直膨式太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

孔祥強(qiáng)， 閆循正， 張 鵬， 徐 顯， 于偉才

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

與采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管或散熱器供暖相比，地板輻射供暖對(duì)于供水溫度要求較低，運(yùn)行噪聲較小，散熱均勻舒適性高[1-2]。在低溫供熱運(yùn)行模式下，熱泵系統(tǒng)具有較高的熱力性能。因此，將地板輻射供暖與熱泵技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)了供需側(cè)熱能品位匹配，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義[3]。通過(guò)將集熱器與蒸發(fā)器結(jié)合于一體，直膨式太陽(yáng)能熱泵技術(shù)能夠高效利用太陽(yáng)能，拓寬了系統(tǒng)運(yùn)行溫度范圍，改善了集熱溫度升高對(duì)集熱效率的不利影響和熱泵蒸發(fā)溫度，提高了熱泵供熱系數(shù)[4-5]。丙烷(R290)是一種環(huán)保自然工質(zhì)，其臭氧消耗潛能值(Ozone Depletion Potential，ODP)為0，溫室效應(yīng)潛能值(Global Warming Potential，GWP)低于20[6-7]。

近年來(lái)，一些專(zhuān)家學(xué)者對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。侯亞祥等[8]搭建了以R417A為工質(zhì)的直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將10塊平板型太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器并聯(lián)使用，極端工況下系統(tǒng)制熱系數(shù)(COP)可達(dá)3.69，驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。Rocha等[9]構(gòu)建了以CO2為工質(zhì)的直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用跨臨界循環(huán)方式，選用裸板式太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器，并以毛細(xì)管作為節(jié)流機(jī)構(gòu)。單寶琦等[10]搭建了以R22為工質(zhì)的家用直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在5～10月份典型日的系統(tǒng)COP均高于5，較常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)提高33.2%。目前采用自然工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注，但以丙烷為工質(zhì)的直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

本文依托科學(xué)研究項(xiàng)目，在課題組前期研究直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[11-12]，構(gòu)建了以R290為工質(zhì)的直膨式太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集熱/蒸發(fā)器和冷凝器采用微通道技術(shù)以降低丙烷充注量，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)模塊化綜合研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素質(zhì)，有助于提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量[13-15]。另外，向日葵和Teamviewer等商業(yè)化遠(yuǎn)程控制軟件可以幫助實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行與控制在一定程度上擺脫時(shí)間與空間上的限制，這有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效合理使用[16-19]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及工作原理

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由熱泵循環(huán)和地板輻射供暖循環(huán)2部分組成，循環(huán)通過(guò)蓄熱水箱集成在一起，圖1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理圖,圖2為實(shí)物圖。主要部件：微通道太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器、定頻壓縮機(jī)、內(nèi)置微通道冷凝器的蓄熱水箱、電子膨脹閥、敷設(shè)地板供暖盤(pán)管的測(cè)試室、循環(huán)水泵以及數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等。

工作原理：低溫低壓的氣液兩相態(tài)熱泵工質(zhì)R290在微通道太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器內(nèi)直接吸收外界熱量，成為過(guò)熱蒸氣態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮為高溫高壓氣體并流入微通道冷凝器，通過(guò)冷凝盤(pán)管向蓄熱水箱中的水放熱，然后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓，形成低溫低壓的氣液兩相態(tài)并返回集熱/蒸發(fā)器內(nèi)，如此循環(huán)。與此同時(shí)，蓄熱水箱內(nèi)部水被冷凝器加熱后，由循環(huán)水泵供至地板供暖盤(pán)管內(nèi)，加熱測(cè)試室內(nèi)部空間，放熱后返回蓄熱水箱。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

1.1 熱泵循環(huán)

在供暖系統(tǒng)的熱泵循環(huán)中，微通道太陽(yáng)能集熱/蒸發(fā)器尺寸為3 500 mm×1 126 mm，共由33根扁管組成，每根扁管截面尺寸為25.4 mm×2 mm，包含13個(gè)流道，具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。壓縮機(jī)類(lèi)型為全封閉滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式定頻壓縮機(jī)，工質(zhì)為R290，額定輸入功率為732 W，氣缸容積為16.4 m3。微通道冷凝器采用外敷式緊貼蓄熱水箱內(nèi)膽外壁，尺寸為1 190 mm×1 000 mm，共由28根扁管組成，每根扁管截面尺寸為25 mm×2 mm，壁厚為0.4 mm，包含18個(gè)流道。電子膨脹閥型號(hào)為DPF-T，并采用GJY1801電子膨脹閥控制器進(jìn)行控制，輸出信號(hào)為4～20 mA電流。

圖3 集熱/蒸發(fā)器扁管結(jié)構(gòu)(mm)

1.2 地板輻射供暖循環(huán)

在地板輻射供暖循環(huán)中，蓄熱水箱尺寸為φ520 mm×1 600 mm的圓柱容器，內(nèi)膽容積為0.2 m3。循環(huán)水泵型號(hào)為RS15/6-RG-3，輸入功率可實(shí)現(xiàn)三檔調(diào)節(jié)，分別為93、67和46 W，對(duì)應(yīng)最大流量為0.95×10-3、0.683×10-3和0.417×10-3m3/s。地板輻射供暖盤(pán)管敷設(shè)在測(cè)試室地面上，盤(pán)管材質(zhì)為鋁塑管，尺寸為φ16 mm×2 mm，采用雙回型盤(pán)繞在泡沫板模具上，泡沫板模具上面覆蓋防輻射層用以防止盤(pán)管向下輻射熱量，模具下面為擠塑保溫板，保溫板下鋪設(shè)防水層。盤(pán)管上面覆蓋木質(zhì)地板。測(cè)試室內(nèi)部空間尺寸為5 400 mm×2 400 mm×600 mm，其四周和頂面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為巖棉板。

2 數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，采用組態(tài)王作為上位機(jī)軟件，其下連接總輻射表、數(shù)據(jù)采集控制器和溫濕儀，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)架構(gòu)

其中，數(shù)據(jù)采集控制器整合了來(lái)自溫度傳感器、壓力傳感器、渦輪流量計(jì)、功率表、風(fēng)速儀和質(zhì)量流量計(jì)的電流信號(hào)，并將來(lái)自上位機(jī)的控制指令發(fā)送至循環(huán)水泵、定頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥。具體過(guò)程為：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各測(cè)點(diǎn)的傳感器將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流，由型號(hào)為RTU-308N和RTU307J的數(shù)據(jù)采集控制器整合后上傳至電腦主機(jī)，經(jīng)組態(tài)王軟件整理后，顯示在系統(tǒng)界面上，并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1 熱泵循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

熱泵循環(huán)系統(tǒng)安裝了4個(gè)溫度傳感器、4個(gè)壓力傳感器、1個(gè)功率表、1個(gè)總輻射表、1個(gè)風(fēng)速儀和1個(gè)質(zhì)量流量計(jì)。其中，溫度傳感器、壓力傳感器分別用來(lái)監(jiān)測(cè)工質(zhì)R290在集熱/蒸發(fā)器出口、壓縮機(jī)出口、冷凝器出口和電子膨脹閥出口的溫度和壓力，功率表用來(lái)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)耗功率，總輻射表用來(lái)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，風(fēng)速儀用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)速，質(zhì)量流量計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)工質(zhì)R290的循環(huán)質(zhì)量流量。其詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如下所述。

(1) 溫度傳感器為Pt100鉑電阻，測(cè)量范圍為-50～150 ℃，測(cè)量精度為±0.2% FS。

(2) 壓力傳感器型號(hào)為CYZZ11型，測(cè)量范圍為-0.1～3 MPa，測(cè)量精度為±0.1% FS。

(3) 功率表型號(hào)為T(mén)ED-2WBD，測(cè)量電流5 A以?xún)?nèi)、電壓220 V單相電，測(cè)量精度為±0.5% FS。

(4) 總輻射表型號(hào)為T(mén)BQ-2，測(cè)量范圍為0～2 kW/m2，測(cè)量精度為±2% FS。

(5) 風(fēng)速儀型號(hào)為HS-FS01，測(cè)量范圍為0～30 m/s，測(cè)量精度為±0.1 m/s。

(6) 質(zhì)量流量計(jì)型號(hào)為DMF-1-1B，測(cè)量范圍為0～100 kg/h，測(cè)量精度為±0.2% FS。

2.2 地板輻射供暖循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

地板輻射供暖循環(huán)安裝了19個(gè)溫度傳感器、1個(gè)功率表、1個(gè)渦輪流量計(jì)和1個(gè)溫濕儀。其中，溫度傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)測(cè)試室的地板溫度、墻壁溫度、天花板溫度、室內(nèi)空氣溫度、地板輻射供暖盤(pán)管進(jìn)口和出口水溫、蓄熱水箱內(nèi)部水溫。地板溫度由9個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)，均勻分布于兩條對(duì)角線及中心交點(diǎn)上。墻壁及天花板共設(shè)置5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分布于四面墻壁和天花板的中心處。功率表用來(lái)監(jiān)測(cè)循環(huán)水泵耗功率，渦輪流量計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)地暖盤(pán)管循環(huán)水流量，溫濕儀用來(lái)監(jiān)測(cè)測(cè)試室內(nèi)部的溫濕度。

系統(tǒng)所用溫度傳感器、功率表與熱泵循環(huán)系統(tǒng)相同，其他傳感器的詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如下所述。

(1) 渦輪流量計(jì)型號(hào)為GTLWGY，測(cè)量范圍為0.1～6 m3/h，測(cè)量精度為0.5%。

(2) 溫濕儀型號(hào)為 RSWSI20，溫度測(cè)量范圍為-40～80 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～100% RH，溫度測(cè)量精度為±0.5 ℃，濕度測(cè)量精度為±2% RH。

2.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理，基于Windows 7操作系統(tǒng)下安裝了向日葵和Teamviewer軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)設(shè)備對(duì)主機(jī)的即時(shí)監(jiān)控，且支持通過(guò)移動(dòng)設(shè)備跨平臺(tái)對(duì)主機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和操作，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高效使用和安全運(yùn)行提供了保障。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能夠熟悉常用熱工測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的工作原理和使用方法，能夠加深對(duì)傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、工程流體力學(xué)、自動(dòng)控制理論等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)和制冷原理與技術(shù)、熱泵技術(shù)與應(yīng)用、太陽(yáng)能熱利用技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的理解。圍繞直膨式太陽(yáng)能熱泵性能研究，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠全面測(cè)試環(huán)境參數(shù)、熱泵循環(huán)子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和地板輻射供暖子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并可以通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，據(jù)此可以完成多個(gè)基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性或研究性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在直膨式太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)性能分析中，采用的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：地板輻射供暖功率、熱泵制熱功率、壓縮機(jī)耗功率、循環(huán)水泵耗功率、系統(tǒng)制熱系數(shù)等。

地板輻射供暖功率Qd為[20]

(1)

式中：n為供暖系統(tǒng)運(yùn)行期間的時(shí)間步長(zhǎng)總數(shù)；cp,w為水的比熱容(J/kg·℃)；tg,i、th,i分別為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的地板輻射供暖系統(tǒng)供水溫度和回水溫度(℃)；qw,i為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的循環(huán)水質(zhì)量流量(kg/s)；Δτ為時(shí)間步長(zhǎng)(s)；τ為系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間(s)。

熱泵制熱功率為[12]

(2)

式中：tw,f、tw,o分別為蓄熱水箱內(nèi)部水在供暖系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)的溫度和供暖系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始時(shí)的溫度(℃)；Mw為蓄熱水箱內(nèi)部水的質(zhì)量(kg)。

壓縮機(jī)耗功率為

(3)

式中,Wcom,i為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的壓縮機(jī)耗功率(W)。

循環(huán)水泵耗功率為

(4)

式中,Wp,i為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的循環(huán)水泵耗功率(W)。

系統(tǒng)制熱系數(shù)COP為[12]

(5)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5所示為2021-03-09的部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析曲線。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為08:10～11:30，壓縮機(jī)與循環(huán)水泵始終處于開(kāi)啟狀態(tài)。同時(shí)，為降低系統(tǒng)運(yùn)行初始階段的不穩(wěn)定對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成的干擾，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在07:50開(kāi)機(jī)，運(yùn)行20 min后的測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用來(lái)系統(tǒng)性能計(jì)算與分析。

可以看出，除風(fēng)速u(mài)在0～0.39 m/s之間波動(dòng)外，其余環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)均隨時(shí)間單調(diào)變化。環(huán)境溫度ta從7 ℃逐漸升至13.5 ℃，平均值為10.7 ℃;太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I從235 W/m2升至706 W/m2，平均值為436.6 W/m2;熱泵循環(huán)的冷凝壓力pc從1 195.7 kPa升至1 896.2 kPa，平均值為1 524.6 kPa;熱泵循環(huán)的蒸發(fā)壓力pe從425.9 kPa升至748.1 kPa，平均值為556.6 kPa;地板輻射供暖系統(tǒng)的供水溫度tg從27.2 ℃升至47.9 ℃，平均值為37.6 ℃；回水溫度th從25.3 ℃升至43.3 ℃，平均值為34.1 ℃;蓄熱水箱內(nèi)部水溫tw增加了21.1 ℃，平均值為38.1 ℃;測(cè)試室內(nèi)溫度tr升高了9.4 ℃，平均值為20.0 ℃。

還可以看出，除循環(huán)水泵耗功率Wp隨時(shí)間變化較小且保持在36～38 W之間外，其他系統(tǒng)性能指標(biāo)變化較為明顯，且基本隨時(shí)間單調(diào)變化。系統(tǒng)COP從3.7降至3.0，平均值為3.4;熱泵制熱功率Q從1 834.1 W升至2 247.3 W，平均值為2 075.6 W;地板輻射供暖功率Qd從294.1 W升至707.3 W，平均值為534.5 W;壓縮機(jī)耗功率Wcom從497.6 W升至737.1 W，平均值為606.2 W。

綜上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)，可以據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)熱力性能全面分析研究。同時(shí)，數(shù)據(jù)也顯示出在低溫工況下，直膨式太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)具有良好的熱力性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了具有遠(yuǎn)程操控功能的直膨式太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以課程知識(shí)點(diǎn)為切入點(diǎn)，利用科研方向引領(lǐng)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)科研相輔相成、資源共享的良性互動(dòng)，有助于形成教學(xué)與科研一體化的人才培養(yǎng)機(jī)制。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作方便、可控性強(qiáng)、開(kāi)放性強(qiáng)、自主設(shè)計(jì)研究性強(qiáng)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以開(kāi)展多個(gè)基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，服務(wù)于課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有力促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、科研能力等的全面培養(yǎng)。