空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究_高寒.pdf

第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究高寒，王刚，贾恩灿（青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 ）摘要：空气源热泵直凝式地板辐射供暖系统，直接将制冷剂导入房间地板的毛细管中进行冷凝放热，减少了中间的能量传递环节，系统简单，且具有较好的节能性。但由于刚供入地板的制冷剂处于过热状态，地板表面会出现局部温度过高的现象，在实际应用中也发现了这个问题。结合理论计算、数值模拟和现场实测的方法，对地板过热段的传热特性进行了研究。结果发现，过热段长度约占毛细管总长度的，散热量占总散热量的 左右。针对过热段影响区域温度过高的问题，提出了增加地板热阻、增加相变材料进行蓄热和降低压缩机排气温度项改善措施，可有效降低该区域地板表面温度，改善热舒适性以及延长地板的使用寿命。关键词：空气源热泵；毛细管；直凝式系统；过热段；传热特性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：山东省重点研发计划项目（）作者简介：高寒（），女，河北廊坊人。硕士，研究方向为新能源利用与建筑节能。：。通信作者：王刚（），男，山东莱西人。博士，副教授，主要从事新能源利用与建筑节能方面的研究。：。，（，）：，：；第期高寒，等：空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究 空气源热泵直凝式地板供暖系统采用敷设在地板中的铜毛细管作为空气源热泵的末端，将空气源热泵技术与地板辐射供暖技术相结合，通过消耗少量电能制取热量，制冷剂通过一次冷凝相变换热的形式直接将热量传至地面，通过对流和辐射的方式向室内散热。该系统除了具有空气源热泵和辐射供暖系统节能、舒适等特点外，还具有以下几点优势：该系统用室内毛细管代替常规冷凝器，不需要循环泵、换热设备等，系统更加简单，结构加更紧凑。该系统直接利用制冷剂作为传热介质，省略了制冷剂和低温热水的传热过程，降低了传热损失；制冷剂传递的热量为水的 倍、空气的 倍，从而降低了输配能耗。目前该系统处于工程探索阶段，国内已有小范围的应用，运行效果可以满足基本的供暖需求，系统特性方面的研究也已展开。曾章传、吴锦京等通过实验和模拟对直凝式系统在连续和间歇两种供暖模式下的室内热环境、运行特性等进行了分析，并综合评价了经济性；，等提出了一种新型的以散热器为末端的直凝式空气源热泵供暖系统，并通过实验研究了该系统在供暖期间的热工性能和系统效率等情况。通过分析发现，目前的研究主要集中在相变换热段，没有考虑制冷剂过热段的影响，而过热段的存在会使地板表面部分区域温度过高，从而影响室内热舒适以及地板的使用寿命。对冷凝器过热段的研究主要围绕传统冷凝器进行。等通过用 进行可视化传热实验发现了冷凝过热区的存在，这有助于更深入地了解发生在冷凝前过热段的物理过程。张发勇通过分布参数积分的方法建立冷凝器中过热段、两相段、过冷段的计算模型，得到不同制冷工况下冷凝器三段的换热长度，其中过热段长度均在 范围内。张璐等发现在实际运行中，不同种类的制冷剂在相同的冷凝温度及运行压力下所对应的过热度不同，过热区换热量在冷凝器总换热量中的占比可超过。在地板辐射供暖系统中，冷凝器传热与地板传热是耦合的，其传热特性受到地板传热特性的影响。为了评价过热段的影响范围及程度，本文结合某实际项目，采用理论计算和数值模拟的方法对冷凝器过热段传热特性进行了分析，结合现场实测进行了验证，并提出了降低过热段地板表面温度的措施。项目概况该项目为某亲子游泳馆，总面积为 ，供暖系统采用空气源热泵直凝式系统，末端采用敷设于地板中的铜制毛细管供热。一束毛细管由两端的集管和中间的 路毛细管组成，毛细管外径，内径，长度均为，管间距为。毛细管及敷设方式如图所示。图毛细管辐射供热末端地板结构层如图所示，从下到上依次为混凝土楼板、聚苯乙烯保温层、水泥砂浆找平层以及地板面层，毛细管用卡扣固定在保温层上方。青 岛理工大学学报第 卷图地板结构层地板中各层材料物理性质参数如表所示。项目已运行了个供暖季，实际供暖效果达到要求，纯制冷剂系统没有冻裂的风险，很好地满足了该项目间歇运行的需求。使用中却发现了个别区域存在地板表面温度较高的问题，经过分析，这些区域都集中在过热段，但由于过热段靠近集管，通常敷设在杂物间、墙角等人员较少驻留的区域，并未对使用造成影响。但该问题仍然是不可忽视的。因此进行了现场实测，并调取了机组运行数据，在此基础上进行详细分析。表地板各层材料物理性质参数地板材料导热系数（）密度（）厚度碎石混凝土（楼板）聚苯乙烯泡沫塑料板（保温层）水泥砂浆（找平层）地板材料（面层）图热泵循环压焓表冷凝过程各点参数状态点温度比焓（）过热段理论计算制冷剂在毛细管内的传热过程主要分为过热段、两相冷凝段和过冷段。热泵循环压焓如图所示，其中为制冷剂比焓，为制冷剂压力。图中，过程为冷凝过程，其中为过热段，为两相冷凝段，为过冷段，结合机组运行数据，可得到采用制冷剂 的冷凝过程各点参数，如表所示。测试区域一束毛细管敷设面积约为，实测地板表面平均热流密度为 ，得到一束毛细管散热量为。制冷剂质量流量：.过热段散热量：（）.管网以上地板结构层总热阻：上.管网以下地板结构层总热阻：下.向上单位面积传热量：上上 .向下单位面积传热量：第期高寒，等：空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究下下.过热段对应地板面积：上下.式中：为毛细管实测总散热量，；为比焓，；为过热段散热量，；上为管网以上地板结构层总热阻，；下为管网以下地板结构层总热阻，；为地板上表面的对流和辐射综合换热系数，（），取 （）；为地板下表面的对流和辐射综合换热系数，（），取（）；为过热段平均温度，；为设定的室内平均温度，本计算中取；为地下室平均温度，取；分别为面层、找平层、保温层和楼板的厚度，；分别为面层、找平层、保温层和楼板的导热系数，（）。根据过热段地板面积与总敷设面积的比例，以及毛细管长，可得单根毛细管中过热段长度为 。过热段传热模拟理论计算中的输入参数是实测的地板平均热流密度，其准确度受仪器、测试条件及测点选取等因素的影响，下面采用数值模拟方法对过热段的传热过程进行分析，输入参数为毛细管入口制冷剂参数，以期得到更准确详细的参数分布。模拟分析模型建立由于地板结构及敷设方式的对称性，选取长 、宽、厚 的单根毛细管影响区域，在 中耦合了固体传热模块和流体传热模块进行模拟，采用稳态传热模型，地板模型及网格划分如图所示。图地板结构层物理模型模拟条件设置）毛细管内流动传热相关参数。毛细管入口设置为速度入口边界条件，入口上游温 度 为 （），上 游 压 力 为 ；出口为压力出口边界条件，；管壁设置为耦合且无滑移边界条件。毛细管内流动为湍流，选用湍流模型。根据实际运行数据确定过热蒸汽温度为，冷凝温度 ，利用 物质物性计算查询平台，计算得到 制冷剂的工作参数如表所示。表 制冷剂热物理性质参数温度导热系数（）密度（）定压比热容（）动力黏度（）地板内传热相关参数。地板左右边界设置为绝热边界条件；上下表面设置为第三类边界条件，其参数与理论计算采用的数据相同。模拟结果分析及验证模拟结果分析模拟得到地板表面温度分布如图所示。青 岛理工大学学报第 卷图过热段地板表面温度分布从图可以看出，地板表面温度场呈对称分布，在毛细管入口处温度最高，温度沿流动方向逐渐降低。根据管内制冷剂模拟结果，可得到在距离入口 左右时，制冷剂温度达到冷凝温度，即过热段长度为 。通过对过热段热流密度进行积分，得到过热段散热量为 ，占毛细管总散热量的 ，相比之下，通过理论计算得到散热量为 ，占总散热量的 ，两者的偏差为 。实验验证地板表面温度测试仪器为 温度自记仪，平均精度为（），沿管长方向距离毛细管入口，处布置测点。地板表面实测温度与模拟温度的对比结果如图所示。从图可以看出，过热段地板表面温度实测值和模拟值的变化趋势基本一致，均是沿制冷剂流动方向迅速降低，模拟与实测温差最大值为 ，相对误差最大为 ，整体相对误差在以内。在距离入口 处地板表面温度趋于稳定。过热段地板表面温度改善措施过热段长度占总管长的，影响面积较小，但是散热量却占到毛细管总散热量的 左右。在实际应用中，过热段影响的区域地板表面温度偏高，影响局部热舒适性，在间歇运行的情况下还可能会因频繁热胀冷缩而影响地板的使用寿命，因此应采取相应措施来降低此区域温度。下面同样采用数值模拟的方法对几种可行的措施进行分析。增加地板热阻增加地板热阻可有效降低地板表面温度，在现有条件下，如果加铺一层 厚的地毯（导热系数为 （），地板表面温度可控制在 。需要注意的是，增加地板热阻之后，单位面积向室内的传热量减小，过热段长度会有一定程度的增加。本例中过热段长度增加了，也说明了过热段长度受地板结构和传热特性的影响。增加相变材料相变材料在相变过程中可储存或释放大量潜热，而温度基本保持不变，因此在过热段用相变材料进行填充，可以降低此地板表面温度。如果在毛细管上方布置 厚相变材料石蜡（相变温度），会使地板表面温度在蓄热时间 内维持在 左右。此方法利用了相变材料的蓄热特性，相当于把热量在时间上进行了转移，一旦相变完成，温度仍然会升高，因此仅适合间歇运行的情况。降低压缩机排气温度压缩机排气温度决定了毛细管的进口温度，会直接影响地板表面的温度分布，在满足负荷要求的情况第期高寒，等：空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究下，可以通过降低排气温度的方法降低地板表面温度。通过模拟分析可知，随着排气温度的降低，地板表面温度呈线性降低趋势，当排气温度降到 时，地板表面最高温度为 。结论通过理论计算、数值模拟及现场实测，对空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段的传热特性及其改善措施进行了分析，主要结论如下：）空气源热泵直凝式地板供暖系统由于过热段的存在，会带来局部地板表面温度过高的问题，影响热舒适性以及地板的使用寿命。）过热段的参数与地板结构和传热特性有关，本例中过热段长度约占总管长的，散热量占总散热量的 左右。）提出的种措施均可改善过热段地板表面温度过高的问题，其中增加地板热阻会在一定程度上增加过热段长度，利用相变材料蓄热适合间歇运行的情况，而降低压缩机排气温度仅在满足负荷要求的情况下才适用。参考文献（）：王园园，张超，梁年良，等空气源热泵冷剂直热式建筑采暖系统研究现状建筑节能，（）：，（）：叶盛，陈汝东 数码涡旋 空调系统的节能因素分析 应用能源技术，（）：，（）：曾章传空气源热泵直接地板辐射采暖能效及地板传热研究郑州：郑州大学，：，吴锦京空气源热泵直接地板辐射采暖热舒适及经济性研究郑州：郑州大学，：，：，：，：张发勇 翅片管降膜冷凝器的实验研究 广州：华南理工大学，：，张璐，刘金平，许雄文水平管内的过热冷凝传热性能数值模拟工业炉，（）：，（）：王琳基于直膨式毛细管供热的空气源热泵地板换热特性研究青岛：青岛理工大学，：，山东智宇网络科技有限公司 物质物性计算查询平台 ：李伟，刘向农，杨磊，等 定形相变蓄热单元周期性释热实验分析 制冷学报，（）：，（）：（责任编辑赵金环；英文校审程文华）