多模态加热条件下水凝胶平板/翅片式双源热泵的性能与瞬态行为：实验研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance and transient behavior of a hydrogel flat-plate/finned dual-source heat pump under multi-mode heating: An experimental study

　　

• 采用热致变色水凝胶的整铸双源换热器，实现季节性自适应能量调控；
• 表征电子膨胀阀（EEV）驱动的锯齿状振荡及其同相/反相关系；
• 由于EEV/压缩机的缓冲作用，热源波动对蒸发器和冷凝器的影响具有不对称性；
• EEV驱动的过热度振荡随冷凝压力升高而通过阀门增益衰减；
• 在各种工况下实现稳健运行，COP可达3.23–4.77。

## 引言

全球建筑能耗随人口增长和经济发展而持续上升[1]。空间供暖和热水制备占相当大的比重[2]。热泵因其高效率，被公认为低碳供暖电气化和建筑脱碳的核心技术[3]、[4]。在各种构型中，太阳能辅助热泵（SAHP）可通过提高热源温度实现更高的COP[5]、[6]。采用集热器-蒸发器一体化架构的直接膨胀太阳能辅助热泵（DX-SAHP）可进一步提升热性能[7]、实现紧凑经济的结构设计、具备防冻特性[8]以及更高的灵活性[9]。

在良好环境条件下，DX-SAHP系统表现出优异性能。Kong等[10]对DX-SAHP热水器的实验显示日平均COP达4.52，晴天COP超过4.0，阴天仍保持在3.0以上。Benchamma等[11]报道阿尔及利亚DX-SAHP的COP范围为2.3–3.8，验证了在寒冷干旱地区的可行性。Jiang等[12]开发了一种基于视觉太阳能跟踪的双轴跟踪DX-PVT热泵，比双轴PV系统多发电6.4%，日COP提升4.3–12.2%。Chow等[13]将SAHP应用拓展至水与空间联合供暖，展示了此类系统在建筑能源供应中的通用性。Abbasi等[14]在寒冷气候下测试了DX-SAHP原型机，报告晴天冬季平均COP为3.1，阴天夏季为3.0，但在阴天冬季无法运行。

然而，鉴于太阳辐照度和用户需求模式的复杂性和多变性，系统稳定性和鲁棒性仍需进一步改进[15]。随后，太阳能-空气双源热泵构型被提出[16]。Chinnasamy等[17]开发了一种带强制对流的直接膨胀改进型太阳能-空气双源热泵，报告三种运行模式下日平均COP为3.22。Conte等[18]实验研究了采用PVT蒸发器的双源CO?热泵，分别在空气模式、太阳能模式和同时模式下运行；同时使用两个蒸发器提高了蒸发压力和COP，优于单源运行。Liu等[19]提出了一种集成式非玻璃太阳能-空气双源热泵，在复合集热器-蒸发器中采用涂覆吸热材料的翅片管；结果显示蒸发温度提高最多3.2 °C，COP提升最多19.3%。为便于对报告信息进行比较，表1总结了关键运行条件和结果。

尽管取得了上述进展，但大多数双源系统采用结构独立的蒸发器——通常为平板太阳能集热器和翅片管空气源换热器[18]、[20]。独立管路、切换阀和额外接头增加了部件数量、安装复杂度以及室外机占地面积（估计增加15–25%），提高了初始成本（约5–10%），引入了额外泄漏点（通常多出6–10个接头），并增加了长期维护成本。两个蒸发器之间的切换还增加了控制复杂度并降低了可靠性。Liu等[19]和Ji等[8]通过在空气源翅片上涂覆太阳能吸热材料提出了集成设计。但在本研究中，集成是通过整体成型带背翅片的吸热平板实现的。然而，在现实多模式供暖场景中同时考察此类集成系统瞬态热响应和EEV调节下振荡特性的综合实验研究仍然缺乏[21]。文献中缺乏同时记录EEV动态调节下蒸发器/冷凝器压力和温度振荡变化、压缩机功率和COP的现场测量数据，对这些振荡的机理解释也尚未开展。没有此类研究，系统、EEV控制与波动环境条件之间的动态相互作用无法被充分理解，阻碍了可靠控制策略的开发以及运行稳定性、可靠性和减磨的改进。即使广泛使用的商业控制器在实际中也可能表现不佳，因为某些问题被忽视；没有瞬态实验证据，就难以评估控制精度和稳定性，或识别过热度偏差和振荡幅度过大等问题。

与此同时，热致变色水凝胶因其能够响应环境温度动态调节太阳透过率且无需外部能量输入而近期备受关注[22]、[23]、[24]。低温下水凝胶保持透明；高温时发生相变变为不透明。这种自适应特性主要用于智能窗户[25]，实现最高81%的太阳调制和高于83%的可见光透过率[22]、[26]，夏季室内温度降低最多13 °C[22]、[27]。水凝胶的光学特性和接近室温的相变点（约32 °C）使其适用于DX-SAHP的室外换热器。冬季，室外蒸发器在转变温度以下运行，水凝胶保持透明，允许太阳辐射到达吸热面，最大化太阳能捕获。夏季，冷凝器在转变温度以上运行，水凝胶变为不透明，阻挡太阳辐射，减少冷凝器热负荷。然而，此类集成应用鲜有报道。尽管仍存在实际挑战——确保长期密封完整性、防止水凝胶层在寒冷冬夜冻结以及实现循环稳定性——但这种创新组合仍具有相当大的探索价值。

为解决上述问题，本研究对采用热致变色水凝胶涂层整铸平板/翅片双源（FFDS）换热器的直接膨胀热泵系统进行了全面的实验研究。正面覆盖透明PMMA盖板，水凝胶夹在PMMA与镀铬铝基板之间，下方为制冷管路和背翅片。冬季供暖模式下，同时提取太阳能和空气热能使制冷剂蒸发；夏季制冷模式下，水凝胶变为不透明阻挡太阳辐射，减少冷凝器热负荷。本研究仅聚焦于冬季供暖运行。本工作的创新之处在于以下三个方面：

首先，尽管先前的研究也进行了全天连续实验并记录每小时数据，但其采集分辨率不足以捕捉实时EEV调节下关键参数的振荡响应特性。通过高分辨率瞬态测量，本研究创新性地揭示了整体成型单结构双源蒸发器在动态EEV调节下振荡的产生和演化机制。从节流调节和流量演化的角度，阐明了温度和压力的锯齿状振荡特征和振荡相位关系，以及过热度振荡幅度随冷凝压力升高而衰减的机制——这是鲜有涉及的解释。

其次，通过多种工况下的对比实验，量化了蒸发器和冷凝器侧参数对环境扰动的不对称敏感性，确认蒸发器侧比冷凝器侧受环境变化影响更大，并阐明了由此导致的压力比和COP演化。

第三，评估了系统在真实天气条件下各种供暖模式下的性能，提供了全面的运行概况，展示了系统对不同天气场景和用户需求适应性——超越了单模式或准稳态研究的局限性。

综合而言，这些贡献加深了对EEV动态调节下集成双源热泵瞬态动态特性和多模式性能响应的理解，为开发更稳定和可靠的控制策略及集成系统设计提供了实证数据和见解。

## 系统构建与测试方法

所提出系统的示意图和实验照片分别如图2和图3所示。系统由室外机和室内机两部分组成。室外侧包括整铸平板/翅片双源换热器（FFDS）、电子膨胀阀（EEV）、双盘管储水箱和压缩机（PJ250M2C-4FT），通过铜制冷管路互连形成制冷剂回路。EEV由……调节。

## 计算标准

本节介绍性能分析所采用的计算标准。关于系统热输出，对于纯水加热模式，系统制热功率定义为水箱得热速率[28]：

Q?_th = Q?_w = ρVc(ΔT_w)/Δt

其中ρ为水的密度（kg/m3）；c为水的比热容（J/(kg·°C)）；ΔT_w表示加热时间Δt（s）内水箱水温的变化量（°C）。

对于其他运行模式……

## 不确定度分析

进行了不确定度分析以评估实验推导的性能指标的可靠性。根据误差传播理论，对于导出量y = f(x?, x?, ?, x?)，总体相对不确定度表示为[31]：

δy/y = √(Σ???? (?y/?x?)2·(δx?/y)2)

其中δx?表示由各独立基本变量的传感器精度（见表2）确定的绝对测量不确定度。

## 实验分析

本节在供暖季不同天气条件和运行模式下进行了一系列实验，以展示系统的运行稳定性和整体性能优势。同时，通过瞬态动态系统响应变化，更深入地揭示了系统、EEV控制和波动环境条件之间的动态相互作用。

## 结论

为加深理解EEV动态调节下集成双源热泵的瞬态动态和多模式性能响应，并为开发稳定可靠的控制策略和集成系统设计提供实证数据和见解，本研究对采用整铸平板/翅片双源换热器和热致变色水凝胶涂层的直接膨胀热泵的瞬态热力学响应进行了实验研究。

## CRediT作者贡献声明

宋志英：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，指导，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。
张宇哲：可视化，资源，调查，形式分析，数据管理，概念化。
宣伟：写作——审阅与编辑，可视化，指导，资金获取。
姬杰：可视化，指导，资源。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到以下资助支持：国家自然科学基金委员会，中国（52406275）；安徽省自然科学基金，中国（2408085QE160）；中央高校基本科研业务费专项资金，中国（JZ2026HGTS0230）；国家自然科学基金委员会，中国（52238004）。

宋志英 | 张宇哲 | 宣伟 | 姬杰