王林军,刘　伟,张　东,高章维,门　静

(1.兰州理工大学 机电工程学院,甘肃 兰州　730050;

2.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心,甘肃 兰州　730050)



寒冷地区低温空气源热泵辐射供暖实验研究

王林军1,2,刘伟1,2,张东2,高章维1,2,门静1,2

(1.兰州理工大学 机电工程学院,甘肃 兰州730050;

2.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心,甘肃 兰州730050)

摘要为了解决常规空气源热泵在寒冷地区应用系统性能低的普遍问题,在兰州地区建立了一套喷气增焓空气源热泵低温地板辐射供暖系统,开展冬季供暖实验研究,并且进行了供暖性能分析。结果表明:空气源热泵供暖系统在寒冷条件下能稳定输出热能,室内温度保持在14～20 ℃,系统能够满足冬季供暖的需求;在环境温度为-12.9 ℃时,综合考虑水泵及风机耗功,系统COP大于1.85,但供暖最低温度未达到Ⅱ级热舒适要求,设定较低供暖温度下限有利于系统节能;COP、地暖工作时间与环境温度密切相关;该空气源热泵低温地板辐射供暖系统在兰州等寒冷地区应用具有良好的节能效果,尤其是在未提供集中供暖的农村地区具有一定的可行性。

关键词寒冷地区;空气源热泵;供暖;系统COP

我国现有供暖方式主要为燃煤集中供暖,存在管网建设投资大、废气废渣污染严重、能源利用率低、空气污染加重等问题,急需一种清洁的供暖方式[1]。

热泵供暖正是一种清洁的供暖方式,且其在我国北方地区运行具有良好的前景[2],但常规空气源热泵系统低温制热性能并不理想,存在室外蒸发器结霜、热泵性能较低等问题[3]。针对以上问题,Wu等[4]提出双级耦合空气源热泵供暖系统,在所有典型城市的节能率都超过20%;李金平等[5]建立了一套多能互补的热泵系统,初步揭示了系统节能特性,定量分析双热源模式系统制热量提升机理;Busato等[6]将多源空气源热泵系统利用到学校建筑中,不同来源的整合不仅增加了系统的制热性能,正确调整室内温度可进一步提高系统性能;Redón等[7]分析优化了两级蒸汽喷射热泵系统,得到了相关性能系数和排气温度标准等;Roh等[8]验证热泵热水器使用喷气增焓技术后加热和冷却能力都有所增加而系统COP有所降低;Hakkaki-Fard等[9]利用共沸点的制冷剂混合物来提高空气源热泵在寒冷地区的性能;Madonna等[10]应用气候补偿策略提高年度性能19%以上;Zhu等[11]提出将双嘴喷射器应用到太阳能辅助空气源热泵系统中,使用制冷剂R410理论上的性能系数可提高4.60%~34.03%;郭宽民等[12]经过实验证明蒸发器为翅片式的空气源热泵结霜时间短;Han等[13]实验证明利用相变储热材料储热在环境温度低时除霜是可行的且有优势的;Zhang等[14]验证了固体干燥剂涂在的换热器表面的空气源热泵热水器性能比普通空气源热泵热水器高5%～30%。由此可见,国内外许多学者在空气源热泵供暖研究方面取得了大量有价值的研究成果,但空气源热泵供暖系统在兰州等寒冷地区的实际应用研究尤其是长期应用性能研究还不充分,基于此,建立了低温型空气源热泵供暖系统,对其在兰州地区的实际供暖性能进行实测分析。

1系统实验装置

实验测试系统位于兰州地区,供热对象为坡顶平房,具体测试房间参数如表1所列,测试空气源热泵供暖系统参数如表2所列。

表1　供暖房间参数

表2　热泵系统结构参数

图1为空气源热泵供暖系统的原理图,它主要由空气源热泵(蒸发器、压缩机、膨胀阀、板式换热器)、水箱(含换热盘管)、地暖及循环水泵等组成。蒸发器吸收空气中的低位热能经压缩机压缩后加热水箱中的水,加热后的水经循环泵进入地暖散热,达到供暖的目的。整个数据采集系统由数据采集仪、电磁流量计、(温度、压力、功率)传感器组成。传感器安装位置如图1所示,所有温度采用PT100铂电阻温度传感器测量,A级精度;压力传感器精度0.5% FS,压缩机、风机和水泵耗功由功率传感器测量,其精度为0.5级;电磁流量计测量循环水流量,其精度为±0.5%;数据采集周期为30 s。

图1　空气源热泵辐射供暖系统原理Fig.1　Schematic diagram of air source heat pump radiation heating system

2性能指标

系统性能评价指标热泵COPh和系统COPs通过如下方法计算:

热泵机组性能系数COPh:

(1)

系统性能系数COPs:

(2)

全天平均系统性能系数COPe:

(3)

其中:Pc为压缩机功率,单位(W);Pp为热泵侧循环泵功率和地暖侧循环泵功率之和,单位(W);Qw,A为全天热水得热量,单位(W);Pc,A为全天压缩机功率和,单位(W);Pp,A为全天循环泵功率和,单位(W)。

热水得热量Qw计算式为

Qw=cwρqv(tout-tin),

(4)

其中:cw为水的定压比热容,单位(J/(kg· ℃)-1);ρ为热泵机组进水流量,单位(kg/m3);qv为热泵机组循环水体积流量,单位(m3/s);tout为机组出水温度,单位(℃);tin为机组进水温度,单位(℃)。

3实验结果与分析

空气源热泵供暖系统设定水箱水温范围为42~50 ℃,室内温度范围为14~20 ℃,共得到141天供暖期的实验数据。研究选取几组典型的实验数据分析低温型空气源热泵供暖系统的冬季供暖性能。

3.1热舒适度需求

图2为2014年1月21日供暖房间24小时环境温度和室内温度变化曲线。从图2可知,2014年1月21日兰州最低环境温度为-11.17 ℃,最高环境温度为7.94 ℃,平均环境温度为-2.98 ℃,全天气温较低,环境温度波动范围大,房间内最低温度为13.94 ℃,最高温度为18.59 ℃,室内温度仍能保持在14~20 ℃且温度波动小,基本满足冬季供暖要求,冬季室内温度一般应在16～22 ℃[15],达到Ⅱ级热舒适,地板辐射供暖,室内温度应为17～19 ℃[16],民用建筑供暖最低温度为16 ℃[17],故本系统供暖最低温度未达到冬季室内温度最低标准、Ⅱ级热舒适和民用建筑供暖最低温度。在不明显影响热舒适度的前提下,设定较低供暖温度有益于系统节能。

图2　供暖房间24 h室内外温度变化Fig.2　Viaration diagram of 24-hour indoor and outdoor temprature in heating rooms

3.2性能分析

图3、图4分别为2014年1月1日和2013年11月11日的环境温度及COP的变化曲线。2013年11月11日温度较高,最低环境温度为3.48 ℃,最高环境温度9.14 ℃,全天平均环境温度5.48 ℃,水箱水温变化较慢,全天热泵启动次数较少,仅3次,运行111 min,热泵运行平均环境温度4.85 ℃,平均热泵COP为2.91。2014年1月1日温度较低,最低环境温度为-12.90 ℃,最高环境温度为1.77 ℃,全天平均环境温度为-6.32 ℃,水箱水温变化较快,全天热泵启动频繁,达11次,运行421 min,热泵运行平均环境温度-7.94 ℃,平均热泵COP为2.23。由图3、图4可得,热泵工作主要时间段为下午18点到上午10点,这是因为此时间段温度低,房间散热快,房间需要地暖提供的热量较多。对照图3中2014年1月1日热泵启停时刻和地暖工作时刻可得表3。由图3、表3可知,热泵需多次制热才能满足地暖一次供暖的需求;COP、地暖工作时间与环境温度密切相关,环境温度越高,热泵COP、系统COP越高,地暖工作时间越短;环境温度越低,热泵COP、系统COP越小,地暖工作时间越长;环境温度高时,机组运行次数少、时间短;环境温度较低时,系统运行次数多、时间长。系统运行最理想的状况是尽可能让其在较高环境温度下工作,并把热量储存在水箱中,以备地暖需要时利用,所以适用于空气源热泵的热存储技术研究是十分有必要的,可以从控制策略、水箱体积和储热介质等方面入手研究热存储技术。

图3　2014年1月1日全天环境温度与COP变化Fig.3　Viaration diagram of whole day ambient temperature and COP on January 1st, 2014

图4　2013年11月11日全天环境温度与COP变化Fig.4　Viaration diagrams of whole day ambient temperature and COP on November 11th, 2013

时间热泵工作持续时间/min工况平均环境温度/℃平均热泵COP平均系统COP地暖工作时段地暖工作持续时间/min00:00~00:011停机-9.1600:00~03:4822800:02~00:1312制热-9.102.021.7900:14~01:0754停机-9.5201:08~01:4740制热-9.902.101.8501:48~02:4659停机-9.3402:47~03:3246制热-9.482.131.8703:33~05:38126停机-10.2605:39~06:4163制热-11.742.031.7805:27~9:5726306:42~07:3655停机-12.0807:37~08:2952制热-11.492.061.8108:30~09:2657停机-9.6009:27~10:0337制热-8.742.161.9110:04~14:28265停机-2.8514:20~15:398014:29~14:5123制热-0.552.632.3014:52~15:2130停机0.5815:22~15:4928制热-0.012.642.3215:50~18:3849停机-1.4018:19~20:5916118:39~19:2244制热-4.382.382.0919;23~20:1654停机-4.7320:17~20:5741制热-6.582.322.0420:58~23:25148停机-6.4523:24~24:003723:26~24:0035制热-7.142.312.03

经计算可得:兰州2013年11月11日全天平均系统COPe1为4.28,兰州2014年1月1日全天平均系统COPe2为1.85。空气源热泵供暖系统在温度较高时,系统COP可以达到4.28;在温度较低时,系统COP仍可以达到1.85,由中国建筑热环境分析专用气象数据集查询可得兰州典型年月最低平均环境温度为1月的-5.5 ℃,高于2014年1月1日平均气温,则本系统在兰州冬季供暖平均热泵COP大于1.85,所以空气源热泵供暖系统在兰州应用具有良好的节能性,适用于兰州等寒冷地区,尤其是在未提供集中供暖的农村地区应用具有一定的可行性。

4结论

(1)空气源热泵供暖系统在兰州可正常运行,室内温度保持在14~20 ℃,基本满足冬季供暖要求,但最低温度未达到冬季室内温度最低标准(16 ℃)、Ⅱ级热舒适(17~19 ℃)和民用建筑供暖最低温度(16 ℃)。

(2)水箱水温下限温度过高,使系统COP有所减小,本系统具有优化潜力,设定较低的水箱水温下限使系统COP增大可进一步提高系统节能性。

(3)COP、地暖工作时间与环境温度密切相关。环境温度较低,热泵启动频繁,所以从控制策略、水箱体积和储热介质等方面入手研究热存储技术是十分有必要的。

(4)空气源热泵供暖系统在兰州冬季供暖平均系统COP大于1.85,所以空气源热泵供暖系统在兰州应用具有良好的节能性,适用于兰州等寒冷地区,尤其是在未提供集中供暖的农村地区具有一定的可行性。

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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

中图分类号:TB69

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0077-06

作者简介:王林军(1963-)，男，陕西宝鸡人，教授，硕士生导师，研究方向为机械CAD、新能源利用技术等.E-mail:wanglinjun@lut.cn.

基金项目:国家自然科学基金项目(51166008);甘肃省建筑科技攻关项目(JK2014-48);兰州理工大学红柳青年教师培养计划(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.[王林军,刘伟,张东,等.寒冷地区低温空气源热泵辐射供暖实验研究[J].甘肃科学学报,2016,28(1):77-82.]