兩級加熱熱泵系統(tǒng)工作特性研究

劉 雄，郭 旗，陳建娟，劉 洋

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，全空氣空調(diào)系統(tǒng)在有溫度和濕度要求的建筑中，獲得了廣泛使用.眾所周知，目前，絕大多數(shù)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)一般都是采用一次回風(fēng)加再熱的空氣處理方案.根據(jù)研究，這種空氣處理方案的空氣再熱量非常大，即使在夏季最熱月，其再熱耗熱量也超過冬季最冷月耗熱量的30%以上，甚至高達60%[1]，因此，在這種全空氣空調(diào)系統(tǒng)中，空氣再熱熱量的獲取方式在很大程度上決定了這種空調(diào)系統(tǒng)的初投資和運行費用.目前，在上述的全空氣空調(diào)系統(tǒng)中，最傳統(tǒng)的冷熱量獲取方式是：利用制冷機生產(chǎn)冷凍水，以滿足空氣處理的冷卻或除濕需求，利用專門設(shè)置的空調(diào)熱源（例如：燃油燃氣鍋爐等）生產(chǎn)熱水或蒸汽，以滿足空氣處理的再熱和冬季加熱需求；但這一方案的缺陷是顯而易見的，除了機房占地面積大，初投資高以外；運行也非常不節(jié)能，一方面大量的冷凝熱被直接排入周圍環(huán)境，沒有得到有效的利用，另一方面又利用油或天然氣直接生產(chǎn)低溫?zé)崴茉词褂梅绞讲缓侠?，效率?

當(dāng)前，較為合理和節(jié)能的方式是：夏季利用具有制冷兼熱回收功能的熱泵同時生產(chǎn)空調(diào)冷凍水和熱水，冷凍水用于滿足空氣處理的冷卻和除濕需求，熱水用于滿足空氣再熱的需求；冬季利用熱泵生產(chǎn)熱水，以滿足空氣處理的加熱需求.這一方案由于在夏季回收利用了冷凝熱，因此運行時更節(jié)能，另外由于僅利用一臺熱泵就可以滿足空氣處理機組全年的冷熱量需求，故設(shè)備易于小型化，可以降低初投資，也可以減少機房占地面積，因此，一直以來這種可以全年運行，且具有制冷兼熱回收功能的熱泵都是暖通空調(diào)設(shè)備研發(fā)中的熱點[2-18]，但遺憾的是目前所開發(fā)出的方案還沒有一個方案贏得了暖通行業(yè)內(nèi)的共同認可，獲得大規(guī)模的推廣應(yīng)用.

本文提出了一種新的、夏季具有制冷兼熱回收功能的兩級加熱熱泵系統(tǒng)[19-21].該熱泵系統(tǒng)在全年運行過程中，可用于驅(qū)動空氣處理機組；在夏季工況下它能夠通過制冷兼熱回收功能同時為空氣處理機組生產(chǎn)空調(diào)冷、熱水，在冬季工況下它能夠通過兩級加熱方式為空氣處理機組生產(chǎn)空調(diào)熱水.本文詳細介紹了這種熱泵系統(tǒng)在冬、夏季工況下的工作流程，并通過建立實驗臺對該種熱泵系統(tǒng)進行了實驗研究.

1 系統(tǒng)工作原理

本文所研究的兩級加熱熱泵系統(tǒng)的夏季和冬季工況的工作原理分別如圖1、圖2所示.從圖中可以看出：本文所研究的兩級加熱熱泵系統(tǒng)由制冷劑系統(tǒng)和水系統(tǒng)兩部分組成.在夏季和冬季工況下工作時，制冷劑和水的工作流程分別如圖1、圖2中箭頭所示.

圖1 夏季工況下熱泵系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of the heat pump system in summer

在夏季工況下工作時，如圖1所示，空調(diào)冷熱水換熱器用于生產(chǎn)冷凍水；熱水加熱器通過熱回收的方式，回收利用一部份制冷所產(chǎn)生的冷凝熱生產(chǎn)熱水；剩下的另一部份冷凝熱通過熱源換熱器排入環(huán)境.在空氣處理裝置中，冷卻器首先利用空調(diào)冷熱水換熱器所生產(chǎn)的冷凍水，將被處理空氣冷卻除濕至其空氣露點；然后，再熱器再利用熱水加熱器所生產(chǎn)的熱水對被處理空氣進行再熱.工作過程中，電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2打開；控制閥1關(guān)閉，控制閥2打開；熱力膨脹閥1不工作，熱力膨脹閥2、空調(diào)水循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵都正常工作.

圖2 冬季工況下熱泵系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the heat pump system in winter

在冬季工況下工作時，如圖2所示，空調(diào)冷熱水換熱器用于第二級加熱空調(diào)熱水；熱水加熱器用于第一級加熱空調(diào)熱水；熱源換熱器用于從環(huán)境中吸取熱量.在空氣處理裝置中，經(jīng)熱水加熱器、空調(diào)冷熱水換熱器二級加熱后的空調(diào)熱水依次經(jīng)過冷卻器、再熱器對被處理空氣進行加熱.工作時，電磁閥1打開，電磁閥2關(guān)閉；控制閥1打開，控制閥2關(guān)閉；熱力膨脹閥1正常工作，熱力膨脹閥2關(guān)閉；空調(diào)水循環(huán)泵不工作，熱水循環(huán)泵正常工作.

從以上分析可以看出：圖1所示系統(tǒng)夏季工況的工作流程與常規(guī)具有熱回收功能的制冷機的工作流程基本相同，而關(guān)于這種制冷機的工作性能已經(jīng)有許多研究人員進行過研究[22-23]，因此本文不再進行討論；本文的研究目標(biāo)是冬季工況，因為在圖2所示的熱泵系統(tǒng)冬季工況中，空調(diào)熱水是經(jīng)過二級加熱，在現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)中目前還尚未發(fā)現(xiàn)有類似的系統(tǒng).

2 試驗裝置及測點布置

依據(jù)圖2所示的冬季工況原理圖，本文作者設(shè)計并搭建了一個水源熱泵實驗臺，如圖3～4所示.圖3是熱泵實驗臺的制冷劑系統(tǒng)及其測點布置圖；圖4為冬季工況下熱泵實驗臺的水系統(tǒng)，用于熱量的測量以及換熱器進出口水溫的調(diào)控.由于以前的實驗對本地自來水水溫作過長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)自來水水溫在一天之中非常穩(wěn)定，因此，圖4所示實驗臺的設(shè)計原則是：利用自來水通過混水的方式對換熱器的入口水溫進行調(diào)控，再通過調(diào)節(jié)循環(huán)水流量的方法對換熱器的出口水溫進行調(diào)控，具體的調(diào)控方法如下所述.

圖3 熱泵試驗臺制冷劑系統(tǒng)及其測點布置圖Fig.3 The refrigerant system of the heat pump experimental setup and its arrangement of measuring points

圖4 熱泵試驗臺冬季工況水系統(tǒng)圖Fig.4 The water system of the heat pump experimental setup

工作時，空調(diào)熱水在上述循環(huán)過程中，通過調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)補水量，對熱水加熱器的入口熱水溫度進行調(diào)控，如圖4所示，這些補水來自水泵3提供的一部份自來水.隨著補水的加入，上述工作流程中多余的水從熱水箱的溢流管排出.控制閥4則通過調(diào)節(jié)依次通過熱水加熱器和空調(diào)冷熱水換熱器的熱水流量，對空調(diào)冷熱水換熱器的出口熱水溫度進行控制.

低溫水在上述循環(huán)過程中，通過調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)補水量，對熱源換熱器的入口低溫水溫度進行調(diào)控，如圖4所示，這些補水也來自水泵3提供的一部份自來水.隨著補水的加入，上述工作流程中多余的水從冷水箱的溢流管排出.控制閥3則通過調(diào)節(jié)通過熱源換熱器的低溫水流量，對熱源換熱器的出口低溫水溫度進行控制.

實驗時，三個換熱器的進出口水溫利用三臺超聲波冷熱表配套的六個Pt500水溫傳感器進行測量；換熱器進口水溫傳感器分別安裝在測溫球閥1～3內(nèi)，換熱器出口水溫傳感器內(nèi)置在超聲波冷熱量表的殼體中,所采用超聲波冷熱表的計量等級為2級.

制冷劑溫度采用SIEMENS Pt100鉑電阻溫度傳感器進行測量，在安裝前，都用刻度分格為0.1 ℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度計進行過校驗；壓力傳感器為此次實驗向廠家定制，安裝時，未再做校驗,精度為0.5級.數(shù)據(jù)采集儀為KEITHLEY-7708，數(shù)字式功率表為日本共立S6300.

所搭建的實驗臺采用渦旋式壓縮機和釬焊板式換熱器，制冷劑為R410A；熱力膨脹閥的最高工作壓力為4.5 MPa，蒸發(fā)溫度范圍：10℃～－40 ℃.

3 試驗結(jié)果分析

本文在3種不同低溫水進出口水溫(即：熱源換熱器進出口水溫)下，對圖3、圖4所示熱泵系統(tǒng)的冬季工況進行了實驗研究.

實驗時，3種不同熱源換熱器進出口水溫分別是：10/5、12/7和14/9 ℃；而空調(diào)冷熱水換熱器熱水出口溫度與熱水加熱器熱水進口溫度之間的溫差Δthw(本文簡稱為熱水進出口溫差)則分別維持為5 ℃、10 ℃；空調(diào)冷熱水換熱器熱水出口溫度thw,o(簡稱為熱水出口溫度)分別維持為40、45、50、55 ℃；即：實驗時的熱水進出口溫度thw,in/thw,o分別為35/40、40/45、45/50、50/55 、30/40、35/45、40/50、45/55 ℃八種工作情況.

實驗過程中，圖3所示制冷劑系統(tǒng)的溫度、壓力、壓縮機功率、電流數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)記錄儀每10 s掃描記錄一次，圖4所示水系統(tǒng)的逐時水溫、逐時水流量、逐時冷熱量數(shù)據(jù)則通過超聲波冷熱量表的觸摸屏進行觀測和記錄，每一實驗工況待系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)之后，以10 min作為一個測量周期，記錄4組數(shù)據(jù)，利用獲取數(shù)據(jù)的平均值對系統(tǒng)的性能進行分析.

3.1 熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣溫度的影響

熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣溫度的影響如圖5所示.從圖5中可以看出：除了熱水進出口溫度thw,in/thw,o為50/55 ℃這一種工作情況以外，在其它的七種熱水進出口溫度thw,in/thw,o下，隨著熱源換熱器進出口水溫的升高，壓縮機排氣溫度雖然有所降低，但降低幅度很小；當(dāng)熱水進出口溫差為10 ℃時，排氣溫度降低幅度為0.59～1.58 ℃；當(dāng)熱水進出口溫差為5 ℃，且熱水出口溫度不超過50 ℃時，排氣溫度的降低幅度為1.98～2.71 ℃，而當(dāng)熱水出口溫度為55 ℃時，排氣溫度的降低幅度為5.92 ℃.

另外，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，熱水進出口溫差為10 ℃時的壓縮機排氣溫度都要低于溫差為5 ℃時的壓縮機排氣溫度，降低幅度為2.01～8.32 ℃，且熱源換熱器進出口水溫越低、熱水出口溫度越高，降幅越大.

圖5 熱源側(cè)換熱器進出口水溫對壓縮機排氣溫度的影響Fig.5 The effects inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on the discharge temperature of compressor

總體而言，熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣溫度的影響較小，影響壓縮機排氣溫度的主要因素是熱水進出口溫差以及熱水的出口溫度；熱水進出口溫差越大，熱水出口溫度越低，壓縮機排氣溫度越低，系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定.當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為14/9 ℃，thw,in/thw,o= 30/40 ℃時，壓縮機排氣溫度最低，為78.3 ℃；當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為10/5 ℃，thw,in/thw,o= 50/55 ℃時，壓縮機排氣溫度最高，為109.63 ℃.

3.2 熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣壓力的影響

熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣壓力的影響如圖6所示.

圖6 熱源側(cè)換熱器進出口水溫對壓縮機排氣壓力的影響Fig.6 The effects the inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on discharge pressure of compressor

從圖6中可以看出：在相同的熱水進出口溫度thw,in/thw,o下，隨著熱源熱器進出口水溫的升高，壓縮機排氣壓力的最大偏差不超過0.03 MPa，幾乎不變，因此基本為一條直線.另外，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，熱水進出口溫差為10 ℃時的壓縮機排氣壓力都要低于溫差為5 ℃時的壓縮機排氣壓力，降低的幅度為0.0781～0.168 7 MPa，熱水出口溫度為55 ℃時，降幅最大，界于0.144 5～0.168 7 MPa之間.

影響壓縮機排氣壓力的主要因素是熱水進出口溫差以及熱水出口溫度，熱水進出口溫差越大，熱水出口溫度越低，壓縮機排氣壓力越低；熱源換熱器進出口水溫對壓縮機排氣壓力幾乎沒有影響；當(dāng)熱水進出口溫度thw,in/thw,o為30/40 ℃時，壓縮機的排氣壓力最小，平均為2.2002 MPa；當(dāng)熱水進出口溫度thw,in/thw,o為50/55 ℃時，壓縮機的排氣壓力最大，平均為3.1713 MPa.

3.3 熱源換熱器進出口水溫對熱力膨脹閥 1出口

制冷劑溫度的影響

熱源換熱器進出口水溫對熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度的影響如圖7所示.

圖7 熱源側(cè)換熱器進出口水溫對熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度的影響Fig. 7 The effects the inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on thermal expansion valve1 outlet refrigerant temperature

從圖7中可以看出：在相同的熱水進出口溫度thw,in/thw,o下，隨著熱源換熱器進出口水溫的升高，熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度也上升；而且在相同的熱源換熱器進出口水溫下，當(dāng)熱水進出口溫差為5 ℃時，熱水出口溫度越高，熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度也越高，但熱水進出口溫差為10 ℃時，不存在上述規(guī)律.另外，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下工作時，一部份工作情況下，熱水進出口溫差為10 ℃時的熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度大于溫差為5 ℃時的熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度，而在另一部份工作情況下，熱水進出口溫差為10 ℃時的熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度又小于溫差為5 ℃時的熱力膨脹閥1出口制冷劑溫度，但兩者之間的偏差都不超過0.6 ℃.

3.4 熱源換熱器進出口水溫對系統(tǒng)總制熱量的影響

熱源換熱器進出口水溫對系統(tǒng)總制熱量的影響如圖8所示.從圖8中可以看出：在相同的熱水出口溫度下，隨著熱源進出口水溫的升高，系統(tǒng)的總制熱量增大；當(dāng)熱水進出口溫差為5 ℃時，增幅界于6.43%～12.81%之間；當(dāng)熱水進出口溫差為10 ℃時，增幅界于6.50%～11.57%之間；而且在上述兩種熱水進出口溫差下，當(dāng)熱水出口溫度為40 ℃時,其增幅都是最大, 當(dāng)熱水出口溫度為50 ℃時,其增幅都為最小,因此，從另一方面也說明當(dāng)熱水出口溫度為50 ℃時, 熱源換熱器進出口水溫變化對系統(tǒng)總制熱量的影響相對較小.

圖8 熱源側(cè)換熱器進出口水溫對系統(tǒng)總制熱量的影響Fig.8 The Effects the inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on total heating quantity

另外，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，熱水進出口溫差為10 ℃時的系統(tǒng)總制熱量都大于溫差為5 ℃時的系統(tǒng)總制熱量，當(dāng)熱水出口溫度處于40～55 ℃之間時，超過的幅度界于0.69%～12.14%之間；并且當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為12/7 ℃、熱水出口溫度為45 ℃時，增加的幅度最??；當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為14/9 ℃、熱水出口溫度為50 ℃時，增加的幅度最大.在本次實驗中，當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為14/9 ℃，熱水進出口溫度thw,in/thw,o為 30/40℃時，系統(tǒng)的總制熱量最大，為10.208 kW；當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為10/5 ℃，熱水進出口溫度thw,in/thw,o為 50/55 ℃時，系統(tǒng)的總制熱量最小，為7.314 kW.

3.5 熱源換熱器進出口水溫對壓縮機功率的影響

熱源換熱器進出口水溫對壓縮機功率的影響如圖9所示.從圖9中可以看出：當(dāng)熱水進出口溫度為50/55 ℃時，隨著熱源換熱器進出口水溫的增加，壓縮機功率的變化幅度最大，為5.58%，而且在上述的熱水進出口溫度下，當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為10/5 ℃時，在本次實驗中，其壓縮機功率最大，為3.33 kW.

當(dāng)熱水進出口溫度為35/45 ℃時，隨著熱源換熱器進出口水溫的增加，其壓縮機功率的變化幅度排在第二位，為1.46%.而在其它的熱水進出口溫度下，隨著熱源換熱器進出口水溫的增加，壓縮機功率的變化幅度界于0.339%～0.988%之間，基本不變.

圖9 熱源側(cè)換熱器進出口水溫對壓縮機功率的影響Fig.9 The Effects the inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on power of compressor

另外，在相同的熱源側(cè)換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，熱水進出口溫差為10 ℃時的壓縮機功率都要小于溫差為5 ℃時的壓縮機功率，當(dāng)熱水出口溫度處于40～55 ℃之間時，降低的幅度界于3.0%～10.48%之間；并且當(dāng)熱源側(cè)換熱器進出口水溫為14/9 ℃、熱水出口溫度為45 ℃時，降低的幅度最小；當(dāng)熱源側(cè)換熱器進出口水溫為10/5 ℃、熱水出口溫度為55 ℃時，降低的幅度最大.

3.6 熱源換熱器進出口水溫對系統(tǒng)制熱COP的影響

熱源換熱器進出口水溫對系統(tǒng)制熱COP的影響如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)制熱COP隨熱源側(cè)換熱器進出口水溫的變化Fig.10 The effects the inlet and outlet water temperature of heat source heat exchanger has on heating coefficient of performance (COP)

從圖10中可以看出：在相同的熱水出口溫度下，隨著熱源換熱器進出口水溫的升高，系統(tǒng)的制熱COP增大；當(dāng)熱水進出口溫差為5 ℃時，增幅界于5.99%～12.81%之間，且熱水出口溫度為55 ℃時，增幅最大，熱水出口溫度為50 ℃時，增幅最?。划?dāng)熱水進出口溫差為10 ℃時，增幅界于5.92%～11.13%之間，且熱水出口溫度為40 ℃時，增幅最大，熱水出口溫度為50 ℃時，增幅最小.

另外，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，熱水進出口溫差為10 ℃時的系統(tǒng)制熱COP都要大于溫差為5 ℃時的系統(tǒng)制熱COP，當(dāng)熱水出口溫度處于40～55 ℃之間時，增加的幅度界于4.66%～18.45%之間；而且當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為10/5 ℃、熱水出口溫度為55 ℃時，增加的幅度最大；當(dāng)熱源換熱器進出口水溫為12/7 ℃、熱水出口溫度為45 ℃時，增加的幅度最??；總體而言，當(dāng)熱水出口溫度超過50 ℃后，增加的幅度都超過10%.

4 結(jié)論

本文所提出的兩級加熱熱泵系統(tǒng)在冬季工況下工作時，采用兩級加熱的方式生產(chǎn)熱水，通過實驗發(fā)現(xiàn)：

(1) 當(dāng)熱源換熱器進出口水溫分別為10/5、12/7、14/9 ℃，且熱水出口水溫在40～55 ℃之間時，在相同的熱源換熱器進出口水溫和熱水出口溫度下，當(dāng)熱水進出口溫差為10 ℃時，系統(tǒng)的排氣溫度、排氣壓力、壓縮機功率都要比5 ℃溫差時的更低，減小的幅度分別為2.01～8.32 ℃、0.078 1～0.168 7 MPa、3.0%～10.48%；

(2) 系統(tǒng)的總制熱量、制熱COP都要比5 ℃溫差時的更高，增加的幅度分別為0.69%～12.14%、4.66%～18.45%；

(3) 實驗和分析結(jié)果表明:本文所研究的兩級加熱熱泵系統(tǒng)在大的熱水進出口溫差下工作時，不僅性能更好，而且也更穩(wěn)定.

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