王永帥, 田琦, 徐振, 李兆函
(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 太原 030024)
隨著建筑技術(shù)的迅速發(fā)展,我國建筑能耗已占社會總能耗的1/3[1],并預(yù)計在2030年將上升至40%[2],其中,暖通空調(diào)的能耗占建筑能耗的50%[3].太陽能輔助空氣源熱泵(SAHP)系統(tǒng)是一種高效且節(jié)能的系統(tǒng),針對該系統(tǒng)中電子膨脹閥(EEV)的研究已取得了一定的成果.文獻(xiàn)[4-8]采用變頻磁力泵和制冷劑R134a,通過近似實際工況的方案,詳細(xì)闡述測試設(shè)備的設(shè)計細(xì)節(jié)、測量參數(shù)、控制參數(shù).Sun等[9]采用實際傳感器代替虛擬傳感器,通過實際壓力測量取代電子膨脹閥控制,提升了電子膨脹閥調(diào)控的靈敏度和精度.Al-Badri等[10]采用3種方法控制變速壓縮機(jī)和冷水機(jī)組電子膨脹閥,分析對比后發(fā)現(xiàn),具有自適應(yīng)EEV開路的單控制環(huán)路減小了過熱度的波動,提升了機(jī)組的穩(wěn)定性.Del-Valle等[11]將加熱元件纏繞在感溫包上,通過控制提供給加熱裝置的功率來控制蒸發(fā)器出口處的過熱度,減小了過熱振蕩,從而防止低負(fù)荷下蒸發(fā)器中的振蕩.何俊等[12]研究電子膨脹閥開度與壓縮機(jī)頻率變化對過熱度和壓比的影響,并通過質(zhì)量流量一致建立電子膨脹閥開度和壓縮機(jī)頻率兩者的關(guān)系,從而減少不必要的調(diào)節(jié),使系統(tǒng)在某一工況下迅速達(dá)到平衡.周興禧等[13]通過分析膨脹閥開度對蒸發(fā)器入口壓力、干度(過熱度)、制冷劑流量和溫度的影響,得到兩膨脹閥之間的最佳處理關(guān)系.虞中旸等[14]研究壓縮機(jī)低頻率下運(yùn)行時的機(jī)組制冷量和機(jī)組性能,提出可以提高冷凍水溫度或室內(nèi)溫度使電子膨脹閥的控制比例帶變寬.國內(nèi)外學(xué)者對電子膨脹閥的調(diào)控進(jìn)行了大量研究,但目前還沒有針對EEV受太陽輻射影響的運(yùn)行特性的研究,而EEV由于受太陽輻射的影響又會對開度調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致機(jī)組性能下降甚至損害機(jī)組的正常運(yùn)行.
太陽能空氣能熱泵(solar integrated air source heat pump,SIASHP)系統(tǒng)的核心部件為室外太陽能集熱蒸發(fā)器,與常規(guī)空氣源熱泵相比,SIASHP主要通過蒸發(fā)器翅片表面覆蓋的一層太陽能薄膜,同時吸收太陽輻射中的熱能和空氣能[15].這一變化可以有效提升太陽輻射時系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)壓力,但同時EEV的控制也受到太陽輻射變化的影響.基于此,本文使用實驗和TRNSYS模擬的方法,對EEV的運(yùn)行特性進(jìn)行探究.
SIASHP實驗系統(tǒng)由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)組成.采用對照法,同時測試實驗機(jī)組(SIASHP)和對照機(jī)組(常規(guī)空氣源熱泵)在相同環(huán)境條件下的能效比.兩個機(jī)組的室內(nèi)換熱器、壓縮機(jī)和電子膨脹閥等主要部件均完全相同.兩個機(jī)組的室內(nèi)機(jī),如圖1所示.實驗機(jī)組的室外機(jī),如圖2所示.
圖1 兩個機(jī)組的室內(nèi)機(jī) 圖2 實驗機(jī)組的室外機(jī) Fig.1 Indoor unit of two units Fig.2 Outdoor unit of experimental unit
主要部件.1) 直流變頻壓縮機(jī).壓縮機(jī)排量為10.8 cm3·r-1,額定輸入功率為835 W,轉(zhuǎn)速范圍為12~120 r·s-1.2) 室外換熱器.室外機(jī)翅片涂有鉻原子層積吸熱采暖膜,采用強(qiáng)磁凝聚的方法附著在翅片表面,太陽能吸收膜吸收率為0.95,紅外發(fā)射率為0.10;蒸發(fā)器翅片為單排樣式,共5路,每路含6個通道,材質(zhì)為紫銅管,銅管間距為25 mm,換熱管外徑為9.52 mm,翅片厚度為0.2 mm,鋁翅片間距為2 mm,安裝角度為90°.室外換熱器采用變頻風(fēng)機(jī),額定功率為350 W,額定風(fēng)量為5 000 m3·h-1.3) 室內(nèi)換熱器.室內(nèi)機(jī)材質(zhì)為銅管套鋁翅片,采用變頻風(fēng)機(jī),額定功率為250 W,額定風(fēng)量為1 000 m3·h-1.4) 膨脹閥.膨脹閥為電子膨脹閥,開度控制受過熱度影響,過熱度增大,開度增大,過熱度減小,開度減?。婚_度范圍為15%~120%,對應(yīng)脈沖步數(shù)為100~1 000.
氣流組織.裝置將傳統(tǒng)氣流組織進(jìn)行改進(jìn),成為正壓吹風(fēng)的氣流組織形式,該氣流組織形式的風(fēng)機(jī)位于室外換熱器后端,減少了對室外換熱器接收太陽能的阻擋,提高了太陽能的利用率.然而,與吸風(fēng)形式相比,吹風(fēng)形式的氣流更加集中,造成換熱器表面氣流中部大、兩端小的不均勻分布,嚴(yán)重影響了換熱,因此,采用表面有不均勻開孔的孔板(中間開孔稀疏、兩側(cè)開孔密集)對氣流進(jìn)行導(dǎo)流,以達(dá)到氣流組織均勻的目的(圖2).
圖3 SIASHP機(jī)組的制熱原理圖Fig.3 Heating schematic diagram of SIASHP unit
SIASHP機(jī)組的制熱原理圖,如圖3所示.該機(jī)組室外換熱器與室內(nèi)換熱器均為管翅式換熱器,在換熱時由制冷劑直接進(jìn)行相變,換熱器銅管翅片與空氣直接換熱.系統(tǒng)的節(jié)流裝置采用電子膨脹閥.電子膨脹閥可通過控制面板調(diào)節(jié)開度,便于實驗系統(tǒng)測試及實驗數(shù)據(jù)分析.此外,壓縮機(jī)采用渦旋壓縮機(jī).渦旋壓縮機(jī)體積小,常用作家用設(shè)備制冷,與此裝置結(jié)構(gòu)特性較為匹配.此機(jī)組的制冷劑為R410A,制冷劑經(jīng)過室外機(jī)蒸發(fā)器換熱,同時吸收太陽輻射熱量,之后經(jīng)過壓縮機(jī)成為高溫高壓的氣體進(jìn)入室內(nèi)機(jī),通過冷凝器換熱后成為低溫高壓液體進(jìn)入膨脹閥及室外蒸發(fā)器,轉(zhuǎn)換為低溫低壓的蒸汽后再次進(jìn)入壓縮機(jī),完成一個制熱循環(huán).
相對于普通太陽能輔助空氣源熱泵機(jī)組,SIASHP機(jī)組在室外機(jī)換熱器翅片側(cè)涂有鉻原子層太陽能選擇吸收膜,該吸收膜通過強(qiáng)磁聚的方法附著于翅片表面,目的是在冬季制熱時吸收太陽輻射并轉(zhuǎn)換為熱量,從而提高蒸發(fā)溫度,使冬季制熱時機(jī)組性能更好.
實驗從2019年11月24日進(jìn)行至2019年12月24日,測試時間為8:00-18:00,地點為山西省晉中市榆次區(qū),經(jīng)、緯度分別為112.732 032,37.758 899,實驗在一層樓地面進(jìn)行.通過TBQ-DL型總輻射表對太陽輻射進(jìn)行測試.選取這一個月內(nèi)氣候條件達(dá)到實驗要求(全天輻射范圍在50~500 W·m-2內(nèi))的時間進(jìn)行測量,測試間隔為30 min,以保證機(jī)組在室外氣候條件變化時可達(dá)到穩(wěn)定.測量的室外氣象參數(shù)包括太陽總輻射量,空氣溫、濕度及風(fēng)速.太陽總輻射量測量儀置于室外機(jī)外殼頂部.室外溫度采用Pt100測量探頭測量,并在探頭外表面裹上鋁箔反射層,避免太陽輻射對溫度測量的影響.采用手持式濕度儀在機(jī)組吸風(fēng)側(cè)附近測量室外濕度.
表1 實驗儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental instruments
實驗設(shè)備分為主體設(shè)備和測試設(shè)備.主體設(shè)備包括太陽能空氣能熱泵及常規(guī)空氣源熱泵;測試設(shè)備包括太陽能總輻射儀、手持式溫濕度儀、計時器、32路無紙型溫度記錄儀和配套Pt100熱電阻、手持風(fēng)速儀、單相式電能表、電功率計.實驗儀器參數(shù),如表1所示.
實驗過程中,調(diào)節(jié)EEV開度范圍為20%~80%,以4%為調(diào)節(jié)間隔,在相同室外環(huán)境影響下,記錄SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的太陽輻射強(qiáng)度、室內(nèi)出風(fēng)溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機(jī)組出風(fēng)點風(fēng)速及機(jī)組功率.
根據(jù)2019年11月24日至2019年12月24日采集的氣象參數(shù)及SIASHP機(jī)組的具體規(guī)格和熱力學(xué)參數(shù),應(yīng)用加載Fortran編程的TRNSYS能耗模擬軟件,對基于SIASHP的EEV與太陽輻射強(qiáng)度匹配特性進(jìn)行模擬.對比實驗機(jī)和對照機(jī)兩組熱泵裝置的能效比(COP)、制熱量.
使用TRNSYS軟件對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行模擬時,需要將系統(tǒng)部件導(dǎo)入模擬平臺.由于太陽能空氣能熱泵裝置與常規(guī)空氣源熱泵的差異主要在于室外換熱器,因此,需要建立室外換熱器的數(shù)學(xué)模型.
室外換熱器在運(yùn)行時與空氣進(jìn)行熱交換且吸收太陽輻射能量.在建模過程中,如果可以有效地將太陽能與空氣能分離,分別構(gòu)建太陽能及空氣能對系統(tǒng)的影響的數(shù)學(xué)模型,那么,整個系統(tǒng)就可以簡化為常規(guī)空氣源熱泵與具有一定效率的太陽能供熱裝置并聯(lián),從而大大簡化模型建立時的工作量,且所建立模型具有通用性,將為其他太陽能輔助空氣源熱泵模型的簡化提供依據(jù).
3.1.1 室外換熱器太陽能利用數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)太陽能輻射有效吸收量Qs可以表示為
Qs=SI-Qlo-Qlh.
(1)
式(1)中:S為有效太陽能集熱面積;Qlo為太陽能輻射損耗量;Qlh為空氣熱能輻射損耗量;I為太陽能輻射強(qiáng)度,表達(dá)式為
(2)
式(2)中:σ為斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù),σ=5.67×10-8W·(m2·K4)-1;Tsky為天空有效溫度;R0為太陽半徑;R為天空有效溫度點與地球表面的距離.
3.1.2 SIASHP室外換熱器總換熱量 室外換熱器熱交換過程包括換熱器銅管與翅片吸收太陽能過程和室外換熱器與空氣換熱過程.以冬季為例,翅片吸收太陽能使翅片溫度上升,系統(tǒng)太陽輻射換熱量增加;但翅片溫度上升減小了翅片與周圍環(huán)境的溫差,對流換熱量減小.室外換熱器總換熱量Q表示為
Q=Qc+Qs=Qc,o-ΔQc+Qs.
(3)
圖4 室外換熱器截面示意圖Fig.4 Section of outdoor heat exchanger
式(3)中:Qc為對流換熱量;Qc,o為無太陽輻射時的對流換熱量;ΔQc為在除太陽輻射強(qiáng)度外的相同環(huán)境條件下,有、無太陽輻射時的對流換熱量差值.
根據(jù)式(3)可知,ΔQc反映了太陽輻射對對流換熱的影響,與翅片溫度和環(huán)境溫度有關(guān),而翅片溫度和換熱器銅管導(dǎo)熱相關(guān),因此,需要從微元角度分析.室外換熱器截面示意圖,如圖4所示.圖4中:x為截面邊界長度;dx為截面微元長度;Φs為截面太陽能輻射有效吸收量;Φx為x部分的對流換熱量;Φx-dx為x-dx部分的對流換熱量;δ為截面翅片厚度;L為截面翅片寬度;H為截面翅片長度.
為了便于研究,做以下3點假設(shè):1) 翅片上對流換熱系數(shù)h及導(dǎo)熱系數(shù)λ均為常數(shù);2) 翅片沿L方向的溫度恒定;3) 翅片表面對流換熱熱阻1/h遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱熱阻δ/λ,因此,翅片在厚度方向的溫度恒定.
為了更好地模擬太陽輻射影響下的系統(tǒng)性能,利用TRNSYS仿真軟件對SIASHP系統(tǒng)進(jìn)行仿真.由于TRNSYS軟件中的HVAC Library沒有系統(tǒng)所需求的太陽能空氣能集熱蒸發(fā)器,因此,基于TRNSYS開源的源代碼編程,使用Fortran編輯SIASHP系統(tǒng).
通過該程序可以研究系統(tǒng)在靜態(tài)工況下機(jī)組的性能參數(shù).模擬得到機(jī)組在靜態(tài)工況下的匹配特性較好;再接入TRNSYS室外天氣參數(shù),研究系統(tǒng)在受太陽輻射影響下電子膨脹閥的運(yùn)行特性及機(jī)組的動態(tài)匹配特性.SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的TRNSYS模型,如圖5所示.
圖5 SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的TRNSYS模型Fig.5 TRNSYS model of SIASHP unit and conventional unit
室外機(jī)除去壓縮機(jī)動力部分的尺寸(長×寬×高)為1.3 m×0.6 m×0.8 m;流體比熱為1.727 1 kJ·(kg·K)-1;集熱器翅片的效率系數(shù)為69.5%;太陽能空氣能集熱蒸發(fā)器中的太陽能選擇吸收膜的發(fā)射率為6%,吸收率為97%;室外機(jī)組外殼為透明鋼化玻璃,透明板的可見光透過率為90%,反射率為10%,因此,折射率n=1.925.
圖6 實驗值和模擬值的對比Fig.6 Comparison between experimental and simulation values
冬季工況不同太陽輻射強(qiáng)度下,機(jī)組的系統(tǒng)能效比COP表示為
(4)
為了驗證模擬結(jié)果的可靠性,將SIASHP機(jī)組COP的實驗值和模擬值進(jìn)行對比,如圖6所示.圖6中:t為運(yùn)行時間.
相較于實驗值,模擬值的最大誤差為8.52%,最小誤差為2.70%.由此可以看出,SIASHP機(jī)組的模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好,驗證了建立模型的準(zhǔn)確性.
圖7 SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的COP對比Fig.7 Comparison of COP between SIASHP unit and conventional unit
使用TRNSYS軟件對電子膨脹閥開度進(jìn)行無級調(diào)節(jié),計算SIASHP機(jī)組的性能系數(shù).
4.2.1 SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組性能對比 在電子膨脹閥開度為12%時,模擬SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組,并對其COP進(jìn)行對比,如圖7所示.
由圖7可知:常規(guī)機(jī)組的COP最大值比SIASHP機(jī)組低12.4%,并且其COP受室外溫度影響較大;而SIASHP機(jī)組的COP隨著室外太陽輻射強(qiáng)度的增大而增大.
4.2.2 SIASHP機(jī)組在不同EEV開度下的機(jī)組性能 選取2019年11月24日至2019年12月24日之間平均太陽輻射強(qiáng)度最大的一天,即2019年12月15日,通過TBQ-DL型太陽總輻射儀實測太陽輻射強(qiáng)度(I),結(jié)果如圖8所示.通過TRNSYS軟件進(jìn)行模擬,得到SIASHP機(jī)組的COP隨電子膨脹閥開度(α)的變化,如圖9所示.
圖8 太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化 圖9 SIASHP機(jī)組COP隨電子膨脹閥開度的變化 Fig.8 Variation of solar radiation Fig.9 Variation of COP of SIASHP unit with intensity with time opening of electronic expansion valve
由圖8,9可知:SIASHP機(jī)組的COP隨著太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng),當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到最大時,機(jī)組能效比最大,當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度減弱時,機(jī)組能效比下降;機(jī)組COP的最大值由高到低對應(yīng)的EEV開度為52%>48%>56%>44%>40%>60%,在開度為40%~52%的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi),隨著EEV開度的增大,機(jī)組COP也隨之升高;相較于開度為40%,EEV開度為52%時機(jī)組的COP最大值增大了13.8%,之后隨著開度的增大(52%調(diào)節(jié)至56%時),機(jī)組COP最大值由3.13下降至2.95,下降了6.1%,當(dāng)EEV開度為60%時,機(jī)組COP最大值下降了18.1%.
造成這種現(xiàn)象的原因是在電子膨脹閥開度較小時,隨著開度的增大,SIASHP機(jī)組的制熱量增大,功率相對增大,機(jī)組的COP也逐漸提高,但由于電子膨脹閥的控制比例帶ζ較小,受控參數(shù)變化靈敏,系統(tǒng)過調(diào)嚴(yán)重,導(dǎo)致進(jìn)入熱泵集熱蒸發(fā)器中的制冷劑流量超出其運(yùn)行負(fù)荷,使制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)中沒有完全氣化,液體或濕蒸汽被吸入壓縮機(jī),導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生液擊,機(jī)組性能下降.
圖10 不同α下兩個機(jī)組的COPav對比Fig.10 Comparison of COPav of two units under different α
4.2.3 EEV開度閾值對比 為了探究SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組運(yùn)行時EEV開度的閾值,在圖8所示的太陽輻射強(qiáng)度情況下進(jìn)行模擬,比較不同α下兩個機(jī)組的均值COP(COPav),如圖10所示.
由圖10可知:當(dāng)α=52%時,SIASHP機(jī)組的COPav達(dá)到最大,在壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍之內(nèi),當(dāng)α達(dá)到84%后,機(jī)組性能達(dá)到穩(wěn)定,可見SIASHP機(jī)組的EEV開度閾值為84%;相較于SIASHP機(jī)組,常規(guī)機(jī)組的EEV開度受室外環(huán)境的影響較小,因此受過熱度的影響較小,其COPav最大值對應(yīng)的EEV開度為60%,在壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍之內(nèi),當(dāng)EEV開度為76%時,機(jī)組性能達(dá)到穩(wěn)定,常規(guī)機(jī)組的EEV開度閾值為76%.可見SIASHP機(jī)組的EEV調(diào)節(jié)區(qū)間相較于常規(guī)機(jī)組提高了12.5%,這是由于SIASHP機(jī)組受太陽輻射影響,進(jìn)入蒸發(fā)器中的制冷劑換熱充分.
4.2.4 EEV開度隨太陽輻射強(qiáng)度的變化 為了探究SIASHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組運(yùn)行時EEV開度的變化,在圖8所示的太陽輻射強(qiáng)度情況下進(jìn)行模擬,研究EEV開度隨太陽輻射強(qiáng)度的變化,如圖11所示.
圖11 EEV開度隨太陽輻射強(qiáng)度的變化Fig.11 Variation of EEV opening with solar radiation intensity
由圖11可知:隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大,SIASHP機(jī)組的EEV開度逐漸增大,這是因為隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大,過熱度逐漸增大,從而使EEV的開度增大;當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到350 W·m-2時,SIASHP機(jī)組的EEV開度逐漸穩(wěn)定,隨著太陽輻射強(qiáng)度繼續(xù)增大至450 W·m-2后,EEV開度先下降后升高.這是由于太陽輻射增強(qiáng)使蒸發(fā)溫度升高,蒸發(fā)壓力增大,制冷劑流速增大,與另一側(cè)換熱時間減少,換熱不充分,造成蒸發(fā)器出口制冷劑溫度下降,過熱度減小,而隨著過熱度的降低,EEV開度也逐漸減小.當(dāng)換熱充分時,隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大,過熱度又逐漸增大,EEV開度也隨之增大.
當(dāng)SIASHP機(jī)組性能不穩(wěn)定時,可以采用自動控制裝置調(diào)節(jié)EEV開度,使其在20%~80%范圍內(nèi)運(yùn)行,從而使進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑完全汽化,保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行.而常規(guī)機(jī)組的EEV開度雖也受過熱度影響,但其過熱度只受室外干球溫度影響,因此,在干球溫度達(dá)到峰值后,常規(guī)機(jī)組的EEV開度趨于穩(wěn)定.
通過實驗和TRNSYS模擬,對SIASHP機(jī)組的EEV運(yùn)行特性進(jìn)行研究,得出以下3個結(jié)論.
1) 在室外環(huán)境條件相同的工況下,當(dāng)EEV開度為52%時,SIASHP機(jī)組COP達(dá)到最大值,為保證機(jī)組高效運(yùn)行,在EEV調(diào)控過程中,不可一味增大開度,應(yīng)盡量使其保持在臨界值處,且在EEV設(shè)計時,應(yīng)注意會出現(xiàn)的超調(diào)等現(xiàn)象.
2) 受太陽輻射影響,SIASHP機(jī)組的EEV調(diào)節(jié)區(qū)間相較于常規(guī)機(jī)組提高了12.5%.根據(jù)此特性,在太陽輻射強(qiáng)度為0~450 W·m-2區(qū)間內(nèi),SIASHP機(jī)組的EEV開度較大時,也可保持穩(wěn)定運(yùn)行而不出現(xiàn)故障.
3) 在太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到450 W·m-2時,SIASHP機(jī)組EEV開度會出現(xiàn)波動,導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定,因此,在太陽輻射強(qiáng)度大于450 W·m-2時,可通過自控檢測太陽輻射強(qiáng)度,自動調(diào)節(jié)EEV開度在20%~80%范圍內(nèi)運(yùn)行.在設(shè)計機(jī)組時,自控裝置應(yīng)綜合過熱度和太陽輻射強(qiáng)度對EEV開度進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度低于450 W·m-2時,可通過檢測過熱度進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度大于450 W·m-2時,需檢測太陽輻射強(qiáng)度來調(diào)控EEV開度.