胡文举，常默宁，金 帆，邵正日，叶 凌

（1.北京建筑大学 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100044；2.营口理工学院 机械与动力工程学院，辽宁 营口 115000；3.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

空气源热泵供暖具有许多优点，已被欧盟各国以及我国部分省市列入可再生能源技术范畴[1]。然而，空气源热泵在实际应用时存在低温适用性差、运行策略不当导致机组能效低等问题。将蓄热技术与空气源热泵相结合是解决上述问题的有效手段，因此，将蓄热技术与空气源热泵相结合的研究备受关注。魏泽辉开展了蓄热型太阳能-空气源热泵互补供热系统的正交优化研究，得到互补供热系统费用年值与太阳能保证率的最佳匹配点[2]。闫泽滨提出了太阳能-相变蓄热蒸发型空气源热泵复合供热系统，该系统有效提高了空气源热泵供暖性能与可靠性[3]。孟新巍提出了空气源热泵复合低谷电蓄能供暖系统并针对该系统开展研究，得到了经济性最优和节能性最优控制策略下的最短初投资回收期[4]。Zou Deqiu对带有相变蓄热的空气源热泵热水器进行实验研究发现，在水箱外增设相变蓄热材料有助于保持水箱温度的均匀性，以及提高系统供热性能[5]。Li Yantong针对空气源热泵提出了热水外掠管群式相变蓄热器，并通过实验得到蓄热器内水的流量与蓄热时间、能耗之间的关系[6]。Zhihua Wang对带有双温螺旋盘管相变蓄热的空气源热泵系统进行研究，并提出了该系统的优化运行策略[7]。韩玮将太阳能、空气源热泵与相变蓄热技术集成，提出了复合型热水系统，通过实验发现，相变蓄热材料有利于延长水箱的热水供应时间，提升了系统的供热性能，并能够更好地进行温度分层[8]。Ni Long提出了带有相变蓄热的太阳能辅助空气源热泵系统，并对该系统的可行性、制热性能及其影响因素进行研究，实验结果表明，与常规热泵相比，该系统具有更好的灵活性、制热性能与稳定性[9]，[10]。综上可知，将空气源热泵与相变蓄热技术研究重点集中在新型系统集成、系统性能评价、蓄热器设计及其蓄、释热特性影响因素分析。

本文对我国典型城市最冷月的日逐时室外空气平均温度进行分析，并结合空气源热泵的运行特性、建筑供暖负荷规律和人们的用能规律，提出一种新型相变蓄热型空气源热泵系统，通过白天高温时段蓄热、夜间低温时段释热，最终实现弥补低温时段空气源热泵供热能力的不足。本文针对相变蓄热型空气源热泵系统的蓄、释热特性与供热性能进行实验研究，并提出该系统供暖节能运行的温度条件。

1 相变蓄热型空气源热泵系统原理与翅片管式相变蓄热器的设计

1.1 相变蓄热型空气源热泵系统原理

北京、兰州、沈阳地区最冷月（1月）室外空气平均温度随时间的变化情况如图1所示。

图1 北京、兰州、沈阳地区1月室外空气平均温度随时间的变化情况Fig.1 Hourly average temperature in Beijing，Lanzhou and Shenyang in January

由图1可知，北京、兰州、沈阳白天与夜间最大温度差分别为7.8，10.9，10.4℃，室外温度变化幅度较大。因此，白天运行空气源热泵的能效高于夜间。特别是北京，8:00-17:00室外平均气温在-3℃以上，白天气温非常适合空气源热泵运行。但在实际生活中，白天供暖负荷较小，甚至无需供暖。因此，为了减少空气源热泵在低温时段（如3:00-7:00）的运行时间或弥补其供热不足的情况，以实现空气源热泵的高效、可靠运行，本文提出了相变蓄热型空气源热泵系统，并利用该系统进行了实验。

相变蓄热型空气源热泵系统的示意图以及实验测点分布情况如图2所示。相变蓄热型空气源热泵系统可在白天室外温度较高时段（如12:00-16:00）运行，并将热量储存起来，用于夜间气温较低时段（如3:00-7:00）供暖。

图2 相变蓄热型空气源热泵系统的示意图以及实验测点分布情况Fig.2 Principle of air source heat pump（ASHP）with phase change thermal storage

实际运行时，根据供暖需求及室外温度的变化情况，相变蓄热型空气源热泵系统除了实现传统供暖模式运行外，还可以实现相变蓄热器的蓄热模式、单独供暖模式、蓄热同时供暖模式的运行。

1-压缩机；2-四通换向阀；3-风冷换热装置；4-热力膨胀阀；5-板式换热器；6-相变蓄热器；7-气液分离器；8-储液罐；9-用户端；10-流量计；11-水泵；F1～F9-电磁阀；F10，F11-单向阀；T-温度测点；P-压强测点

3种运行模式下，系统内制冷剂与载冷剂的流动方向如下:

①相变蓄热器蓄热模式下，制冷剂的流动方向为1=＞2=＞10=＞3=＞12=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

②相变蓄热器单独供暖模式下，载冷剂的流动方向为8=＞11=＞3=＞13=＞14，15，16=＞9=＞8；

③相变蓄热器蓄热同时供暖模式下，制冷剂的流动方向为1=＞2=＞10=＞3=＞12=＞4=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

④相变蓄热器蓄热同时供暖模式下，载冷剂的流动方向为8=＞11=＞3=＞13=＞4=＞14，15，16=＞9=＞8。

1.2 相变蓄热材料的选取与相变蓄热器的设计

相变蓄热器的换热性能是影响相变蓄热型空气源热泵系统性能的关键因素。综合考虑供暖温度需求、相变蓄热材料的热物性及其无毒无腐蚀技术需求，本文选择了+42PCM（石蜡）作为相变蓄热材料，其主要参数如表1所示。

表1 相变蓄热材料（+42PCM）的物性参数Table 1 Physical parameters of+42PCM

为强化相变蓄热材料的传热性能，并使之适应多种运行模式，本文设计了新型相变蓄热器。相变蓄热器中制冷剂与载冷剂的换热铜管交叉排布，翅片间隙内充注了相变蓄热材料（本文实验时，向相变蓄热器内共充注了80 kg相变蓄热材料）。相变蓄热器的结构图和实物图如图3所示。

图3 相变蓄热器的结构图与实物图Fig.3 Structure diagram and photo of PCM based heat exchanger

相变蓄热器的结构参数如表2所示。

表2 相变蓄热器的结构参数Table 2 Structural parameters of PCM based heat exchanger

2 实验台设计与搭建

根据研究目标需要，搭建了相变蓄热型空气源热泵系统实验台。为保证相变蓄热型空气源热泵系统供水温度不变，实验时，采用恒温水浴替代用户端。

本实验使用的压缩机的额定功率为675 W，名义工况下压缩机的COP为3.04。实验台共有22个温度测点（T1～T22），分别布置于压缩机吸、排气口，各换热器进、出口和相变蓄热器内。其中监测相变蓄热材料温度变化的测点有12个（T11～T22），均匀分布在距相变蓄热器底部5，15 cm和25 cm处的平面上。此外，实验台分别设有1个流量测点（Q1）和1个功率测点，分别用来计量进出恒温水浴的流量与空气源热泵机组消耗的功率。本实验中使用的热电偶的精度为±0.1℃，流量计的精度为1.5级，用于测量耗电量的功率计的精度为±（0.4%读数+0.1%量程）。进行相变蓄热器蓄热实验时，将空气源热泵的室外换热器置于人工室外环境控制室，控制气温分别为-5，0℃和5℃。相变蓄热器释热实验时，相变蓄热材料的初始温度均为45℃，通过恒温水浴控制进入相变蓄热器的水温分别为35，33℃和31℃，通过调节阀门控制使得相变蓄热器循环水量为190 L/h。距相变蓄热器底部5，15 cm和25 cm处平面上的温度测点布置如图4所示。

图4 距相变蓄热器底部5，15 cm和25 cm处平面上的温度测点布置Fig.4 Layout of temperature measuring points on the surfaces which are 5，15 cm and 25 cm away from the bottom of the PCM based heat exchanger

3 实验结果与分析

3.1 相变蓄热器蓄热特性与空气源热泵性能分析

3.1.1 蓄热模式时相变蓄热材料的温度随时间的变化

在室外温度为0℃的条件下，相变蓄热材料各测点处的温度和空气源热泵的冷凝温度随时间的变化情况如图5所示。

图5 在室外温度为0℃的条件下，相变蓄热材料各测点处的温度和空气源热泵的冷凝温度随时间的变化情况Fig.5 Variation of PCM temperature and condensation temperature of ASHPwhen the ambient temperature is 0℃

由图5可知，在整个蓄热过程中，各测点温度具有较强的一致性，且制冷剂与相变蓄热材料之间的温度差非常小，仅为1.1℃，这表明相变蓄热器具有良好的传热性能，有利于提高空气源热泵的能效。相变蓄热器具有良好传热性能的原因分别为①相变蓄热器铜管外的铝翅片增大了铜管与相变蓄热材料之间的换热面积，强化了相变蓄热材料的换热能力；②利用铝翅片将相变蓄热器的各层盘管连成一个整体，强化了相变蓄热器各层盘管之间的换热能力。

由于相变蓄热器内各测点温度具有较强的一致性，因此，可用平均温度代表相变蓄热器内相变蓄热材料温度的变化。在-5，0℃和5℃的室外温度条件下，相变蓄热材料的平均温度随时间的变化情况如图6所示。

图6 在室外温度分别为-5，0℃和5℃的条件下，相变蓄热材料的平均温度随时间的变化情况Fig.6 Variation of average temperature of PCM when the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由图6可知:在室外温度为5℃的条件下，75 min时，相变蓄热材料开始相变，相变时间为75 min，之后相变蓄热材料温度快速上升，此时相变蓄热材料潜热蓄热已结束；150 min时，相变蓄热器开始进入液相显热蓄热阶段，168 min时，相变蓄热材料温度达到45℃，此时蓄热过程结束；当室外温度为0℃时，相变蓄热器在125 min开始相变蓄热，相变蓄热过程持续125 min，287 min时，蓄热过程结束当室外温度为-5℃时，相变蓄热器在150 min开始相变蓄热，相变蓄热过程持续150 min，至325 min蓄热过程结束。综上可知，相变蓄热器蓄热所需的时间随着室外温度的升高而逐渐减少。这是因为室外温度的升高使空气源热泵的制热性能得到提高，因此所需的蓄热时间缩短了。

3.1.2 运行蓄热模式时空气源热泵的性能分析

在室外温度分别为-5，0℃和5℃的条件下，运行蓄热模式时，空气源热泵消耗的功率随时间的变化情况如图7所示。

图7 在室外温度分别为-5，0℃和5℃的条件下，运行蓄热模式时，空气源热泵消耗的功率随时间的变化情况Fig.7 Variation of power consumption of ASHPwhen the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由图7可知，蓄热过程中空气源热泵消耗的功率的增速先快后慢，这表明蓄热过程中，空气源热泵的运行呈现出动态性。由图6，7可知，空气源热泵运行的动态性与相变蓄热器内相变蓄热材料的温度变化紧密相关。这是由于蓄热过程中，相变蓄热材料温度逐渐升高，相应的空气源热泵的冷凝温度也逐渐升高导致的。假定蓄热时换热器温度分布均匀，且相变蓄热器温度与相变蓄热材料温度相同。

相变蓄热器蓄热量QPCM的计算式为

式中:Cp为相变蓄热材料的比热容，kJ/（kg·℃）；MPCM为相变蓄热材料的总质量，kg；ΔTPCM为相变蓄热材料的总温升，℃；φ为相变蓄热材料的相变潜热，kJ/kg；CHE为换热器的比热容，kJ/（kg·℃）；MHE为换热器的质量，kg。

空气源热泵的平均性能系数COP的计算式为

COP=1+QPCM/W （2）

式中:W为蓄热过程中空气源热泵总耗电量，kJ。

在室外温度分别为-5，0℃和5℃的条件下，空气源热泵消耗的平均功率与COP如图8所示。

由图8可知，随着室外气温逐渐升高，空气源热泵的性能系数与输出功率均逐渐升高。当室外温度为-5℃时，空气源热泵的平均功率为645.68 W，平均COP为2.22；当室外温度为0℃时，空气源热泵的平均功率为649.05 W，平均COP增至2.7 2；当室外温度为5℃时，空气源热泵的平均功率为662.6 8 W，平均COP增至3.2 4。

3.2 相变蓄热器的释热动态特性分析

3.2.1 释热运行模式时相变蓄热材料的温度随时间的变化

图9～11分别为当相变蓄热器入口水温分别为35，33℃和31℃时，相变蓄热材料各测点处的温度随时间的变化情况。

图9 相变蓄热器入口水温为35℃时，相变蓄热材料各测点处的温度随时间的变化情况Fig.9 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 35℃

图10 相变蓄热器入口水温为33℃时，相变蓄热材料各测点处的温度随时间的变化情况Fig.10 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 33℃

图11 相变蓄热器入口水温为31℃时，相变蓄热材料各测点处的温度随时间的变化情况Fig.11 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 31℃

由图9～11可知，在相变蓄热器释热过程中，前10 min，各测点温度变化剧烈，表明相变蓄热器以显热释热为主。10 min后，相变蓄热材料温度变化缓慢，表明相变蓄热器进入相变释热阶段。对比相变蓄热器释热和蓄热阶段各测点的温度变化可知，释热过程中，相变蓄热器内相变蓄热材料温度的均匀性较差且相变蓄热器入口水温越低，部分测点的相变过程越不明显。由图9～11还可以看出，相变蓄热器入口水温越低，相变蓄热材料温度变化速度越快，这是由于相变蓄热材料的温度变化速度与释热速度相关。当蓄热器铜管内循环水与相变蓄热材料之间的温度差较大时，相变蓄热器的释热速度较快，这导致相变蓄热材料相变过程不明显，同时相变蓄热器铜管内的水沿着流动方向升温速度较快，导致相变蓄热材料温度的均匀性较差。3种入口水温条件下，相变蓄热器进入显热释热阶段的时间分别为105，75 min和65 min，至170，130 min和112 min，释热过程结束。

3.2.2 释热运行模式条件下，相变蓄热器释热量随时间的变化

相变蓄热器释热量q的计算式为

式中:Cw为水的比热容J/（kg·℃）；Mw为水的质量流量，kg/s；To为相变蓄热器出口水温，℃；Ti为相变蓄热器入口温度，℃。

相变蓄热器释热量随时间的变化情况如图12所示。

图12 相变蓄热器释热量随时间的变化情况Fig.12 Variation of thermal energy release of PCM based heat exchanger

由图12可知，在相变蓄热器入口水温分别为35，33℃和31℃的条件下，释热过程开始时，相变蓄热器的释热量分别为2 587，4 191 W和5 089 W，而后释热量迅速减小，这是由于初始释热时，相变蓄热器铜管内存有温度较高的水，此时相变蓄热材料温度较高，这使得相变蓄热器出水温度较高，瞬时释热量较大。10 min时，相变蓄热器由显热释热阶段进入潜热释热阶段。当相变蓄热器入口水温为35℃时，相变蓄热器的释热量约为1 000 W且持续释热时间约为90 min；当相变蓄热器入口水温为33℃时，相变蓄热器的释热量约为2 300 W且持续释热时间约为50 min；当相变蓄热器入口水温为31℃时，相变蓄热器的释热量约为2 800 W且持续释热时间约为35 min。完成潜热释热后，相变蓄热器再次进入显热释热阶段，释热量逐渐减小。135 min时，相变蓄热器释热量小于200 W，释热过程结束。综上可知，相变蓄热器入口水温可以控制相变蓄热器的释热量以满足供暖负荷需求。

3.3 相变蓄热型空气源热泵系统节能运行适用性分析

白天，当室外温度高于某一定值时，相变蓄热型空气源热泵系统的COP大于空气源热泵夜间直接制热时的COP。室外气温为相变蓄热型空气源热泵系统白天蓄热运行是否节能的气象条件。假定夜间供暖时段控制用户的回水温度为35℃（以毛细管辐射供暖为例），供、回水温度差为3℃，空气源热泵冷凝器的趋近温度为3℃，夜间空气源热泵的冷凝温度为41℃。对压缩机的性能曲线进行回归，得到空气源热泵消耗的功率、制冷量，及空气源热泵性能系数COP的计算式分别为

式中:WR，QR分别为空气源热泵机组消耗的功率和制冷量，W；CW1～CW9为空气源热泵机组消耗的功率多项式的拟合系数；CQ1～CQ9为空气源热泵机组制冷量多项式的拟合系数；Tc为空气源热泵的冷凝温度，℃；Te为空气源热泵的蒸发温度，℃。

空气源热泵机组性能曲线拟合系数见表3。

表3 空气源热泵机组性能曲线拟合系数Table 3 Fitting coefficient of performance curve for ASHP

将空气源热泵夜间直接供暖时的冷凝温度（41℃）代入式（4），并将空气源热泵白天蓄热运行时的COP代入式（5）。通过联立式（4），（5），得到空气源热泵夜间直接供暖时的蒸发温度。然后，将该蒸发温度加上本文实验测得的空气源热泵的蒸发温度与室外温度的差值（本文实验测得该值为11.6℃），可得到空气源热泵夜间直接供暖时的室外温度。

在上述计算过程中，本文采用白天空气源热泵蓄热运行时的COP，这意味着在上述室外温度条件下，空气源热泵夜间直接供暖时的COP与空气源热泵白天蓄热时的COP相等。利用上述方法，通过计算可知，在夜间室外温度分别1.6，-5.21℃和-13.96℃的条件下，空气源热泵直接供暖时的COP与白天室外温度分别为5，0℃和-5℃条件下空气源热泵蓄热运行时的COP相等。

本文分别以白天室外温度和夜间室外温度为横、纵坐标，通过分析得到相变蓄热型空气源热泵系统节能运行适用的气象条件，如图13所示。

图13 相变蓄热型空气源热泵节能运行适用的气象条件Fig.13 The applicable meteorological conditions for the ASHP'Senergy saving operation in heating mode

由图13可知，当白天室外温度一定时，只有当夜间室外气温点位于图中阴影部分时，相变蓄热型空气源热泵系统日蓄夜释的供暖策略才具有节能性。

4 结论

本文对典型城市最冷月的日平均逐时温度进行分析，并结合空气源热泵运行特性、建筑供暖负荷规律和人们的用能规律，提出了一种相变蓄热型空气源热泵系统，并设计出一种翅片管式相变蓄热器。本文针对相变蓄热型空气源热泵系统开展了蓄热、释热特性实验研究。实验结果表明:相变蓄热器内温度分布均匀，且空气源热泵的冷凝温度与相变蓄热材料之间的温度差仅为1.1℃，该温度差有利于降低空气源热泵的冷凝温度以提高空气源热泵的性能系数；相变蓄热器具有较快释热速度，其中相变蓄热器入口水温是影响释热速度的重要参数。此外，通过对相变蓄热型空气源热泵系统的蓄热能效进行分析，提出了该系统节能运行时的气象条件。