在±0.3 ℃以內(nèi))，根據(jù)所需制熱量求得水流量保持在0.84 m3/h(波動范圍在±0.005 m3/h以內(nèi))。根據(jù)我國北方冬季氣候條件設定空氣相對濕度穩(wěn)定在55%～65%。模式1實驗在15～5 ℃的溫度范圍內(nèi)進行，模式2、模式3實驗在-5～-30 ℃的溫度范圍內(nèi)進行。
1.3 性能評價指標
對于熱泵系統(tǒng)而言，制熱量、性能系數(shù)和?效率是評價其整體性能和效率的關鍵指標。其理論計算公式分別為：
熱泵系統(tǒng)的制熱量：
表2 系統(tǒng)各部件的?損失計算公式
2 系統(tǒng)性能分析
圖5和圖6分別為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到的隨環(huán)境溫度變化的系統(tǒng)制熱量和COP。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)三種模式下的制熱量和COP均隨環(huán)境溫度的降低而降低。在模式1中，制熱能力下降幅度較大，系統(tǒng)制熱量從8.42 kW降至5.54 kW，這是由于環(huán)境溫度降低導致蒸發(fā)溫度減小，進而導致壓縮機的壓比增加。同時，壓縮機的容積效率和流量也會降低，最終導致制熱量與COP下降。在環(huán)境溫度為-5 ℃時，與模式1相比，模式2和3的制熱量與COP都有顯著提高。此現(xiàn)象表明采用經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器(準二級壓縮耦合儲能裝置)可以有效緩解較低蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的不利影響。此外，模式3的性能提升明顯優(yōu)于模式2，這主要得益于相變蓄熱器的引入，其不僅深度利用了冷凝器出口制冷劑的熱量(即通過進一步過冷而降低焓值)，而且相變蓄熱器還起到了輔助蒸發(fā)器的作用(即進一步增加系統(tǒng)熱量的攝入)。
圖5 不同運行模式下制熱量隨環(huán)境溫度的變化
圖6 不同運行模式下COP隨環(huán)境溫度的變化
圖7為制冷劑流量隨環(huán)境溫度的變化圖。由圖可知，耦合系統(tǒng)制冷劑流量隨環(huán)境溫度降低而減小。當環(huán)境溫度為-5 ℃時，模式2與模式3中制冷劑流量明顯增加，而在-15 ℃時，模式2的制冷劑流量急劇下降，這是由于隨著環(huán)境溫度持續(xù)降低，系統(tǒng)總制冷劑流量降低導致了經(jīng)濟器補氣量下降。而在相同溫度工況下，模式3的制冷劑流量始終大于模式2，且隨溫度的降低其下降幅度也逐漸減緩，這是因為相變蓄熱器的加入不僅增加了制冷劑蒸發(fā)量以至于制冷劑總流量增加，而且相變蓄熱器處制冷劑的蒸發(fā)溫度不受環(huán)境溫度影響以至于制冷劑流量更加穩(wěn)定。
圖7 不同運行模式下制冷劑流量隨環(huán)境溫度的變化
為了進一步比較模式2和模式3的系統(tǒng)制熱量和COP的大小，以模式2作為基準采用相對增幅來說明此問題，制熱量相對增幅()與COP相對增幅(β)的表達式如下：
圖8給出了模式3中環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱量增幅和COP增幅的影響變化，由圖可知，隨著環(huán)境溫度的降低，模式3相較于模式2，制熱量提高了21.54%～43.46%，COP提高了19.06%～30.9%。進一步分析數(shù)據(jù)可知，雖然經(jīng)濟器的加入使得系統(tǒng)制冷劑流量增加，但是隨著溫度的進一步降低，制冷劑流量仍然下降至極低水平。結合圖6可知，在環(huán)境溫度為-30 ℃時，模式2的制冷劑流量為64.08 kg/h，而模式3的制冷劑流量為95.4 kg/h，相比模式2提高了48.88%。這是由于模式3不僅有經(jīng)濟器的輔助還有蓄熱器的共同作用，盡管蒸發(fā)器處制冷劑流量有所減小，但是通過經(jīng)濟器與蓄熱器之間的協(xié)同作用，系統(tǒng)的總制冷劑流量仍能維持在較高水平。
圖8 制熱量增幅和COP增幅隨環(huán)境溫度的變化
圖9展示了在不同環(huán)境溫度下壓縮機排氣溫度的變化。由圖可知，隨著環(huán)境溫度的降低，壓縮機的排氣溫度呈現(xiàn)上升的趨勢。在-5 ℃工況下，模式2與模式3排氣溫度大幅降低，同時，當環(huán)境溫度為-30 ℃時，模式2的排氣溫度為113.86 ℃，而模式3的排氣溫度僅為101.08 ℃，顯著低于模式2。這一差異主要是受到制冷劑流量和壓比的影響，在輸入功一定的條件下，制冷劑流量越大，單位制冷劑的溫升則越小，導致排氣溫度降低。此外由于蓄熱器處制冷劑蒸發(fā)壓力較高，吸氣壓力也隨之提高，從而降低了壓縮機的壓比，進而降低了排氣溫度。
圖9 不同運行模式下壓縮機的排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化
圖10為系統(tǒng)的輸入?、輸出?以及?損隨環(huán)境溫度的變化情況。由圖可知，雖然兩種模式的輸入?均隨著環(huán)境溫度的下降而減小，但模式3的輸出?卻出現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且模式3的?損在升高后又出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是由于環(huán)境溫度的降低直接導致了制冷劑流量的下降，進而引起輸入?和輸出?的下降。而模式3中輸出?下降后又出現(xiàn)上升趨勢，主要是由于蓄熱器的加入減緩了系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量下降的速度，也就是制熱量下降幅度小于溫差增加的幅度。
圖10 不同運行模式下輸入?、輸出?、?損隨環(huán)境溫度的變化
圖11展示了?效率隨環(huán)境溫的度變化情況。在模式2中，?效率隨著環(huán)境溫度的降低而降低，而在模式3中，隨著環(huán)境溫度的降低，?效率呈現(xiàn)先降后升的趨勢。根據(jù)?平衡關系，?效率受到?損失和輸出?的影響，由于壓縮機功率的變化很小，?損失的增加和輸出?的減少會導致?效率的降低。值得注意的是，模式3中?效率始終介于55%～60%，即使環(huán)境溫度降低，?效率也相對穩(wěn)定。
圖11 不同運行模式下?效率隨環(huán)境溫度的變化
對耦合系統(tǒng)兩種模式(模式2：經(jīng)濟器模式，即傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)；模式3：經(jīng)濟器耦合蓄熱器模式，即準二級壓縮耦合儲能裝置的熱泵系統(tǒng))進行經(jīng)濟性分析，熱泵系統(tǒng)在選定場景下的日運行成本計算公式如下：
式中，S為計算氣候場景的日運行成本，元；ai為當?shù)禺敃r電價，元/kWh；ti為計算時間，s；Qi為計算時刻建筑的熱負荷，W；COPi為計算時刻考慮風機、水泵電耗的熱泵綜合COP。
表3給出了居民建筑只采用空氣源熱泵供熱多場景的日運行成本。從計算結果可以看出在不考慮其他因素時采用經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器(即準二級壓縮耦合儲能裝置)的空氣源熱泵在所選建筑供暖運行時的經(jīng)濟性較高。模式3日運行成本費用比模式2低4.63元。相變蓄熱器在低溫環(huán)境下可以通過提高制熱量和COP提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，且供暖場景的平均氣溫越低，模式3的經(jīng)濟性優(yōu)勢比模式2越大，在氣溫最低的小雪紛飛場景中模式3相比模式2的日運行成本低11%。
表3 低溫工作模式下熱泵供暖日運行成本
3 結 論
本工作提出了一種準二級壓縮耦合儲能裝置(經(jīng)濟器耦合相變蓄熱器)的空氣源熱泵系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)性能測試平臺，并在不同環(huán)境溫度下對該系統(tǒng)的三種模式進行了實驗研究，得到以下結論：
（1）蓄熱器在回收制冷劑余熱方面起著至關重要的作用，特別是在環(huán)境溫度較高的情況下。其通過在低環(huán)境溫度下提高壓縮機的吸入溫度以及降低排氣溫度來優(yōu)化系統(tǒng)效率。隨著環(huán)境溫度的降低，上述功能變得更加明顯，從而可以顯著提高系統(tǒng)性能。
（2）在環(huán)境溫度為-5 ℃～-30 ℃時，模式3利用蓄熱器作為系統(tǒng)的輔助熱源提供額外熱量。即使在-30 ℃的極低環(huán)境溫度下COP依然可達2.44，與模式2相比，模式3的COP提高了19.06%～39.9%，制熱量增加了21.54%～43.46%，排氣溫度降低了4.55～12.78 ℃，制冷劑的流量增加了11.8%～48.7%。
（3）制冷劑的流量隨著環(huán)境溫度的降低而減小，造成?損的增加以及?效率的降低。在模式3中，蓄熱器的加入保證了制熱能力和制熱效率的穩(wěn)定性和可靠性，?效率可提升21.6%～41.8%。
（4）相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)，準二級壓縮耦合儲能裝置的空氣源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性提升顯著，日運行成本費用低4.63元，其中嚴寒氣候條件下日運行成本低11%。
