空氣源熱泵直凝式地板供暖系統(tǒng)過熱段傳熱特性研究

高 寒,王 剛,賈恩燦

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,青島 266525)

空氣源熱泵直凝式地板供暖系統(tǒng)采用敷設(shè)在地板中的銅毛細(xì)管作為空氣源熱泵的末端,將空氣源熱泵技術(shù)與地板輻射供暖技術(shù)相結(jié)合,通過消耗少量電能制取熱量,制冷劑通過一次冷凝相變換熱的形式直接將熱量傳至地面,通過對流和輻射的方式向室內(nèi)散熱[1]。該系統(tǒng)除了具有空氣源熱泵和輻射供暖系統(tǒng)節(jié)能、舒適等特點(diǎn)外,還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:①該系統(tǒng)用室內(nèi)毛細(xì)管代替常規(guī)冷凝器,不需要循環(huán)泵、換熱設(shè)備等,系統(tǒng)更加簡單,結(jié)構(gòu)加更緊湊。②該系統(tǒng)直接利用制冷劑作為傳熱介質(zhì),省略了制冷劑和低溫?zé)崴膫鳠徇^程,降低了傳熱損失;制冷劑傳遞的熱量為水的10倍、空氣的20倍[2],從而降低了輸配能耗。

目前該系統(tǒng)處于工程探索階段,國內(nèi)已有小范圍的應(yīng)用,運(yùn)行效果可以滿足基本的供暖需求,系統(tǒng)特性方面的研究也已展開。曾章傳、吳錦京等[3-4]通過實(shí)驗(yàn)和模擬對直凝式系統(tǒng)在連續(xù)和間歇兩種供暖模式下的室內(nèi)熱環(huán)境、運(yùn)行特性等進(jìn)行了分析,并綜合評價(jià)了經(jīng)濟(jì)性;ZHANG,SHAO等[5-6]提出了一種新型的以散熱器為末端的直凝式空氣源熱泵供暖系統(tǒng),并通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)在供暖期間的熱工性能和系統(tǒng)效率等情況。通過分析發(fā)現(xiàn),目前的研究主要集中在相變換熱段,沒有考慮制冷劑過熱段的影響,而過熱段的存在會使地板表面部分區(qū)域溫度過高,從而影響室內(nèi)熱舒適以及地板的使用壽命。

對冷凝器過熱段的研究主要圍繞傳統(tǒng)冷凝器進(jìn)行。MELISSA等[7]通過用R134a進(jìn)行可視化傳熱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了冷凝過熱區(qū)的存在,這有助于更深入地了解發(fā)生在冷凝前過熱段的物理過程。張發(fā)勇[8]通過分布參數(shù)積分的方法建立冷凝器中過熱段、兩相段、過冷段的計(jì)算模型,得到不同制冷工況下冷凝器三段的換熱長度,其中過熱段長度均在1～1.3 m范圍內(nèi)。張璐等[9]發(fā)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行中,不同種類的制冷劑在相同的冷凝溫度及運(yùn)行壓力下所對應(yīng)的過熱度不同,過熱區(qū)換熱量在冷凝器總換熱量中的占比可超過15%。

在地板輻射供暖系統(tǒng)中,冷凝器傳熱與地板傳熱是耦合的,其傳熱特性受到地板傳熱特性的影響。為了評價(jià)過熱段的影響范圍及程度,本文結(jié)合某實(shí)際項(xiàng)目,采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法對冷凝器過熱段傳熱特性進(jìn)行了分析,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行了驗(yàn)證,并提出了降低過熱段地板表面溫度的措施。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為某親子游泳館,總面積為2000 m2,供暖系統(tǒng)采用空氣源熱泵直凝式系統(tǒng),末端采用敷設(shè)于地板中的銅制毛細(xì)管供熱[10]。一束毛細(xì)管由兩端的集管和中間的12路毛細(xì)管組成,毛細(xì)管外徑3 mm,內(nèi)徑2 mm,長度均為19 m,管間距為80 mm。毛細(xì)管及敷設(shè)方式如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管輻射供熱末端

地板結(jié)構(gòu)層如圖2所示,從下到上依次為混凝土樓板、聚苯乙烯保溫層、水泥砂漿找平層以及地板面層,毛細(xì)管用卡扣固定在保溫層上方。

圖2 地板結(jié)構(gòu)層

地板中各層材料物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 地板各層材料物理性質(zhì)參數(shù)

項(xiàng)目已運(yùn)行了3個(gè)供暖季,實(shí)際供暖效果達(dá)到要求,純制冷劑系統(tǒng)沒有凍裂的風(fēng)險(xiǎn),很好地滿足了該項(xiàng)目間歇運(yùn)行的需求。使用中卻發(fā)現(xiàn)了個(gè)別區(qū)域存在地板表面溫度較高的問題,經(jīng)過分析,這些區(qū)域都集中在過熱段,但由于過熱段靠近集管,通常敷設(shè)在雜物間、墻角等人員較少駐留的區(qū)域,并未對使用造成影響。但該問題仍然是不可忽視的。因此進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,并調(diào)取了機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 過熱段理論計(jì)算

制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的傳熱過程主要分為過熱段、兩相冷凝段和過冷段。熱泵循環(huán)壓焓如圖3所示,其中h為制冷劑比焓,P為制冷劑壓力。

圖3 熱泵循環(huán)壓焓

圖3中,過程2—5為冷凝過程,其中2—3為過熱段,3—4為兩相冷凝段,4—5為過冷段,結(jié)合機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),可得到采用制冷劑R410A的冷凝過程各點(diǎn)參數(shù),如表2所示。

表2 冷凝過程各點(diǎn)參數(shù)

測試區(qū)域一束毛細(xì)管敷設(shè)面積約為25 m2,實(shí)測地板表面平均熱流密度為83.54 W/m2,得到一束毛細(xì)管散熱量為2.09 kW。

制冷劑質(zhì)量流量:

過熱段散熱量:

Q0=(h2-h3)M=413.09 W

管網(wǎng)以上地板結(jié)構(gòu)層總熱阻:

管網(wǎng)以下地板結(jié)構(gòu)層總熱阻:

向上單位面積傳熱量:

向下單位面積傳熱量:

過熱段對應(yīng)地板面積:

式中:Q為毛細(xì)管實(shí)測總散熱量,W;h為比焓,kJ/kg;Q0為過熱段散熱量,W;R上為管網(wǎng)以上地板結(jié)構(gòu)層總熱阻,m2·K/W;R下為管網(wǎng)以下地板結(jié)構(gòu)層總熱阻,m2·K/W;α1為地板上表面的對流和輻射綜合換熱系數(shù),W/(m2·K),取10 W/(m2·K);α2為地板下表面的對流和輻射綜合換熱系數(shù),W/(m2·K),取8 W/(m2·K);t0為過熱段平均溫度,℃;t1為設(shè)定的室內(nèi)平均溫度,℃,本計(jì)算中取22 ℃;t2為地下室平均溫度,℃,取5 ℃;δ1—δ4分別為面層、找平層、保溫層和樓板的厚度,mm;λ1—λ4分別為面層、找平層、保溫層和樓板的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

根據(jù)過熱段地板面積與總敷設(shè)面積的比例,以及毛細(xì)管長19 m,可得單根毛細(xì)管中過熱段長度為0.92 m。

3 過熱段傳熱模擬

理論計(jì)算中的輸入?yún)?shù)是實(shí)測的地板平均熱流密度,其準(zhǔn)確度受儀器、測試條件及測點(diǎn)選取等因素的影響,下面采用數(shù)值模擬方法對過熱段的傳熱過程進(jìn)行分析,輸入?yún)?shù)為毛細(xì)管入口制冷劑參數(shù),以期得到更準(zhǔn)確詳細(xì)的參數(shù)分布。

3.1 模擬分析

3.1.1 模型建立

由于地板結(jié)構(gòu)及敷設(shè)方式的對稱性,選取長110 cm、寬8 cm、厚21 cm的單根毛細(xì)管影響區(qū)域,在COMSOL Multiphysics中耦合了固體傳熱模塊和流體傳熱模塊進(jìn)行模擬,采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型,地板模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 地板結(jié)構(gòu)層物理模型

3.1.2 模擬條件設(shè)置

1) 毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)傳熱相關(guān)參數(shù)。毛細(xì)管入口設(shè)置為速度入口邊界條件,3.55 m/s,入口上游溫度為348.15 K(75 ℃),上游壓力為2.4 MPa;出口為壓力出口邊界條件,2.12 MPa;管壁設(shè)置為耦合且無滑移邊界條件。

毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)為湍流,選用k-ε湍流模型。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)確定過熱蒸汽溫度為75 ℃,冷凝溫度41 ℃,利用AP1700物質(zhì)物性計(jì)算查詢平臺[11],計(jì)算得到R410A制冷劑的工作參數(shù)如表3所示。

表3 R410A制冷劑熱物理性質(zhì)參數(shù)

2) 地板內(nèi)傳熱相關(guān)參數(shù)。地板左右邊界設(shè)置為絕熱邊界條件;上下表面設(shè)置為第三類邊界條件,其參數(shù)與理論計(jì)算采用的數(shù)據(jù)相同。

3.2 模擬結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.2.1 模擬結(jié)果分析

模擬得到地板表面溫度分布如圖5所示。

從圖5可以看出,地板表面溫度場呈對稱分布,在毛細(xì)管入口處溫度最高,溫度沿流動(dòng)方向逐漸降低。根據(jù)管內(nèi)制冷劑模擬結(jié)果,可得到在距離入口0.97 m左右時(shí),制冷劑溫度達(dá)到冷凝溫度41 ℃,即過熱段長度為0.97 m。

通過對過熱段熱流密度進(jìn)行積分,得到過熱段散熱量為440.43 W,占毛細(xì)管總散熱量的20.08%,相比之下,通過理論計(jì)算得到散熱量為413.09 W,占總散熱量的19.77%,兩者的偏差為6.6%。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

地板表面溫度測試儀器為TR-52i溫度自記儀,平均精度為±0.3 ℃(-20～+80 ℃),沿管長方向距離毛細(xì)管入口0,50,70,90 cm處布置測點(diǎn)。

地板表面實(shí)測溫度與模擬溫度的對比結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,過熱段地板表面溫度實(shí)測值和模擬值的變化趨勢基本一致,均是沿制冷劑流動(dòng)方向迅速降低,模擬與實(shí)測溫差最大值為1.71 ℃,相對誤差最大為4.8%,整體相對誤差在5%以內(nèi)。在距離入口0.7～0.9 m處地板表面溫度趨于穩(wěn)定。

4 過熱段地板表面溫度改善措施

過熱段長度占總管長的5%,影響面積較小,但是散熱量卻占到毛細(xì)管總散熱量的20%左右。在實(shí)際應(yīng)用中,過熱段影響的區(qū)域地板表面溫度偏高,影響局部熱舒適性,在間歇運(yùn)行的情況下還可能會因頻繁熱脹冷縮而影響地板的使用壽命,因此應(yīng)采取相應(yīng)措施來降低此區(qū)域溫度。下面同樣采用數(shù)值模擬的方法對幾種可行的措施進(jìn)行分析。

4.1 增加地板熱阻

增加地板熱阻可有效降低地板表面溫度,在現(xiàn)有條件下,如果加鋪一層5 mm厚的地毯(導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K)),地板表面溫度可控制在25～31 ℃。

需要注意的是,增加地板熱阻之后,單位面積向室內(nèi)的傳熱量減小,過熱段長度會有一定程度的增加。本例中過熱段長度增加了5 cm,也說明了過熱段長度受地板結(jié)構(gòu)和傳熱特性的影響。

4.2 增加相變材料

相變材料在相變過程中可儲存或釋放大量潛熱[12],而溫度基本保持不變,因此在過熱段用相變材料進(jìn)行填充,可以降低此地板表面溫度。如果在毛細(xì)管上方布置2 cm厚相變材料石蠟(相變溫度30 ℃),會使地板表面溫度在蓄熱時(shí)間10 h內(nèi)維持在28 ℃左右。

此方法利用了相變材料的蓄熱特性,相當(dāng)于把熱量在時(shí)間上進(jìn)行了轉(zhuǎn)移,一旦相變完成,溫度仍然會升高,因此僅適合間歇運(yùn)行的情況。

4.3 降低壓縮機(jī)排氣溫度

壓縮機(jī)排氣溫度決定了毛細(xì)管的進(jìn)口溫度,會直接影響地板表面的溫度分布,在滿足負(fù)荷要求的情況下,可以通過降低排氣溫度的方法降低地板表面溫度。通過模擬分析可知,隨著排氣溫度的降低,地板表面溫度呈線性降低趨勢,當(dāng)排氣溫度降到45 ℃時(shí),地板表面最高溫度為32.56 ℃。

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測,對空氣源熱泵直凝式地板供暖系統(tǒng)過熱段的傳熱特性及其改善措施進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

1) 空氣源熱泵直凝式地板供暖系統(tǒng)由于過熱段的存在,會帶來局部地板表面溫度過高的問題,影響熱舒適性以及地板的使用壽命。

2) 過熱段的參數(shù)與地板結(jié)構(gòu)和傳熱特性有關(guān),本例中過熱段長度約占總管長的5%,散熱量占總散熱量的20%左右。

3) 提出的3種措施均可改善過熱段地板表面溫度過高的問題,其中增加地板熱阻會在一定程度上增加過熱段長度,利用相變材料蓄熱適合間歇運(yùn)行的情況,而降低壓縮機(jī)排氣溫度僅在滿足負(fù)荷要求的情況下才適用。