蒸汽旁路技术用于提升配备5毫米直径带翅片管换热器的空气源热泵系统的性能

《ENERGY AND BUILDINGS》：Vapor bypass technology to enhance the performance of an air source heat pump system with 5?mm diameter finned tube heat exchanger

小直径换热器在空气源热泵蒸发器中的应用结合蒸汽旁通技术可有效降低压力降并提升系统性能。实验表明，5mm管径外机采用蒸汽旁通技术使APF提高5.18%，加热COP提升2.15-7.22%，年能耗减少4.14%，生命周期二氧化碳当量排放降低3.94%，投资回收期3.04年。

　　

王博文|熊彤|霍志豪|刘杰|刘国强|严刚

西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系，中国西安710049

摘要

由于低成本和优异的传热性能，小直径换热器在制冷和空调行业中得到了越来越广泛的应用。然而，当它们作为热泵系统中的蒸发器使用时，可能会导致显著的压力降，从而降低整个系统的性能。为了提高空气源热泵（ASHP）系统的年性能系数（APF）并解决小直径换热器带来的高压降问题，本研究提出了将蒸汽旁路（VB）技术应用于5毫米直径的翅片管换热器（FTHX）的方法。通过实验确定ASHP系统的性能，验证了该技术的可行性。为了便于与原型系统进行性能比较，室外FTHX通过集成气液分离器和旁路阀被重新配置为蒸汽旁路换热器（VBHX）。评估在所有七种中国APF标准运行条件下进行。结果表明，在制冷条件下，VB系统的EER提高了4.02–4.96%；相应地，在制热条件下，COP提高了2.15–7.22%，这得益于蒸发器压力降的降低。与原型系统相比，VB系统的APF提高了5.18%，年能耗减少了4.14%。经济分析显示，新增组件的回收期为3.04年。此外，生命周期气候性能（LCCP）评估显示总二氧化碳当量排放量减少了3.94%。研究表明，蒸汽旁路技术显著提高了小直径换热器ASHP系统的能源效率、经济可行性和环境性能，特别是通过解决由高压降引起的快速结霜问题。

引言

随着全球加速实现碳中和，削减能源消耗和温室气体排放已成为我们这个时代的关键问题。根据国际能源署（IEA）的数据，到2040年，全球能源需求预计将增加四分之一以上[1]。这一趋势的一个重要原因是人们对舒适室内环境的需求不断增加。因此，预计到2050年，建筑物用于供暖和制冷的能源消耗将比2010年的基准水平增加84%[2]。由于空气源热泵（ASHP）具有高能源效率，它们在住宅和商业领域得到了广泛采用。然而，在寒冷气候下的广泛使用导致冬季电力需求急剧上升[3]。因此，提高ASHP系统的运行效率对于节能至关重要。

标准的住宅ASHP系统包括一个压缩机、一个换向阀、一个膨胀部件和两个翅片管换热器（FTHX）。这两个FTHX可以互换使用，根据系统的运行模式分别作为蒸发器或冷凝器。这些换热器的性能对系统的整体效率至关重要[4]、[5]。因此，近年来，人们越来越关注改进用于热泵应用的FTHX[6]、[7]、[8]。FTHX中的传热涉及管内和管外的机制。通过优化翅片类型、翅片间距和管布局可以增强外部传热[9]、[10]、[11]，而内部传热则通过使用增强表面（粗糙表面或扩展表面）和减小管径等方法得到改善[12]、[13]。其中，减小管径具有显著的应用潜力。

目前，R32（GWP = 675, A2L）是空调系统中使用的主要制冷剂。作为低GWP制冷剂，它在ASHP中的应用前景广阔，但其轻微的可燃性需要谨慎处理[14]。通过减小管径来减少换热器的内部体积可以降低制冷剂充注量，从而支持安全使用轻微可燃的制冷剂。此外，随着对能源效率以及铜和铝等材料成本的关注增加，迫切需要更经济的换热器设计。例如，2020年后国际铜价达到了10,747美元的历史高位[15]、[16]。这些因素加速了小直径管换热器的采用[17]、[18]。

小直径FTHX通常指直径在100微米到6.0毫米之间的管子[19]。目前大多数研究比较了7.0毫米和5.0毫米管子在空调系统中的热性能和经济性能。然而，缩小管径也带来了新的挑战。例如，用5.0毫米管子替换7.0毫米管子会使内部和外部传热面积分别减少20%以上和10%以上。此外，在相同的运行条件下，5.0毫米管子的摩擦压力降比7.0毫米管子高10–30%[20]、[21]。这种增加的压力降会损害传热能力，尤其是在蒸发器中[22]。此外，更大的压力降还会使蒸发器在低温运行时更容易结霜。

为了解决这些问题，学者们进行了大量研究。现有研究表明，通过适当的流道设计，5.0毫米换热器的性能可以与传统7.0毫米换热器相当。Ma等人[23]通过模拟和实验证明，用5.0毫米设计替换7.0毫米室外单元可以将总传热面积减少5.1%，同时保持系统效率和容量。重要的是，制冷剂充注量和换热器成本分别减少了12.28%和19.76%。实际上，实施多条制冷剂路径可以抵消小管中的压力损失，尽管压力降和传热性能之间存在权衡。Vasu等人[24]使用优化算法为变流量热泵室内单元设计了一个四回路5.0毫米FTHX，实现了13%的传热效率提升，并且压力降在可接受范围内。Jiang等人[25]在15千瓦商用单元中比较了9.52毫米和5.0毫米管子，发现5.0毫米版本在成本和性能上都有优势，制冷剂充注量减少了46%。Li等人[26]研究了使用R32的5.0毫米FTHX的压力降特性，发现改进后的5.0毫米管子可以在保持相同冷凝和蒸发容量的同时替代7.0毫米管子，尽管在冷凝时的压力降增加了0.5–1.3倍，在蒸发时增加了三倍以上。这些发现证实了5.0毫米FTHX在ASHP系统中的应用潜力。然而，当5.0毫米小直径FTHX应用于热泵系统的蒸发器时，特别是在结霜条件下运行时，会导致显著的压力降，从而导致换热器快速结霜。

最近，蒸汽旁路技术作为一种有效的方法出现，用于提高蒸发器性能和ASHP系统效率[27]、[28]。在传统实现中，在膨胀阀和蒸发器之间安装了一个相位分离器，将蒸汽制冷剂直接引导到蒸发器出口，只允许液体部分进入蒸发器。Elbel和Hrnjak[29]在CO₂制冷系统中采用了这种方法，并报告了9%的热性能提升和7%的COP提升，归因于压力降的降低。Tuo等人[30]、[31]在移动空调系统中实施了蒸汽旁路，增加了流经微通道换热器集管的液体制冷剂的比例。这种配置将传热能力提高了约15%，COP提高了5%。可视化研究进一步证实，蒸汽旁路改善了蒸发器表面的制冷剂分布和温度均匀性[32]。

然而，传统的蒸汽旁路系统受到膨胀后产生的蒸汽量有限的限制。为了克服这一问题，Fan等人[33]、[34]提出了一种内部蒸汽旁路蒸发器，它在制冷剂回路中集成了一个相位分离器，使得更多的蒸汽能够被旁路，从而提高加热性能。Xiong等人[35]将相同的蒸汽旁路技术应用于多分割空气源热泵系统。结合流道优化，这种方法在制冷和制热模式下都提高了系统的性能，从而提高了APF。Zhai等人[36]提出了一种新型的蒸汽旁路系统，能够在制冷和制热模式下有效运行，解决了传统设计的关键限制。然而，这些现有研究主要集中在7.0毫米管换热器上。关于蒸汽旁路技术在小直径换热器中的应用，仍然存在重要的研究空白。鉴于蒸汽旁路的一个关键优势是减轻蒸发器压力降，而这是小直径管的一个突出问题，将这两种技术结合起来是一个有前景但尚未探索的解决方案。为了支持直径微型化的行业趋势，迫切需要进一步研究小直径单元使用蒸汽旁路的有效性。

因此，本研究的主要创新有两个方面。首先，它将蒸汽旁路技术实验性地应用于5毫米管翅片管换热器的室外单元。这是一个先前研究较少的领域。其次，它在七种不同的APF条件下提供了对该集成设计的全面系统级评估，这在文献中仍然很少见。

原型ASHP系统

原型ASHP的系统图如图1所示。其关键组件包括室内和室外FTHX、四通换向阀、压缩机和电子膨胀阀（EEV）。图2(a)显示了室内单元的布局，而图2(b)展示了室外单元的实际照片。本研究重点关注室外换热器的改进。为了与蒸汽旁路技术兼容，该组件被分为两个部分：区域1和区域2。

原型系统与VB系统的性能比较

为了确保实验结论的可靠性，根据测试数据和之前的不确定性分析计算了实验参数误差。结果以误差条的形式显示在图5和图6中。如图所示，在所有APF运行场景中，VB系统的COP和EER的最小误差条值始终超过原型系统的最大值。这提供了强有力的证据

结论

本研究调查了一种室外单元采用5毫米管直径的空气源热泵。为了提高整体性能，应用了蒸汽旁路（VB）技术来减轻压力降。该技术涉及将气液分离器集成到制冷剂回路中，以引导蒸汽制冷剂，这不仅降低了压力降，还最小化了与较差传热系数相关的面积。对VB系统的实验评估已经完成

CRediT作者贡献声明

王博文：撰写——原始草案、方法论、数据管理。熊彤：撰写——审阅与编辑、调查、概念化。霍志豪：撰写——审阅与编辑、调查、形式分析。刘杰：撰写——审阅与编辑、资源管理、数据管理。刘国强：撰写——审阅与编辑、资源管理、形式分析。严刚：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理。

利益冲突声明

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