空气源热泵直凝式地板供暖系统过热段传热特性研究

时间：2024-07-29

高寒,王刚,贾恩灿

(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛 266525)

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[1]。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:①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。②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10倍、空气的20倍[2],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[3-4]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;ZHANG,SHAO等[5-6]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。MELISSA等[7]通过用R134a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[8]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1～1.3 m范围内。张璐等[9]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15%。

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。

1 项目概况

该项目为某亲子游泳馆,总面积为2000 m2,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[10]。一束毛细管由两端的集管和中间的12路毛细管组成,毛细管外径3 mm,内径2 mm,长度均为19 m,管间距为80 mm。毛细管及敷设方式如图1所示。

图1 毛细管辐射供热末端

地板结构层如图2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。

图2 地板结构层

地板中各层材料物理性质参数如表1所示。

表1 地板各层材料物理性质参数

项目已运行了3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。

2 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3所示,其中h为制冷剂比焓,P为制冷剂压力。

图3 热泵循环压焓

图3中,过程2—5为冷凝过程,其中2—3为过热段,3—4为两相冷凝段,4—5为过冷段,结合机组运行数据,可得到采用制冷剂R410A的冷凝过程各点参数,如表2所示。

表2 冷凝过程各点参数

测试区域一束毛细管敷设面积约为25 m2,实测地板表面平均热流密度为83.54 W/m2,得到一束毛细管散热量为2.09 kW。

制冷剂质量流量:

过热段散热量:

Q0=(h2-h3)M=413.09 W

管网以上地板结构层总热阻:

管网以下地板结构层总热阻:

向上单位面积传热量:

向下单位面积传热量:

过热段对应地板面积:

式中:Q为毛细管实测总散热量,W;h为比焓,kJ/kg;Q0为过热段散热量,W;R上为管网以上地板结构层总热阻,m2·K/W;R下为管网以下地板结构层总热阻,m2·K/W;α1为地板上表面的对流和辐射综合换热系数,W/(m2·K),取10 W/(m2·K);α2为地板下表面的对流和辐射综合换热系数,W/(m2·K),取8 W/(m2·K);t0为过热段平均温度,℃;t1为设定的室内平均温度,℃,本计算中取22 ℃;t2为地下室平均温度,℃,取5 ℃;δ1—δ4分别为面层、找平层、保温层和楼板的厚度,mm;λ1—λ4分别为面层、找平层、保温层和楼板的导热系数,W/(m·K)。

根据过热段地板面积与总敷设面积的比例,以及毛细管长19 m,可得单根毛细管中过热段长度为0.92 m。

3 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。

3.1 模拟分析

3.1.1 模型建立

由于地板结构及敷设方式的对称性,选取长110 cm、宽8 cm、厚21 cm的单根毛细管影响区域,在COMSOL Multiphysics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4所示。

图4 地板结构层物理模型

3.1.2 模拟条件设置

1) 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,3.55 m/s,入口上游温度为348.15 K(75 ℃),上游压力为2.4 MPa;出口为压力出口边界条件,2.12 MPa;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k-ε湍流模型。

根据实际运行数据确定过热蒸汽温度为75 ℃,冷凝温度41 ℃,利用AP1700物质物性计算查询平台[11],计算得到R410A制冷剂的工作参数如表3所示。

表3 R410A制冷剂热物理性质参数

2) 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。

3.2 模拟结果分析及验证

3.2.1 模拟结果分析

模拟得到地板表面温度分布如图5所示。

从图5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0.97 m左右时,制冷剂温度达到冷凝温度41 ℃,即过热段长度为0.97 m。

通过对过热段热流密度进行积分,得到过热段散热量为440.43 W,占毛细管总散热量的20.08%,相比之下,通过理论计算得到散热量为413.09 W,占总散热量的19.77%,两者的偏差为6.6%。

3.2.2 实验验证

地板表面温度测试仪器为TR-52i温度自记仪,平均精度为±0.3 ℃(-20～+80 ℃),沿管长方向距离毛细管入口0,50,70,90 cm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6所示。

从图6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1.71 ℃,相对误差最大为4.8%,整体相对误差在5%以内。在距离入口0.7～0.9 m处地板表面温度趋于稳定。

4 过热段地板表面温度改善措施

过热段长度占总管长的5%,影响面积较小,但是散热量却占到毛细管总散热量的20%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。