太阳能空气能热泵中电子膨胀阀受太阳辐射影响下的运行特性分析

王永帅， 田琦， 徐振， 李兆函

(太原理工大学 土木工程学院， 太原 030024)

随着建筑技术的迅速发展，我国建筑能耗已占社会总能耗的1/3[1]，并预计在2030年将上升至40%[2]，其中，暖通空调的能耗占建筑能耗的50%[3].太阳能辅助空气源热泵(SAHP)系统是一种高效且节能的系统，针对该系统中电子膨胀阀(EEV)的研究已取得了一定的成果.文献[4-8]采用变频磁力泵和制冷剂R134a，通过近似实际工况的方案，详细阐述测试设备的设计细节、测量参数、控制参数.Sun等[9]采用实际传感器代替虚拟传感器，通过实际压力测量取代电子膨胀阀控制，提升了电子膨胀阀调控的灵敏度和精度.Al-Badri等[10]采用3种方法控制变速压缩机和冷水机组电子膨胀阀，分析对比后发现，具有自适应EEV开路的单控制环路减小了过热度的波动，提升了机组的稳定性.Del-Valle等[11]将加热元件缠绕在感温包上，通过控制提供给加热装置的功率来控制蒸发器出口处的过热度，减小了过热振荡，从而防止低负荷下蒸发器中的振荡.何俊等[12]研究电子膨胀阀开度与压缩机频率变化对过热度和压比的影响，并通过质量流量一致建立电子膨胀阀开度和压缩机频率两者的关系，从而减少不必要的调节，使系统在某一工况下迅速达到平衡.周兴禧等[13]通过分析膨胀阀开度对蒸发器入口压力、干度(过热度)、制冷剂流量和温度的影响，得到两膨胀阀之间的最佳处理关系.虞中旸等[14]研究压缩机低频率下运行时的机组制冷量和机组性能，提出可以提高冷冻水温度或室内温度使电子膨胀阀的控制比例带变宽.国内外学者对电子膨胀阀的调控进行了大量研究，但目前还没有针对EEV受太阳辐射影响的运行特性的研究，而EEV由于受太阳辐射的影响又会对开度调节产生影响，从而导致机组性能下降甚至损害机组的正常运行.

太阳能空气能热泵(solar integrated air source heat pump，SIASHP)系统的核心部件为室外太阳能集热蒸发器，与常规空气源热泵相比，SIASHP主要通过蒸发器翅片表面覆盖的一层太阳能薄膜，同时吸收太阳辐射中的热能和空气能[15].这一变化可以有效提升太阳辐射时系统的蒸发温度及蒸发压力，但同时EEV的控制也受到太阳辐射变化的影响.基于此，本文使用实验和TRNSYS模拟的方法，对EEV的运行特性进行探究.

1 系统组成及工作原理

SIASHP实验系统由室内机和室外机组成.采用对照法，同时测试实验机组(SIASHP)和对照机组(常规空气源热泵)在相同环境条件下的能效比.两个机组的室内换热器、压缩机和电子膨胀阀等主要部件均完全相同.两个机组的室内机，如图1所示.实验机组的室外机，如图2所示.

图1 两个机组的室内机 图2 实验机组的室外机 Fig.1 Indoor unit of two units Fig.2 Outdoor unit of experimental unit

1.1 实验机组系统

主要部件.1) 直流变频压缩机.压缩机排量为10.8 cm3·r-1，额定输入功率为835 W，转速范围为12～120 r·s-1.2) 室外换热器.室外机翅片涂有铬原子层积吸热采暖膜，采用强磁凝聚的方法附着在翅片表面，太阳能吸收膜吸收率为0.95，红外发射率为0.10；蒸发器翅片为单排样式，共5路，每路含6个通道，材质为紫铜管，铜管间距为25 mm，换热管外径为9.52 mm，翅片厚度为0.2 mm，铝翅片间距为2 mm，安装角度为90°.室外换热器采用变频风机，额定功率为350 W，额定风量为5 000 m3·h-1.3) 室内换热器.室内机材质为铜管套铝翅片，采用变频风机，额定功率为250 W，额定风量为1 000 m3·h-1.4) 膨胀阀.膨胀阀为电子膨胀阀，开度控制受过热度影响，过热度增大，开度增大，过热度减小，开度减小；开度范围为15%～120%，对应脉冲步数为100～1 000.

气流组织.装置将传统气流组织进行改进，成为正压吹风的气流组织形式，该气流组织形式的风机位于室外换热器后端，减少了对室外换热器接收太阳能的阻挡，提高了太阳能的利用率.然而，与吸风形式相比，吹风形式的气流更加集中，造成换热器表面气流中部大、两端小的不均匀分布，严重影响了换热，因此，采用表面有不均匀开孔的孔板(中间开孔稀疏、两侧开孔密集)对气流进行导流，以达到气流组织均匀的目的(图2).

图3 SIASHP机组的制热原理图Fig.3 Heating schematic diagram of SIASHP unit

1.2 SIASHP机组工作原理

SIASHP机组的制热原理图，如图3所示.该机组室外换热器与室内换热器均为管翅式换热器，在换热时由制冷剂直接进行相变，换热器铜管翅片与空气直接换热.系统的节流装置采用电子膨胀阀.电子膨胀阀可通过控制面板调节开度，便于实验系统测试及实验数据分析.此外，压缩机采用涡旋压缩机.涡旋压缩机体积小，常用作家用设备制冷，与此装置结构特性较为匹配.此机组的制冷剂为R410A，制冷剂经过室外机蒸发器换热，同时吸收太阳辐射热量，之后经过压缩机成为高温高压的气体进入室内机，通过冷凝器换热后成为低温高压液体进入膨胀阀及室外蒸发器，转换为低温低压的蒸汽后再次进入压缩机，完成一个制热循环.

相对于普通太阳能辅助空气源热泵机组，SIASHP机组在室外机换热器翅片侧涂有铬原子层太阳能选择吸收膜，该吸收膜通过强磁聚的方法附着于翅片表面，目的是在冬季制热时吸收太阳辐射并转换为热量，从而提高蒸发温度，使冬季制热时机组性能更好.

2 实验方法

实验从2019年11月24日进行至2019年12月24日，测试时间为8:00-18:00，地点为山西省晋中市榆次区，经、纬度分别为112.732 032，37.758 899，实验在一层楼地面进行.通过TBQ-DL型总辐射表对太阳辐射进行测试.选取这一个月内气候条件达到实验要求(全天辐射范围在50～500 W·m-2内)的时间进行测量，测试间隔为30 min，以保证机组在室外气候条件变化时可达到稳定.测量的室外气象参数包括太阳总辐射量，空气温、湿度及风速.太阳总辐射量测量仪置于室外机外壳顶部.室外温度采用Pt100测量探头测量，并在探头外表面裹上铝箔反射层，避免太阳辐射对温度测量的影响.采用手持式湿度仪在机组吸风侧附近测量室外湿度.

表1 实验仪器参数Tab.1 Parameters of experimental instruments

实验设备分为主体设备和测试设备.主体设备包括太阳能空气能热泵及常规空气源热泵；测试设备包括太阳能总辐射仪、手持式温湿度仪、计时器、32路无纸型温度记录仪和配套Pt100热电阻、手持风速仪、单相式电能表、电功率计.实验仪器参数，如表1所示.

实验过程中，调节EEV开度范围为20%～80%，以4%为调节间隔，在相同室外环境影响下，记录SIASHP机组和常规机组的太阳辐射强度、室内出风温度、室内温度、室内机组出风点风速及机组功率.

3 实验模拟

根据2019年11月24日至2019年12月24日采集的气象参数及SIASHP机组的具体规格和热力学参数，应用加载Fortran编程的TRNSYS能耗模拟软件，对基于SIASHP的EEV与太阳辐射强度匹配特性进行模拟.对比实验机和对照机两组热泵装置的能效比(COP)、制热量.

3.1 数学模型的建立

使用TRNSYS软件对设备运行进行模拟时，需要将系统部件导入模拟平台.由于太阳能空气能热泵装置与常规空气源热泵的差异主要在于室外换热器，因此，需要建立室外换热器的数学模型.

室外换热器在运行时与空气进行热交换且吸收太阳辐射能量.在建模过程中，如果可以有效地将太阳能与空气能分离，分别构建太阳能及空气能对系统的影响的数学模型，那么，整个系统就可以简化为常规空气源热泵与具有一定效率的太阳能供热装置并联，从而大大简化模型建立时的工作量，且所建立模型具有通用性，将为其他太阳能辅助空气源热泵模型的简化提供依据.

3.1.1 室外换热器太阳能利用数学模型 系统太阳能辐射有效吸收量Qs可以表示为

Qs=SI-Qlo-Qlh.

(1)

式(1)中:S为有效太阳能集热面积；Qlo为太阳能辐射损耗量；Qlh为空气热能辐射损耗量；I为太阳能辐射强度，表达式为

(2)

式(2)中:σ为斯蒂芬·玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·(m2·K4)-1；Tsky为天空有效温度；R0为太阳半径；R为天空有效温度点与地球表面的距离.

3.1.2 SIASHP室外换热器总换热量 室外换热器热交换过程包括换热器铜管与翅片吸收太阳能过程和室外换热器与空气换热过程.以冬季为例，翅片吸收太阳能使翅片温度上升，系统太阳辐射换热量增加；但翅片温度上升减小了翅片与周围环境的温差，对流换热量减小.室外换热器总换热量Q表示为

Q=Qc+Qs=Qc，o-ΔQc+Qs.

(3)

图4 室外换热器截面示意图Fig.4 Section of outdoor heat exchanger

式(3)中:Qc为对流换热量；Qc，o为无太阳辐射时的对流换热量；ΔQc为在除太阳辐射强度外的相同环境条件下，有、无太阳辐射时的对流换热量差值.

根据式(3)可知，ΔQc反映了太阳辐射对对流换热的影响，与翅片温度和环境温度有关，而翅片温度和换热器铜管导热相关，因此，需要从微元角度分析.室外换热器截面示意图，如图4所示.图4中：x为截面边界长度；dx为截面微元长度；Φs为截面太阳能辐射有效吸收量；Φx为x部分的对流换热量；Φx-dx为x-dx部分的对流换热量；δ为截面翅片厚度；L为截面翅片宽度；H为截面翅片长度.

为了便于研究，做以下3点假设：1) 翅片上对流换热系数h及导热系数λ均为常数；2) 翅片沿L方向的温度恒定；3) 翅片表面对流换热热阻1/h远大于导热热阻δ/λ，因此，翅片在厚度方向的温度恒定.

3.2 SIASHP系统的TRNSYS模型

为了更好地模拟太阳辐射影响下的系统性能，利用TRNSYS仿真软件对SIASHP系统进行仿真.由于TRNSYS软件中的HVAC Library没有系统所需求的太阳能空气能集热蒸发器，因此，基于TRNSYS开源的源代码编程，使用Fortran编辑SIASHP系统.

通过该程序可以研究系统在静态工况下机组的性能参数.模拟得到机组在静态工况下的匹配特性较好；再接入TRNSYS室外天气参数，研究系统在受太阳辐射影响下电子膨胀阀的运行特性及机组的动态匹配特性.SIASHP机组和常规机组的TRNSYS模型，如图5所示.

图5 SIASHP机组和常规机组的TRNSYS模型Fig.5 TRNSYS model of SIASHP unit and conventional unit

4 实验结果与分析

4.1 模拟验证

室外机除去压缩机动力部分的尺寸(长×宽×高)为1.3 m×0.6 m×0.8 m；流体比热为1.727 1 kJ·(kg·K)-1；集热器翅片的效率系数为69.5%；太阳能空气能集热蒸发器中的太阳能选择吸收膜的发射率为6%，吸收率为97%；室外机组外壳为透明钢化玻璃，透明板的可见光透过率为90%，反射率为10%，因此，折射率n=1.925.

图6 实验值和模拟值的对比Fig.6 Comparison between experimental and simulation values

冬季工况不同太阳辐射强度下，机组的系统能效比COP表示为

(4)

为了验证模拟结果的可靠性，将SIASHP机组COP的实验值和模拟值进行对比，如图6所示.图6中：t为运行时间.

相较于实验值，模拟值的最大误差为8.52%，最小误差为2.70%.由此可以看出，SIASHP机组的模拟结果和实验数据吻合较好，验证了建立模型的准确性.

图7 SIASHP机组和常规机组的COP对比Fig.7 Comparison of COP between SIASHP unit and conventional unit

4.2 太阳能空气能热泵系统性能分析

使用TRNSYS软件对电子膨胀阀开度进行无级调节，计算SIASHP机组的性能系数.

4.2.1 SIASHP机组和常规机组性能对比 在电子膨胀阀开度为12%时，模拟SIASHP机组和常规机组，并对其COP进行对比，如图7所示.

由图7可知：常规机组的COP最大值比SIASHP机组低12.4%，并且其COP受室外温度影响较大；而SIASHP机组的COP随着室外太阳辐射强度的增大而增大.

4.2.2 SIASHP机组在不同EEV开度下的机组性能 选取2019年11月24日至2019年12月24日之间平均太阳辐射强度最大的一天，即2019年12月15日，通过TBQ-DL型太阳总辐射仪实测太阳辐射强度(I)，结果如图8所示.通过TRNSYS软件进行模拟，得到SIASHP机组的COP随电子膨胀阀开度(α)的变化，如图9所示.

图8 太阳辐射强度随时间的变化 图9 SIASHP机组COP随电子膨胀阀开度的变化 Fig.8 Variation of solar radiation Fig.9 Variation of COP of SIASHP unit with intensity with time opening of electronic expansion valve

由图8，9可知：SIASHP机组的COP随着太阳辐射强度的增强而增强，当太阳辐射强度达到最大时，机组能效比最大，当太阳辐射强度减弱时，机组能效比下降；机组COP的最大值由高到低对应的EEV开度为52%>48%>56%>44%>40%>60%，在开度为40%～52%的调节区间内，随着EEV开度的增大，机组COP也随之升高；相较于开度为40%，EEV开度为52%时机组的COP最大值增大了13.8%，之后随着开度的增大(52%调节至56%时)，机组COP最大值由3.13下降至2.95，下降了6.1%，当EEV开度为60%时，机组COP最大值下降了18.1%.

造成这种现象的原因是在电子膨胀阀开度较小时，随着开度的增大，SIASHP机组的制热量增大，功率相对增大，机组的COP也逐渐提高，但由于电子膨胀阀的控制比例带ζ较小，受控参数变化灵敏，系统过调严重，导致进入热泵集热蒸发器中的制冷剂流量超出其运行负荷，使制冷剂进入压缩机中没有完全气化，液体或湿蒸汽被吸入压缩机，导致压缩机发生液击，机组性能下降.

图10 不同α下两个机组的COPav对比Fig.10 Comparison of COPav of two units under different α

4.2.3 EEV开度阈值对比 为了探究SIASHP机组和常规机组运行时EEV开度的阈值，在图8所示的太阳辐射强度情况下进行模拟，比较不同α下两个机组的均值COP(COPav)，如图10所示.

由图10可知：当α=52%时，SIASHP机组的COPav达到最大，在压缩机安全运行范围之内，当α达到84%后，机组性能达到稳定，可见SIASHP机组的EEV开度阈值为84%；相较于SIASHP机组，常规机组的EEV开度受室外环境的影响较小，因此受过热度的影响较小，其COPav最大值对应的EEV开度为60%，在压缩机安全运行范围之内，当EEV开度为76%时，机组性能达到稳定，常规机组的EEV开度阈值为76%.可见SIASHP机组的EEV调节区间相较于常规机组提高了12.5%，这是由于SIASHP机组受太阳辐射影响，进入蒸发器中的制冷剂换热充分.

4.2.4 EEV开度随太阳辐射强度的变化 为了探究SIASHP机组和常规机组运行时EEV开度的变化，在图8所示的太阳辐射强度情况下进行模拟，研究EEV开度随太阳辐射强度的变化，如图11所示.

图11 EEV开度随太阳辐射强度的变化Fig.11 Variation of EEV opening with solar radiation intensity

由图11可知：随着太阳辐射强度的增大，SIASHP机组的EEV开度逐渐增大，这是因为随着太阳辐射强度的增大，过热度逐渐增大，从而使EEV的开度增大；当太阳辐射强度达到350 W·m-2时，SIASHP机组的EEV开度逐渐稳定，随着太阳辐射强度继续增大至450 W·m-2后，EEV开度先下降后升高.这是由于太阳辐射增强使蒸发温度升高，蒸发压力增大，制冷剂流速增大，与另一侧换热时间减少，换热不充分，造成蒸发器出口制冷剂温度下降，过热度减小，而随着过热度的降低，EEV开度也逐渐减小.当换热充分时，随着太阳辐射强度的增大，过热度又逐渐增大，EEV开度也随之增大.

当SIASHP机组性能不稳定时，可以采用自动控制装置调节EEV开度，使其在20%～80%范围内运行，从而使进入压缩机的制冷剂完全汽化，保证压缩机安全运行.而常规机组的EEV开度虽也受过热度影响，但其过热度只受室外干球温度影响，因此，在干球温度达到峰值后，常规机组的EEV开度趋于稳定.

5 结论

通过实验和TRNSYS模拟，对SIASHP机组的EEV运行特性进行研究，得出以下3个结论.

1) 在室外环境条件相同的工况下，当EEV开度为52%时，SIASHP机组COP达到最大值，为保证机组高效运行，在EEV调控过程中，不可一味增大开度，应尽量使其保持在临界值处，且在EEV设计时，应注意会出现的超调等现象.

2) 受太阳辐射影响，SIASHP机组的EEV调节区间相较于常规机组提高了12.5%.根据此特性，在太阳辐射强度为0～450 W·m-2区间内，SIASHP机组的EEV开度较大时，也可保持稳定运行而不出现故障.

3) 在太阳辐射强度达到450 W·m-2时，SIASHP机组EEV开度会出现波动，导致机组运行不稳定，因此，在太阳辐射强度大于450 W·m-2时，可通过自控检测太阳辐射强度，自动调节EEV开度在20%～80%范围内运行.在设计机组时，自控装置应综合过热度和太阳辐射强度对EEV开度进行调节，当太阳辐射强度低于450 W·m-2时，可通过检测过热度进行调节；当太阳辐射强度大于450 W·m-2时，需检测太阳辐射强度来调控EEV开度.