相變蓄熱型空氣源熱泵系統蓄、釋熱特性與供暖節能運行溫度條件的研究

胡文舉，常默寧，金 帆，邵正日，葉 凌

（1.北京建筑大學 供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，北京 100044；2.營口理工學院 機械與動力工程學院，遼寧 營口 115000；3.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

空氣源熱泵供暖具有許多優點，已被歐盟各國以及我國部分省市列入可再生能源技術范疇[1]。然而，空氣源熱泵在實際應用時存在低溫適用性差、運行策略不當導致機組能效低等問題。將蓄熱技術與空氣源熱泵相結合是解決上述問題的有效手段，因此，將蓄熱技術與空氣源熱泵相結合的研究備受關注。魏澤輝開展了蓄熱型太陽能-空氣源熱泵互補供熱系統的正交優化研究，得到互補供熱系統費用年值與太陽能保證率的最佳匹配點[2]。閆澤濱提出了太陽能-相變蓄熱蒸發型空氣源熱泵復合供熱系統，該系統有效提高了空氣源熱泵供暖性能與可靠性[3]。孟新巍提出了空氣源熱泵復合低谷電蓄能供暖系統并針對該系統開展研究，得到了經濟性最優和節能性最優控制策略下的最短初投資回收期[4]。Zou Deqiu對帶有相變蓄熱的空氣源熱泵熱水器進行實驗研究發現，在水箱外增設相變蓄熱材料有助于保持水箱溫度的均勻性，以及提高系統供熱性能[5]。Li Yantong針對空氣源熱泵提出了熱水外掠管群式相變蓄熱器，并通過實驗得到蓄熱器內水的流量與蓄熱時間、能耗之間的關系[6]。Zhihua Wang對帶有雙溫螺旋盤管相變蓄熱的空氣源熱泵系統進行研究，并提出了該系統的優化運行策略[7]。韓瑋將太陽能、空氣源熱泵與相變蓄熱技術集成，提出了復合型熱水系統，通過實驗發現，相變蓄熱材料有利于延長水箱的熱水供應時間，提升了系統的供熱性能，并能夠更好地進行溫度分層[8]。Ni Long提出了帶有相變蓄熱的太陽能輔助空氣源熱泵系統，并對該系統的可行性、制熱性能及其影響因素進行研究，實驗結果表明，與常規熱泵相比，該系統具有更好的靈活性、制熱性能與穩定性[9]，[10]。綜上可知，將空氣源熱泵與相變蓄熱技術研究重點集中在新型系統集成、系統性能評價、蓄熱器設計及其蓄、釋熱特性影響因素分析。

本文對我國典型城市最冷月的日逐時室外空氣平均溫度進行分析，并結合空氣源熱泵的運行特性、建筑供暖負荷規律和人們的用能規律，提出一種新型相變蓄熱型空氣源熱泵系統，通過白天高溫時段蓄熱、夜間低溫時段釋熱，最終實現彌補低溫時段空氣源熱泵供熱能力的不足。本文針對相變蓄熱型空氣源熱泵系統的蓄、釋熱特性與供熱性能進行實驗研究，并提出該系統供暖節能運行的溫度條件。

1 相變蓄熱型空氣源熱泵系統原理與翅片管式相變蓄熱器的設計

1.1 相變蓄熱型空氣源熱泵系統原理

北京、蘭州、沈陽地區最冷月（1月）室外空氣平均溫度隨時間的變化情況如圖1所示。

圖1 北京、蘭州、沈陽地區1月室外空氣平均溫度隨時間的變化情況Fig.1 Hourly average temperature in Beijing，Lanzhou and Shenyang in January

由圖1可知，北京、蘭州、沈陽白天與夜間最大溫度差分別為7.8，10.9，10.4℃，室外溫度變化幅度較大。因此，白天運行空氣源熱泵的能效高于夜間。特別是北京，8:00-17:00室外平均氣溫在-3℃以上，白天氣溫非常適合空氣源熱泵運行。但在實際生活中，白天供暖負荷較小，甚至無需供暖。因此，為了減少空氣源熱泵在低溫時段（如3:00-7:00）的運行時間或彌補其供熱不足的情況，以實現空氣源熱泵的高效、可靠運行，本文提出了相變蓄熱型空氣源熱泵系統，并利用該系統進行了實驗。

相變蓄熱型空氣源熱泵系統的示意圖以及實驗測點分布情況如圖2所示。相變蓄熱型空氣源熱泵系統可在白天室外溫度較高時段（如12:00-16:00）運行，并將熱量儲存起來，用于夜間氣溫較低時段（如3:00-7:00）供暖。

圖2 相變蓄熱型空氣源熱泵系統的示意圖以及實驗測點分布情況Fig.2 Principle of air source heat pump（ASHP）with phase change thermal storage

實際運行時，根據供暖需求及室外溫度的變化情況，相變蓄熱型空氣源熱泵系統除了實現傳統供暖模式運行外，還可以實現相變蓄熱器的蓄熱模式、單獨供暖模式、蓄熱同時供暖模式的運行。

1-壓縮機；2-四通換向閥；3-風冷換熱裝置；4-熱力膨脹閥；5-板式換熱器；6-相變蓄熱器；7-氣液分離器；8-儲液罐；9-用戶端；10-流量計；11-水泵；F1～F9-電磁閥；F10，F11-單向閥；T-溫度測點；P-壓強測點

3種運行模式下，系統內制冷劑與載冷劑的流動方向如下:

①相變蓄熱器蓄熱模式下，制冷劑的流動方向為1=＞2=＞10=＞3=＞12=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

②相變蓄熱器單獨供暖模式下，載冷劑的流動方向為8=＞11=＞3=＞13=＞14，15，16=＞9=＞8；

③相變蓄熱器蓄熱同時供暖模式下，制冷劑的流動方向為1=＞2=＞10=＞3=＞12=＞4=＞5=＞6=＞2=＞7=＞1；

④相變蓄熱器蓄熱同時供暖模式下，載冷劑的流動方向為8=＞11=＞3=＞13=＞4=＞14，15，16=＞9=＞8。

1.2 相變蓄熱材料的選取與相變蓄熱器的設計

相變蓄熱器的換熱性能是影響相變蓄熱型空氣源熱泵系統性能的關鍵因素。綜合考慮供暖溫度需求、相變蓄熱材料的熱物性及其無毒無腐蝕技術需求，本文選擇了+42PCM（石蠟）作為相變蓄熱材料，其主要參數如表1所示。

表1 相變蓄熱材料（+42PCM）的物性參數Table 1 Physical parameters of+42PCM

為強化相變蓄熱材料的傳熱性能，并使之適應多種運行模式，本文設計了新型相變蓄熱器。相變蓄熱器中制冷劑與載冷劑的換熱銅管交叉排布，翅片間隙內充注了相變蓄熱材料（本文實驗時，向相變蓄熱器內共充注了80 kg相變蓄熱材料）。相變蓄熱器的結構圖和實物圖如圖3所示。

圖3 相變蓄熱器的結構圖與實物圖Fig.3 Structure diagram and photo of PCM based heat exchanger

相變蓄熱器的結構參數如表2所示。

表2 相變蓄熱器的結構參數Table 2 Structural parameters of PCM based heat exchanger

2 實驗臺設計與搭建

根據研究目標需要，搭建了相變蓄熱型空氣源熱泵系統實驗臺。為保證相變蓄熱型空氣源熱泵系統供水溫度不變，實驗時，采用恒溫水浴替代用戶端。

本實驗使用的壓縮機的額定功率為675 W，名義工況下壓縮機的COP為3.04。實驗臺共有22個溫度測點（T1～T22），分別布置于壓縮機吸、排氣口，各換熱器進、出口和相變蓄熱器內。其中監測相變蓄熱材料溫度變化的測點有12個（T11～T22），均勻分布在距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處的平面上。此外，實驗臺分別設有1個流量測點（Q1）和1個功率測點，分別用來計量進出恒溫水浴的流量與空氣源熱泵機組消耗的功率。本實驗中使用的熱電偶的精度為±0.1℃，流量計的精度為1.5級，用于測量耗電量的功率計的精度為±（0.4%讀數+0.1%量程）。進行相變蓄熱器蓄熱實驗時，將空氣源熱泵的室外換熱器置于人工室外環境控制室，控制氣溫分別為-5，0℃和5℃。相變蓄熱器釋熱實驗時，相變蓄熱材料的初始溫度均為45℃，通過恒溫水浴控制進入相變蓄熱器的水溫分別為35，33℃和31℃，通過調節閥門控制使得相變蓄熱器循環水量為190 L/h。距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處平面上的溫度測點布置如圖4所示。

圖4 距相變蓄熱器底部5，15 cm和25 cm處平面上的溫度測點布置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 實驗結果與分析

3.1 相變蓄熱器蓄熱特性與空氣源熱泵性能分析

3.1.1 蓄熱模式時相變蓄熱材料的溫度隨時間的變化

在室外溫度為0℃的條件下，相變蓄熱材料各測點處的溫度和空氣源熱泵的冷凝溫度隨時間的變化情況如圖5所示。

圖5 在室外溫度為0℃的條件下，相變蓄熱材料各測點處的溫度和空氣源熱泵的冷凝溫度隨時間的變化情況Fig.5 Variation of PCM temperature and condensation temperature of ASHPwhen the ambient temperature is 0℃

由圖5可知，在整個蓄熱過程中，各測點溫度具有較強的一致性，且制冷劑與相變蓄熱材料之間的溫度差非常小，僅為1.1℃，這表明相變蓄熱器具有良好的傳熱性能，有利于提高空氣源熱泵的能效。相變蓄熱器具有良好傳熱性能的原因分別為①相變蓄熱器銅管外的鋁翅片增大了銅管與相變蓄熱材料之間的換熱面積，強化了相變蓄熱材料的換熱能力；②利用鋁翅片將相變蓄熱器的各層盤管連成一個整體，強化了相變蓄熱器各層盤管之間的換熱能力。

由于相變蓄熱器內各測點溫度具有較強的一致性，因此，可用平均溫度代表相變蓄熱器內相變蓄熱材料溫度的變化。在-5，0℃和5℃的室外溫度條件下，相變蓄熱材料的平均溫度隨時間的變化情況如圖6所示。

圖6 在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，相變蓄熱材料的平均溫度隨時間的變化情況Fig.6 Variation of average temperature of PCM when the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由圖6可知:在室外溫度為5℃的條件下，75 min時，相變蓄熱材料開始相變，相變時間為75 min，之后相變蓄熱材料溫度快速上升，此時相變蓄熱材料潛熱蓄熱已結束；150 min時，相變蓄熱器開始進入液相顯熱蓄熱階段，168 min時，相變蓄熱材料溫度達到45℃，此時蓄熱過程結束；當室外溫度為0℃時，相變蓄熱器在125 min開始相變蓄熱，相變蓄熱過程持續125 min，287 min時，蓄熱過程結束當室外溫度為-5℃時，相變蓄熱器在150 min開始相變蓄熱，相變蓄熱過程持續150 min，至325 min蓄熱過程結束。綜上可知，相變蓄熱器蓄熱所需的時間隨著室外溫度的升高而逐漸減少。這是因為室外溫度的升高使空氣源熱泵的制熱性能得到提高，因此所需的蓄熱時間縮短了。

3.1.2 運行蓄熱模式時空氣源熱泵的性能分析

在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，運行蓄熱模式時，空氣源熱泵消耗的功率隨時間的變化情況如圖7所示。

圖7 在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，運行蓄熱模式時，空氣源熱泵消耗的功率隨時間的變化情況Fig.7 Variation of power consumption of ASHPwhen the ambient temperature is-5，0℃and 5℃

由圖7可知，蓄熱過程中空氣源熱泵消耗的功率的增速先快后慢，這表明蓄熱過程中，空氣源熱泵的運行呈現出動態性。由圖6，7可知，空氣源熱泵運行的動態性與相變蓄熱器內相變蓄熱材料的溫度變化緊密相關。這是由于蓄熱過程中，相變蓄熱材料溫度逐漸升高，相應的空氣源熱泵的冷凝溫度也逐漸升高導致的。假定蓄熱時換熱器溫度分布均勻，且相變蓄熱器溫度與相變蓄熱材料溫度相同。

相變蓄熱器蓄熱量QPCM的計算式為

式中:Cp為相變蓄熱材料的比熱容，kJ/（kg·℃）；MPCM為相變蓄熱材料的總質量，kg；ΔTPCM為相變蓄熱材料的總溫升，℃；φ為相變蓄熱材料的相變潛熱，kJ/kg；CHE為換熱器的比熱容，kJ/（kg·℃）；MHE為換熱器的質量，kg。

空氣源熱泵的平均性能系數COP的計算式為

COP=1+QPCM/W （2）

式中:W為蓄熱過程中空氣源熱泵總耗電量，kJ。

在室外溫度分別為-5，0℃和5℃的條件下，空氣源熱泵消耗的平均功率與COP如圖8所示。

由圖8可知，隨著室外氣溫逐漸升高，空氣源熱泵的性能系數與輸出功率均逐漸升高。當室外溫度為-5℃時，空氣源熱泵的平均功率為645.68 W，平均COP為2.22；當室外溫度為0℃時，空氣源熱泵的平均功率為649.05 W，平均COP增至2.7 2；當室外溫度為5℃時，空氣源熱泵的平均功率為662.6 8 W，平均COP增至3.2 4。

3.2 相變蓄熱器的釋熱動態特性分析

3.2.1 釋熱運行模式時相變蓄熱材料的溫度隨時間的變化

圖9～11分別為當相變蓄熱器入口水溫分別為35，33℃和31℃時，相變蓄熱材料各測點處的溫度隨時間的變化情況。

圖9 相變蓄熱器入口水溫為35℃時，相變蓄熱材料各測點處的溫度隨時間的變化情況Fig.9 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 35℃

圖10 相變蓄熱器入口水溫為33℃時，相變蓄熱材料各測點處的溫度隨時間的變化情況Fig.10 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 33℃

圖11 相變蓄熱器入口水溫為31℃時，相變蓄熱材料各測點處的溫度隨時間的變化情況Fig.11 Variation of temperature of PCM when the inlet water temperature of thermal storage heat exchanger is 31℃

由圖9～11可知，在相變蓄熱器釋熱過程中，前10 min，各測點溫度變化劇烈，表明相變蓄熱器以顯熱釋熱為主。10 min后，相變蓄熱材料溫度變化緩慢，表明相變蓄熱器進入相變釋熱階段。對比相變蓄熱器釋熱和蓄熱階段各測點的溫度變化可知，釋熱過程中，相變蓄熱器內相變蓄熱材料溫度的均勻性較差且相變蓄熱器入口水溫越低，部分測點的相變過程越不明顯。由圖9～11還可以看出，相變蓄熱器入口水溫越低，相變蓄熱材料溫度變化速度越快，這是由于相變蓄熱材料的溫度變化速度與釋熱速度相關。當蓄熱器銅管內循環水與相變蓄熱材料之間的溫度差較大時，相變蓄熱器的釋熱速度較快，這導致相變蓄熱材料相變過程不明顯，同時相變蓄熱器銅管內的水沿著流動方向升溫速度較快，導致相變蓄熱材料溫度的均勻性較差。3種入口水溫條件下，相變蓄熱器進入顯熱釋熱階段的時間分別為105，75 min和65 min，至170，130 min和112 min，釋熱過程結束。

3.2.2 釋熱運行模式條件下，相變蓄熱器釋熱量隨時間的變化

相變蓄熱器釋熱量q的計算式為

式中:Cw為水的比熱容J/（kg·℃）；Mw為水的質量流量，kg/s；To為相變蓄熱器出口水溫，℃；Ti為相變蓄熱器入口溫度，℃。

相變蓄熱器釋熱量隨時間的變化情況如圖12所示。

圖12 相變蓄熱器釋熱量隨時間的變化情況Fig.12 Variation of thermal energy release of PCM based heat exchanger

由圖12可知，在相變蓄熱器入口水溫分別為35，33℃和31℃的條件下，釋熱過程開始時，相變蓄熱器的釋熱量分別為2 587，4 191 W和5 089 W，而后釋熱量迅速減小，這是由于初始釋熱時，相變蓄熱器銅管內存有溫度較高的水，此時相變蓄熱材料溫度較高，這使得相變蓄熱器出水溫度較高，瞬時釋熱量較大。10 min時，相變蓄熱器由顯熱釋熱階段進入潛熱釋熱階段。當相變蓄熱器入口水溫為35℃時，相變蓄熱器的釋熱量約為1 000 W且持續釋熱時間約為90 min；當相變蓄熱器入口水溫為33℃時，相變蓄熱器的釋熱量約為2 300 W且持續釋熱時間約為50 min；當相變蓄熱器入口水溫為31℃時，相變蓄熱器的釋熱量約為2 800 W且持續釋熱時間約為35 min。完成潛熱釋熱后，相變蓄熱器再次進入顯熱釋熱階段，釋熱量逐漸減小。135 min時，相變蓄熱器釋熱量小于200 W，釋熱過程結束。綜上可知，相變蓄熱器入口水溫可以控制相變蓄熱器的釋熱量以滿足供暖負荷需求。

3.3 相變蓄熱型空氣源熱泵系統節能運行適用性分析

白天，當室外溫度高于某一定值時，相變蓄熱型空氣源熱泵系統的COP大于空氣源熱泵夜間直接制熱時的COP。室外氣溫為相變蓄熱型空氣源熱泵系統白天蓄熱運行是否節能的氣象條件。假定夜間供暖時段控制用戶的回水溫度為35℃（以毛細管輻射供暖為例），供、回水溫度差為3℃，空氣源熱泵冷凝器的趨近溫度為3℃，夜間空氣源熱泵的冷凝溫度為41℃。對壓縮機的性能曲線進行回歸，得到空氣源熱泵消耗的功率、制冷量，及空氣源熱泵性能系數COP的計算式分別為

式中:WR，QR分別為空氣源熱泵機組消耗的功率和制冷量，W；CW1～CW9為空氣源熱泵機組消耗的功率多項式的擬合系數；CQ1～CQ9為空氣源熱泵機組制冷量多項式的擬合系數；Tc為空氣源熱泵的冷凝溫度，℃；Te為空氣源熱泵的蒸發溫度，℃。

空氣源熱泵機組性能曲線擬合系數見表3。

表3 空氣源熱泵機組性能曲線擬合系數Table 3 Fitting coefficient of performance curve for ASHP

將空氣源熱泵夜間直接供暖時的冷凝溫度（41℃）代入式（4），并將空氣源熱泵白天蓄熱運行時的COP代入式（5）。通過聯立式（4），（5），得到空氣源熱泵夜間直接供暖時的蒸發溫度。然后，將該蒸發溫度加上本文實驗測得的空氣源熱泵的蒸發溫度與室外溫度的差值（本文實驗測得該值為11.6℃），可得到空氣源熱泵夜間直接供暖時的室外溫度。

在上述計算過程中，本文采用白天空氣源熱泵蓄熱運行時的COP，這意味著在上述室外溫度條件下，空氣源熱泵夜間直接供暖時的COP與空氣源熱泵白天蓄熱時的COP相等。利用上述方法，通過計算可知，在夜間室外溫度分別1.6，-5.21℃和-13.96℃的條件下，空氣源熱泵直接供暖時的COP與白天室外溫度分別為5，0℃和-5℃條件下空氣源熱泵蓄熱運行時的COP相等。

本文分別以白天室外溫度和夜間室外溫度為橫、縱坐標，通過分析得到相變蓄熱型空氣源熱泵系統節能運行適用的氣象條件，如圖13所示。

圖13 相變蓄熱型空氣源熱泵節能運行適用的氣象條件Fig.13 The applicable meteorological conditions for the ASHP'Senergy saving operation in heating mode

由圖13可知，當白天室外溫度一定時，只有當夜間室外氣溫點位于圖中陰影部分時，相變蓄熱型空氣源熱泵系統日蓄夜釋的供暖策略才具有節能性。

4 結論

本文對典型城市最冷月的日平均逐時溫度進行分析，并結合空氣源熱泵運行特性、建筑供暖負荷規律和人們的用能規律，提出了一種相變蓄熱型空氣源熱泵系統，并設計出一種翅片管式相變蓄熱器。本文針對相變蓄熱型空氣源熱泵系統開展了蓄熱、釋熱特性實驗研究。實驗結果表明:相變蓄熱器內溫度分布均勻，且空氣源熱泵的冷凝溫度與相變蓄熱材料之間的溫度差僅為1.1℃，該溫度差有利于降低空氣源熱泵的冷凝溫度以提高空氣源熱泵的性能系數；相變蓄熱器具有較快釋熱速度，其中相變蓄熱器入口水溫是影響釋熱速度的重要參數。此外，通過對相變蓄熱型空氣源熱泵系統的蓄熱能效進行分析，提出了該系統節能運行時的氣象條件。